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出版者:化学工业出版社

作者:罗运俊

出品人:

页数:327

译者:

出版时间:2005-1

价格:45.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787502556808

丛书系列:

图书标签:

• 经济
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• 太阳能利用技术
• 太阳能
• 光伏发电
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太阳能利用技术 前言 在人类文明长河中，对能量的探索与利用一直是推动社会进步的关键驱动力。从钻木取火的远古时代，到蒸汽机的轰鸣，再到电力的普及，每一次能源革命都深刻地改变了我们的生活方式和生产模式。如今，我们正站在又一次能源变革的起点上，而这场变革的核心，便是取之不尽、用之不竭的太阳能。 太阳，这颗距离我们亿万公里的恒星，以其巨大的能量辐射滋养着地球上的一切生命。然而，直到近现代，人类才开始真正认识到太阳能的巨大潜力，并逐步掌握将其转化为可用能源的技术。与传统的化石能源不同，太阳能是一种清洁、可再生、几乎无处不在的能源，它的开发利用不仅能有效缓解日益严峻的能源危机，更能为应对全球气候变化、构建可持续发展社会提供根本性的解决方案。 本书《太阳能利用技术》旨在系统地梳理和阐释当前太阳能利用的各个方面，从基础的太阳能特性到先进的转换与储存技术，再到实际的应用场景与未来发展趋势，力求为读者呈现一个全面而深入的太阳能利用图景。我们相信，随着技术的不断进步和应用领域的持续拓展，太阳能必将在未来的能源结构中扮演越来越重要的角色，成为驱动人类社会迈向绿色、低碳、可持续未来的强大引擎。 第一章 太阳能基础 本章将从最基础的层面，深入剖析太阳能的本质及其在地球上的传播与分布。 1.1 太阳的辐射特性： 太阳结构与能量产生： 简述太阳的内部结构，着重介绍其核心区域发生的核聚变反应，即氢原子聚变成氦原子，这是太阳持续放出巨大能量的根本原因。 太阳光谱： 详细分析太阳辐射的光谱分布，包括可见光、红外线、紫外线以及其他电磁波段。理解不同波长能量的特性，对于后续的光电转换、光热转换技术至关重要。 太阳常数： 定义并解释太阳常数（Solar Constant）的概念，即在地球大气层顶层，垂直于太阳光方向的单位面积在单位时间内接收到的太阳辐射能量。阐述其数值的意义及影响因素（如日地距离的变化）。 太阳辐射的传播： 介绍太阳辐射通过电磁波形式在宇宙空间传播的原理，以及其穿过真空的特性。 1.2 地球接收太阳辐射： 地球大气层对太阳辐射的影响： 详细阐述地球大气层对太阳辐射的吸收、散射和反射作用。分析不同成分（如臭氧层、水蒸气、二氧化碳、气溶胶等）对太阳辐射的影响，以及由此造成的地表接收到的太阳辐射能量的变化。 地表接收太阳辐射的因素： 纬度： 分析不同纬度地区接收太阳辐射的角度差异，解释赤道地区为何能接收到更多的太阳能。 季节： 阐述地球公转轨道、地轴倾斜以及由此产生的季节变化如何影响太阳辐射的角度和日照时长。 地势与地形： 解释高程、坡度、坡向以及周围地形（如山脉、峡谷）对太阳辐射接收的影响。 天气与气候： 描述云量、降雨、雾霾等天气现象对太阳辐射强度的遮蔽效应。 日照时长： 分析一天中太阳高度角的变化与日照时长的关系，以及地理位置对日照时长的影响。 太阳辐射的分类： 直接辐射（Direct Normal Irradiance, DNI）： 指的是从太阳发出的、未经过大气散射的辐射，其方向性非常强。 散射辐射（Diffuse Horizontal Irradiance, DHI）： 指的是被大气分子、气溶胶和云层散射后到达地表的辐射，其方向不确定。 总辐射（Global Horizontal Irradiance, GHI）： 是直接辐射和散射辐射在水平面上的总和，是评估地表太阳能资源的关键指标。 全球太阳能资源分布： 介绍全球不同区域的太阳能资源差异，重点分析一些太阳能资源丰富的地区，并提供相应的统计数据和地图。 第二章 太阳能转换技术 本章将聚焦于如何将捕捉到的太阳能转化为可用的电能或热能。 2.1 光伏发电技术（Photovoltaics）： 半导体材料基础： 晶体结构与能带理论： 解释半导体材料（如硅）的晶体结构、价带、导带以及禁带宽度。 掺杂与PN结： 详细介绍P型半导体和N型半导体的形成，以及PN结的形成及其导电特性，这是光伏效应的基础。 光伏效应原理： 深入阐述光子激发半导体产生电子-空穴对，在PN结内建电场作用下分离形成光生电流的过程。 太阳能电池的结构与工作原理： 单晶硅电池： 介绍单晶硅的制备工艺、性能特点、优点（高效率）与缺点（成本）。 多晶硅电池： 介绍多晶硅的制备工艺、性能特点、优点（成本较低）与缺点（效率相对较低）。 薄膜太阳能电池： 非晶硅（a-Si）： 介绍其制备工艺、柔韧性、低成本的优点，以及效率较低、光致衰减的缺点。 碲化镉（CdTe）： 介绍其制备工艺、较高的效率、较低的成本，以及潜在的镉毒性问题。 铜铟镓硒（CIGS）： 介绍其制备工艺、较高的效率、柔韧性，以及材料稀缺性问题。 新兴光伏技术： 钙钛矿太阳能电池： 介绍其优异的光电性能、低成本制备潜力，以及目前面临的稳定性与寿命挑战。 有机太阳能电池（OPV）： 介绍其柔韧性、轻质化、半透明的特点，以及效率和稳定性方面的不足。 量子点太阳能电池： 介绍其独特的尺寸效应，可调控的吸收光谱，以及潜在的多光谱利用能力。 多结太阳能电池： 介绍通过堆叠不同带隙的半导体材料来吸收更宽光谱范围的太阳能，以达到更高效率。 太阳能电池组件的构成： 介绍太阳能电池片如何串并联组成太阳能电池组件，以及组件的封装工艺、玻璃、背板、边框等部件的作用。 太阳能电池的效率与性能指标： 详细解释开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）、峰值功率（Pmax）、转换效率等关键性能参数。 2.2 太阳能热利用技术（Solar Thermal）： 集热器原理： 平板集热器： 介绍其结构（集热板、保温层、外壳），工作原理，适用于中低温热水制备。 真空管集热器： 介绍其结构（真空管、吸热涂层、热管/U型管），利用真空隔热提高效率，适用于更高温度的热水制备。 聚光集热器： 槽式抛物面集热器： 介绍其将平行太阳光聚焦于接收管上的原理，可达较高温度，适用于工业供热、发电。 碟式抛物面集热器： 介绍其将太阳光聚焦于一个焦点上的原理，可达极高温度，效率高，适用于太阳能热发电。 菲涅尔反射镜集热器： 介绍其利用条状反射镜将太阳光聚焦在接收管上，结构相对简单。 定日镜场（Heliostat Field）： 介绍大量定日镜将太阳光反射到中央塔顶接收器的原理，适用于大规模太阳能热发电。 热能储存技术： 显热储存： 利用材料（如水、砂石、熔盐）的温度升高来储存能量。 潜热储存： 利用材料的相变过程（如熔化、汽化）来储存能量。 化学储热： 利用可逆的化学反应来储存和释放热能。 太阳能热利用的典型应用： 生活热水： 家用太阳能热水器。 采暖与制冷： 太阳能辅助采暖系统，太阳能吸收式制冷。 工业供热： 太阳能在中高温工业过程中的应用。 太阳能热发电（CSP）： 朗肯循环（Rankine Cycle）： 将集热到的热能转化为蒸汽驱动涡轮机发电。 布雷顿循环（Brayton Cycle）： 利用高温气体驱动涡轮机发电。 斯特林循环（Stirling Cycle）： 利用温差驱动斯特林发动机做功发电。 2.3 太阳能与储能集成技术： 储能的必要性： 解释太阳能的间歇性和波动性（受昼夜、天气影响），使得储能技术成为实现稳定供电的关键。 储能技术类型： 电化学储能： 锂离子电池： 详细介绍其工作原理、优点（能量密度高、循环寿命长），以及在太阳能储能领域的应用。 铅酸电池： 介绍其成熟技术、较低成本，以及在一些分布式太阳能系统中的应用。 液流电池： 介绍其能量容量可独立于功率扩展的特点，适用于大规模储能。 钠硫电池、镍氢电池等。 机械储能： 抽水蓄能： 利用水库进行能量储存，适用于大规模储能。 压缩空气储能（CAES）： 将空气压缩储存，在需要时释放膨胀发电。 热储能： (已在2.2中详细介绍，此处可作为集成技术的一部分强调) 氢能储能： 利用太阳能电解水制氢，将氢气储存起来，需要时再通过燃料电池发电或直接利用。 第三章 太阳能系统集成与应用 本章将探讨如何将太阳能转换技术与储能、电网等进行有效集成，以及太阳能在各个领域的实际应用。 3.1 并网与离网太阳能系统： 并网系统（Grid-tied Systems）： 工作原理： 太阳能电池板产生的直流电通过逆变器转换为交流电，与公共电网并联供电。 关键组件： 太阳能电池板、逆变器、电网接入设备、计量表。 优点： 可将多余电力卖给电网，电力供应稳定。 缺点： 依赖电网，停电时系统停止工作。 离网系统（Off-grid Systems）： 工作原理： 太阳能产生的电能储存在蓄电池中，供负载使用，不连接公共电网。 关键组件： 太阳能电池板、控制器（充放电管理）、蓄电池、逆变器（如有交流负载）。 优点： 适用于偏远地区，能源独立。 缺点： 成本较高（尤其电池部分），电力供应受限。 混合系统（Hybrid Systems）： 工作原理： 结合了并网和离网系统的特点，既连接电网，也配备储能系统，可提供更高的供电可靠性。 优势： 兼顾电网便利性和能源独立性。 3.2 太阳能发电系统设计与优化： 选址与评估： 太阳能资源评估（年辐射量、日照时长），场地条件分析（阴影遮挡、可用面积）。 系统规模确定： 根据用电需求、投资预算、场地条件等因素确定系统装机容量。 组件布局与倾角优化： 根据地理位置和太阳运动轨迹，优化太阳能电池板的安装角度和朝向，以最大化发电量。 逆变器选型： 考虑功率匹配、效率、MPPT（最大功率点跟踪）性能、并网兼容性等因素。 线路设计与损耗计算： 合理的电缆规格选择，减少传输损耗。 运维与监控： 定期清洁、检查，故障诊断与排除，系统性能监测。 3.3 太阳能热利用系统集成与应用： 建筑一体化太阳能（BIPV/BITPV）： 将太阳能组件作为建筑材料（如屋顶瓦片、幕墙玻璃、遮阳板）的一部分，实现能源生产与建筑功能的融合。 太阳能驱动的建筑节能： 太阳能热水系统： 在住宅、商业建筑、酒店等场所提供热水。 太阳能采暖与制冷： 结合储热技术，为建筑供暖，或利用吸收式制冷技术实现制冷。 太阳能热发电（CSP）电站： 集中式电站： 大型聚光集热器场结合蒸汽轮机发电，通常连接到输电网。 分布式热电联产： 将太阳能集热产生的热能与电力结合利用，提高能源利用效率。 农业与工业应用： 太阳能灌溉系统、太阳能干燥设备、太阳能驱动的温室等。 3.4 智能电网与太阳能： 分布式能源管理： 太阳能作为分布式电源，对传统集中式电网的冲击与融合。 需求侧响应： 利用储能和智能控制技术，引导用户在太阳能发电高峰时段增加用电，或在低谷时段减少用电。 微电网： 独立运行的电力系统，可由太阳能、储能等多种能源构成，提高供电可靠性，特别适用于偏远地区或关键设施。 虚拟电厂： 通过信息技术平台，聚合分散的分布式能源（包括太阳能）、储能和可控负荷，将其作为一个整体参与电网调度和能源交易。 第四章 太阳能利用的挑战与未来展望 本章将探讨太阳能利用过程中面临的挑战，并对未来的技术发展和应用前景进行展望。 4.1 太阳能利用面临的挑战： 成本问题： 尽管太阳能电池和相关设备成本持续下降，但与传统能源相比，在某些应用场景下仍存在成本竞争力的问题。 间歇性与波动性： 太阳能发电受天气和昼夜影响，其发电量不稳定，对电网稳定运行提出挑战。 能量储存技术： 高效、经济、长寿命的储能技术仍是制约太阳能大规模应用的关键瓶颈。 土地占用： 大型太阳能电站需要占用大量土地，可能与农业、生态保护等产生冲突。 材料与制造： 一些高效太阳能电池材料的稀缺性、提纯难度以及大规模工业化生产的挑战。 回收与环境影响： 太阳能电池板的生产、使用和报废过程中可能产生的环境影响，以及回收再利用技术的开发。 政策与市场： 政策支持力度、电网接入政策、市场化机制的完善程度等都影响着太阳能的推广应用。 4.2 未来发展趋势与展望： 更高效率的太阳能电池技术： 钙钛矿/硅叠层电池： 结合两种材料的优势，突破单结电池效率极限。 多光谱太阳能电池： 充分利用太阳光谱的各个部分，进一步提高转换效率。 光伏材料的革新： 探索新型半导体材料，如二维材料、有机-无机杂化材料等。 储能技术的突破： 下一代电池技术： 固态电池、钠离子电池、金属空气电池等，追求更高的能量密度、安全性与更低的成本。 长时储能技术： 关注如液流电池、长时蓄电池、储氢等技术的发展，以满足电网对季节性或周度储能的需求。 智能集成与能源互联网： AI与大数据在太阳能管理中的应用： 提高预测精度、优化调度、故障诊断。 能源互联网的构建： 实现能源的多向流动与高效协同。 建筑能效与零能耗建筑： 太阳能与建筑设计深度融合，打造绿色建筑。 多元化应用场景： 漂浮式太阳能电站： 利用水面空间，减少土地占用。 太空太阳能： 探索从太空收集太阳能并传输回地球的可能性。 太阳能交通： 太阳能汽车、太阳能充电桩。 太阳能农业： 提升农业生产效率，实现能源自给。 政策引导与全球合作： 加强国际合作，推动技术共享，完善政策法规，加速太阳能在全球能源结构中的比重。 结语 太阳能，作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其潜力巨大，意义深远。从基础科学的研究到尖端技术的突破，从分布式应用到大规模发电，太阳能利用的每一步发展都凝聚着人类智慧的结晶。尽管前进的道路上仍充满挑战，但随着技术的不断进步、成本的持续下降以及全球对可持续发展的日益重视，我们有理由相信，太阳能必将成为构建人类美好未来的重要基石，引领我们走向一个更加绿色、清洁、繁荣的时代。本书的编写，正是希望能够为所有对太阳能利用技术感兴趣的读者，提供一个系统、深入的了解平台，共同探索和拥抱这个充满希望的能源领域。

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翻开这本书，最先吸引我的是它那几乎是教科书级别的严谨性，但内容远超一般的教材范畴。它没有过多纠缠于那些已经被广泛接受的理论，反而将笔墨集中在了材料科学的前沿突破点上。例如，关于钙钛矿电池的稳定性问题，书中并没有简单地罗列已知的降解途径，而是深入剖析了水分、氧气以及热应力下离子迁移的动力学模型，甚至引用了几篇近期才发表在顶级期刊上的研究成果，这使得这本书的“保鲜期”似乎比一般的技术书籍要长久一些。我尤其欣赏作者在讨论当前技术瓶颈时所展现出的批判性思维，他没有盲目乐观，而是清晰地指出了商业化大规模应用前必须攻克的几个关键“拦路虎”，从成本控制到长期可靠性，分析得入木三分。这本读物更像是一份行业现状的深度剖析报告，而非简单的技术普及读物，它要求读者对材料的微观结构和化学反应过程有一定的预见性和联想能力。

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这部厚厚的著作，我花了足足两个星期才算粗略地翻阅完，首先映入眼帘的是那些密密麻麻的公式和复杂的工程图纸，这绝对不是一本为“扫盲”而准备的入门读物。它的深度令人印象深刻，尤其是在阐述半导体材料的量子效率提升路径时，作者似乎对晶体缺陷的控制有着近乎偏执的钻研精神，每一个案例分析都引用了最新的实验数据和前沿的理论模型，看得我这个非专业出身的读者是云里雾里，时常需要查阅附录中的术语表才能勉强跟上思路。特别是关于薄膜沉积工艺的章节，那种对真空环境控制、靶材纯度影响的细致描述，活脱脱像是一份严谨的实验室操作手册，而非面向大众的科普。这本书的排版也很有特点，大量的图表和附注占据了相当的篇幅，让人感觉到作者是在用一种近乎学术论文的严谨态度来构建整个知识体系，这对于那些希望深入理解光电转换机理的工程师或研究人员来说，无疑是一份宝贵的财富，但对于只想了解“太阳能发电怎么回事”的普通人，可能会感到有些吃力，需要极大的耐心和一定的物理基础作为支撑。

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这本书的装帧和内容布局透露出一种浓厚的学院派气息。内页的留白很少，页边距窄得让人几乎想用放大镜来看那些细小的脚注和参考文献编号。在阅读体验上，它更接近于查阅工具书或专业参考手册。我发现，书中大量的篇幅被用来详细比较不同类型的光捕获结构和钝化层设计，对于每一个参数的微小调整如何影响整体的光电转换效率，作者都提供了详尽的定量分析。最让我印象深刻的是，它对新型聚合物太阳能电池（PSC）的分子设计原则进行了系统的梳理，那种将有机化学结构与器件性能直接挂钩的论述方式，展现了极高的专业素养。与其说这是一本书，不如说它是一个庞大的知识数据库，你需要明确地知道自己要找什么信息，然后通过目录和索引精确地定位，否则很容易迷失在那些关于异质结界面态密度的复杂讨论之中。

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这本书的语言风格是极其冷静和客观的，几乎没有一丝多余的情感色彩，通篇充斥着精确的度量衡和物理量符号。它着重于对现有技术的“极限”进行探索和理论上的推演。例如，在讨论如何提升模块的抗污损能力时，作者没有停留在简单的表面处理介绍上，而是构建了一个基于流体力学和表面能的复杂模型，来预测灰尘颗粒在不同倾角和风速下的附着与脱离概率。这种从宏观工程问题回归到微观物理本质的叙事路径，使得这本书的理论深度令人敬畏。它似乎假定读者已经掌握了基础的半导体物理和热力学知识，直接切入到如何通过精细的工程优化来突破理论效率的“天花板”。对于我而言，这是一本需要反复阅读、时常需要停下来进行自我测试和知识回顾的“硬核”读物，它考验的不仅仅是理解力，更是对科学逻辑的严密性要求。

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我是在一个炎热的夏日午后，抱着对绿色能源的好奇心，随手从书架上抽下了这本书。最初的几章，关于光伏效应的物理基础介绍，还算流畅易懂，文字叙述相对轻快，比如它用了一个生动的比喻来解释载流子的分离过程，让我这个对物理学有些疏远的读者也大致抓住了核心概念。然而，一旦进入到逆变器设计和电网接入的部分，文风立刻变得陡峭起来，那种描述电力电子拓扑结构的段落，充满了对脉宽调制（PWM）技术细枝末节的探讨，仿佛作者在与另一位电力电子专家对话，而非面向读者群体。我特别注意到，书中对不同拓扑结构（如全桥、半桥、推挽）的优缺点比较，给出了详细的开关损耗计算模型，这显示了作者对系统效率的极致追求。总的来说，这本书像是两个不同层次的作者合著，前半段的叙事性尚可，后半段则完全进入了高级工程师的技术交流领域，阅读体验像是在爬一座陡峭的山，沿途风景各异，但难度曲线变化极大。

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