太阳能：可再生能源与环境

　　第1章 太阳能简介 1
　　1.1 21世纪的全面能源风暴 1
　　1.2 用于农村发展的可再生能源 2
　　1.3 可再生能源解决方案 3
　　1.4 全球的太阳能源 4
　　习题 4
　　第2章 太阳能资源 5
　　2.1 引言 5
　　2.2 太阳与地球之间的几何关系 5
　　2.2.1 地球与太阳之间的距离 6
　　2.2.2 太阳的视路径 7
　　2.2.3 地球和天球坐标系 8
　　2.2.4 太阳对水平面的位置 10
　　2.2.5 太阳对倾斜面的位置 18
　　2.3 时差 22
　　2.4 太阳的构造 24
　　2.5 电磁辐射 25
　　2.6 太阳光谱 28
　　2.7 太阳常数 29
　　2.8 地外太阳辐射 30
　　2.9 地上太阳辐射 33
　　2.10 地上太阳辐射的测量 34
　　2.11 倾斜集热器的地上日照 36
　　2.11.1 瞬时辐射和一小时辐射 39
　　2.11.2 日日照的月平均值 41
　　参考文献 44
　　习题 45
　　第3章 工程学基础：热力学和传热学 46
　　3.1 引言 46
　　3.2 导热 46
　　3.3 直角坐标系中的一维导热 48
　　3.4 热阻回路 49
　　3.5 圆柱坐标系中的一维导热 50
　　3.6 对流传热 52
　　3.7 辐射传热 54
　　3.7.1 表面特性 55
　　3.7.2 黑体辐射 55
　　3.7.3 实际物体的辐射 55
　　3.8 热力学简介 56
　　3.8.1 热力学第一定律 57
　　3.8.2 热力学第二定律 58
　　3.8.3 热力学第三定律 58
　　参考文献 59
　　习题 59
　　第4章 太阳能热系统及应用 60
　　4.1 引言 60
　　4.2 太阳能集热器 60
　　4.2.1 平板型集热器 60
　　4.2.2 真空管太阳能集热器 65
　　4.2.3 聚光型集热器 66
　　4.2.4 复合抛物型聚能器 73
　　4.2.5 菲涅耳镜聚能器 75
　　4.2.6 定日镜 76
　　4.3 跟踪系统 78
　　4.4 太阳能热系统 78
　　4.4.1 主动式和被动式太阳能热系统 79
　　4.4.2 主动式太阳能热系统实例：污泥干燥系统 85
　　4.4.3 直接和间接被动式太阳能蒸馏实例：水脱盐系统 89
　　4.4.4 被动式太阳能间接干燥系统实例：食品干燥系统 90
　　4.4.5 主动式太阳能化学过程实例：水解毒系统 90
　　参考文献 93
　　第5章 光伏电池 94
　　5.1 引言 94
　　5.2 晶体结构 94
　　5.3 电池物理学 96
　　5.4 能带 96
　　5.5 电子及其能量 97
　　5.6 电子和空穴 98
　　5.7 直接和间接带隙材料 98
　　5.8 掺杂 99
　　5.9 输送 99
　　5.10 产生与复合 100
　　5.11 P-N结 100
　　5.12 太阳能电池方程 101
　　5.13 特性 102
　　5.14 效率 103
　　5.14.1 温度 104
　　5.14.2 光 104
　　5.14.3 材料类型及纯度 104
　　5.13.4 寄生电阻 105
　　5.15 研究现状 105
　　5.15.1 太阳能聚能电池 106
　　5.15.2 多结电池 106
　　5.15.3 薄膜技术 106
　　5.15.4 量子点 107
　　5.16 太阳能电池的应用 107
　　5.16.1 公用电网 107
　　5.16.2 太空系统 108
　　5.16.3 太阳能产品 108
　　参考文献 108
　　习题 108
　　第6章 光伏转换系统 109
　　6.1 太阳能的效益 109
　　6.2 组件的基本电气概念 110
　　6.2.1 光伏发电的电气特性 111
　　6.2.2 常用光伏术语 112
　　6.2.3 I-V曲线 112
　　6.3 光伏方阵 114
　　6.3.1 提高输出电压 114
　　6.3.2 增加输出电流 115
　　6.4 光伏方阵倾角 116
　　6.5 平衡系统 117
　　6.5.1 储能 118
　　6.5.2 充电控制器 118
　　6.5.3 逆变器和变换器 118
　　6.6 并网光伏系统 121
　　6.6.1 接地以及与DC和AC电路的连接 121
　　6.6.2 净计量 122
　　6.7 光伏系统的安全 122
　　6.8 光伏系统测试要求 123
　　参考文献 123
　　习题 123
　　第7章 光伏发电系统定容及设计 124
　　7.1 引言 124
　　7.2 太阳能资源在定容上的作用 124
　　7.3 太阳轨迹 125
　　7.4 太阳能发电系统的定容因素 126
　　7.5 太阳能发电系统定容 126
　　7.5.1 简单光伏直流系统容量设计案例 127
　　7.5.2 逆变器容量设计 128
　　7.6 太阳能抽水系统定容 130
　　7.7 水泵系统定容的一般方法 131
　　7.8 光伏系统设计的电气规程 134
　　7.9 独立型光伏照明系统设计案例 138
　　参考文献 141
　　习题 141
　　第8章 光伏发电的应用 142
　　8.1 引言 142
　　8.2 并网光伏发电 142
　　8.3 日本光伏的发展和应用 144
　　8.3.1 日本政府发展光伏的方法 146
　　8.3.2 日本的光伏产业 148
　　8.3.3 日本的光伏市场 148
　　8.3.4 日本的光伏发电导则 149
　　8.3.5 日本的光伏设计 150
　　8.3.6 日本光伏系统的保质期 152
　　8.3.7 日本光伏产业的发展 152
　　8.3.8 日本光伏组件的合格检测 154
　　8.4 日本光伏发展的未来趋势 154
　　8.5 独立光伏应用 155
　　8.5.1 光伏太阳能家庭照明系统 155
　　8.5.2 光伏蓄电池充电站 158
　　8.5.3 光伏工程长期持续的人类动机：系统成功的最终动力 160
　　8.5.4 Xenimajuyu的光伏工程：Xocoy家 161
　　8.6 学校用光伏系统 162
　　8.7 用于环境保护地区的光伏系统 164
　　8.7.1 光伏制冰和制冷 166
　　8.7.2 光伏制冰 168
　　8.8 光伏抽水 169
　　8.8.1 液压工作量 169
　　8.8.2 其他要点 170
　　8.8.3 水压 171
　　8.8.4 静水头 171
　　8.8.5 抽水需求 172
　　8.8.6 动态系统 172
　　8.8.7 水需求量 174
　　8.8.8 蓄水和蓄电池储能比较 175
　　8.8.9 太阳能水泵的抽水机理 176
　　8.8.10 太阳能水泵使用的电动机类型 179
　　8.8.11 太阳能水泵控制器 179
　　8.8.12 水泵选择 180
　　8.8.13 安装、运行和维护 181
　　8.8.14 系统安装 181
　　8.9 太阳能水泵的接地和防雷保护 184
　　8.9.1 所有金属构件和电器外壳的互连 184
　　8.9.2 接地 184
　　8.9.3 浮控开关电缆 185
　　8.9.4 防雷保护的补充措施 185
　　8.10 太阳能水泵的太阳跟踪系统 185
　　8.10.1 被动跟踪 185
　　8.10.2 主动跟踪器与被动跟踪器比较 186
　　8.11 太阳能水泵系统的运行和维护 186
　　8.12 光伏方阵 187
　　8.12.1 水泵和电动机 187
　　8.12.2 供水系统 188
　　8.13 光伏水泵的运行结果 188
　　参考文献 189
　　第9章 经济学问题 190
　　9.1 太阳能是免费的，但它的成本何在？ 190
　　9.2 经济可行性 191
　　9.3 经济因素 192
　　9.4 经济分析 192
　　9.4.1 简单回收期 193
　　9.4.2 电量成本 194
　　9.5 寿命周期成本 195
　　9.6 现值和平准化成本 196
　　9.7 电量的年度化成本 198
　　9.8 外部性 198
　　9.8.1 外部性评估方法 199
　　9.8.2 太阳能利用的社会视角 199
　　9.9 太阳能灌溉案例研究 200
　　9.9.1 系统成本估计 200
　　9.9.2 近似成本表 200
　　9.9.3 抽水方案的比较 201
　　9.10 抽水系统实例 202
　　9.11 小结 203
　　参考文献 204
　　习题 205
　　第10章 体制问题 206
　　10.1 引言 206
　　10.2 可持续性 206
　　10.3 体制方面的考虑 207
　　10.3.1 政策问题 207
　　10.3.2 能力建设 207
　　10.3.3 教育与培训 208
　　10.3.4 技术支持 208
　　10.3.5 当地基础设施开发 208
　　10.3.6 将社区包括进来：可持续性与包含性 209
　　10.4 利益相关方 209
　　10.4.1 设备硬件与费用账单 210
　　10.4.2 降低盗窃风险 210
　　10.4.3 光伏发电和“洁净循环” 210
　　10.5 项目实施 211
　　10.5.1 进行战略规划 211
　　10.5.2 实施示范项目 211
　　10.5.3 创造可持续性市场 211
　　10.5.4 基层开发法 212
　　10.5.5 安装适当的硬件 212
　　10.5.6 监控 212
　　10.6 传播太阳能技术的体制模式 212
　　10.6.1 现金出售 214
　　10.6.2 消费信贷 214
　　10.6.3 租赁 215
　　10.6.4 补贴 215
　　10.7 管理与所有权 216
　　10.7.1 授权安排 216
　　10.7.2 合同 216
　　10.7.3 租赁 216
　　10.7.4 所有权转让（翻转方式） 216
　　10.7.5 联合与合作 217
　　10.8 收费与付款 217
　　10.8.1 免费 217
　　10.8.2 名义收费（补贴） 217
　　10.8.3 服务费用 217
　　10.8.4 付款 217
　　10.9 其他关键问题 218
　　10.10 小结 218
　　习题 218
　　第11章 储能 219
　　11.1 简介 219
　　11.2 光伏系统中的蓄电池 219
　　11.2.1 铅锑蓄电池 220
　　11.2.2 铅钙蓄电池 220
　　11.2.3 胶体电解质蓄电池 221
　　11.2.4 镍镉蓄电池 222
　　11.3 铅酸蓄电池结构 223
　　11.4 铅酸蓄电池的运行 224
　　11.4.1 放电过程 224
　　11.4.2 充电过程 225
　　11.4.3 电解液和比重 226
　　11.4.4 水 226
　　11.4.5 蓄电池充放电效率 226
　　11.5 铅酸蓄电池的特性 227
　　11.5.1 储能容量 227
　　11.5.2 蓄电池循环寿命 227
　　11.5.3 蓄电池的连接方式 228
　　11.6 蓄电池故障原因 229
　　11.6.1 过充电 229
　　11.6.2 充电不足 229
　　11.6.3 短路 230
　　11.6.4 硫化 230
　　11.6.5 水损耗 230
　　11.6.6 自放电 230
　　11.7 蓄电池维护 231
　　11.7.1 液体比重计及其用法 232
　　11.7.2 温度校正 232
　　11.7.3 热带气候 232
　　11.8 蓄电池的安全措施 233
　　11.8.1 蓄电池酸液 234
　　11.8.2 氢气 234
　　11.8.3 蓄电池封壳 235
　　11.9 蓄电池失效原因 236
　　11.9.1 蓄电池的使用和安装 236
　　11.9.2 蓄电池的历史情况 236
　　11.9.3 外观检查 237
　　11.9.4 蓄电池年龄 237
　　11.9.5 过充电或充电不足 237
　　11.9.6 内部检查 237
　　11.9.7 蓄电池容器 238
　　11.9.8 电解液 238
　　11.10 蓄电池选择标准 238
　　11.10.1 蓄电池购置时应考虑的因素 239
　　11.10.2 蓄电池系统的其他考虑因素 239
　　11.11 充电控制器术语 240
　　11.12 充电控制器工作方式 241
　　11.12.1 并联控制器 241
　　11.12.2 串联控制器 241
　　11.13 充电控制器选择标准 242
　　11.13.1 充电控制器采购规范 242
　　11.13.2 充电控制器的厂家附加说明 243
　　参考文献 243
　　习题 243
　　词汇表 244
　　蓄电池（Batteries） 244
　　电气（Electricity） 246
　　光伏发电（Photovoltaics） 248
　　太阳能（Solar Energy Concept） 251
　　太阳能抽水（Solar Water-Pumping） 252
　　附录A 世界太阳辐照数据 255
　　附录B 摩擦损失系数 274
　　附录C 现值系数 276
　　附录D 光伏抽水系统的近似成本 278

　　    福斯特（Robert Foster），有25年的太阳能和风能技术应用经验，并在30多个国家实施了数百项太阳能和风能工程。他从1989年起供职于新墨西哥州立大学（NMSU），任西南区太阳能试验站的工程学院及能源与环境学院的项目经理。他目前正在喀布尔执行一项NMSU的任务，任美国国际开发署（USAID）阿富汗水利及农业技术转让项目组的副主管。他参加了美国能源部（DOE）、可再生能源国家实验室、Sandia国家实验室、USAID、国家航天及空间管理局、国家科学基金会、Winrock国际公司、世界银行、国际教育研究院、产业界、电力部门及外国政府主办的很多可再生能源项目。1992-2005年，他任USAID／DOE可再生能源项目下属Sandia国家实验室的技术主管，1997-1999年，任Winrock国际公司为多米尼加共和国实施的USAID电力产业重建项目的技术顾问。
　　    Foster先生是一位从多米尼加共和国和平队（1985-1988年）归国的志愿者。他在该国建设社区供水工程，并与太阳能协会（Enersol Associates）合作开拓了农村光伏系统在发展中国家的应用。此前，他在得克萨斯州Austin制造安装太阳能热水器的Cole太阳能系统公司工作。他拥有多个太阳能蒸馏方面的专利，并在得克萨斯与别人合作创建了生产太阳能水净化装置的SolAqua公司。他因在墨西哥Chihuahua州开发可再生能源获得了州长奖励，还获得了危地马拉太阳能基金会的可再生能源奖。他拥有Austin得克萨斯大学的机械工程学士学位和NMSU的MBA学位，在攻读后一学位期间，完成了有关墨西哥光伏市场的学位论文。他曾任得克萨斯太阳能学会和El Paso太阳能协会的主席和执委会成员。他曾发表过太阳能、风能、蒸发冷却、废热和地热能方面的文章120余篇，技术报告90余份。他还为全球数千名工程技术人员进行过160多次可再生能源技术方面的讲座。
　　    卡西米（Majid Ghassemi），是新墨西哥采矿技术大学（NM Tech）工程研究与应用研究学院的副教授。目前他正在为美国能源部进行一项节能墙板研究。他还任以光伏供电节能建筑物来减少大气废物方面的DOE联合首席专家。他在2002年入NM Tech任副教授，并曾参与多项科研工作，包括在马格达莱纳岭天文台进行的可持续能源和节能领域的研究。他一直与麻省理工学院（MIT）和通用电气公司的研究人员合作进行新墨西哥州的风电研究，还研究用太阳能生产燃料电池用的氢气。Ghassami博士参与了工程研究与应用研究学院空间应用方面的储能工程、微电磁泵及液体金属热管道项目的工作。他教授热力学、传热学和液态流体系统设计方面的课程。2002年，他在El Paso的得克萨斯大学任客座副教授，进行燃料电池和太阳能水净化装置的研究。他现在是伊朗德黑兰K.N.Tbosi大学的副教授，负责热力学领域的本科及研究生课程教学，包括热传导、对流和传热学、传热学理论基础及热力学的高级课程。
　　    Ghassemi博士指导了数名本科、硕士和博士研究生。他曾任德黑兰Sharif大学的副教授，教授热传导课程。1997-2002年，他任德黑兰AERC热力部主任，负责小型卫星和空间应用热力设计和制造。1996-1997年，他还帮助设计了伊朗国家能源实验室。从1995-1996年，他曾任新墨西哥大学机械工程教授。从1993-1994年，他担任新墨西哥州Albuquerque研究所的高级学者，从事热能和环境科学研究。
　　    Ghassemi博士于1993年在艾奥瓦州立大学获得机械工程博士学位。他在密西西比大学获得机械工程学士和硕士学位。他与其他人合作出版了5本传热学和热力设计方面的著作，发表了杂志论文21篇，会议论文30多篇。
　　    科塔（Alma Cota），是墨西哥Ciudad. Iuadrez自治大学的教授，在化学系讲授化学、能源和环境方面的课程。她拥有新墨西哥州立大学的化学工程博士学位，并在该校完成了光伏发电系统方面的博士后工作。她分别在Sonora大学和墨西哥国立自治大学能源研究中心获得化学工程学士学位和硕士学位。Cota.博士在各式各样的太阳能系统方面有丰富经验，包括太阳能污泥干燥与消毒、水消毒等。她曾在西南区太阳能试验站进行光伏系统工作长达6年，在1998-2004年参加了由Sandia国家实验室开展的DOERJSAID墨西哥可再生能源项目。

　　    《太阳能：可再生能源与环境》全面介绍了太阳辐射能转换为可利用能源的相关知识，包括物理学基础、工程学基础和太阳能应用技术，特别重点介绍了目前应用最广泛的光伏太阳能收集装置。《太阳能：可再生能源与环境》还介绍了历史上太阳能应用中可供参考的经验和教训。
　　    《太阳能：可再生能源与环境》适用于太阳能基础研究、应用等方面的有关人员，包括规划、设计、建设和运行人员。《太阳能：可再生能源与环境》也可作为可再生能源相关专业的本科生和研究生的参考资料。