太陽能：可再生能源與環(huán)境

第1章 太陽能簡介 1
1.1 21世紀的全面能源風暴 1
1.2 用于農(nóng)村發(fā)展的可再生能源 2
1.3 可再生能源解決方案 3
1.4 全球的太陽能源 4
習題 4
第2章 太陽能資源 5
2.1 引言 5
2.2 太陽與地球之間的幾何關系 5
2.2.1 地球與太陽之間的距離 6
2.2.2 太陽的視路徑 7
2.2.3 地球和天球坐標系 8
2.2.4 太陽對水平面的位置 10
2.2.5 太陽對傾斜面的位置 18
2.3 時差 22
2.4 太陽的構造 24
2.5 電磁輻射 25
2.6 太陽光譜 28
2.7 太陽常數(shù) 29
2.8 地外太陽輻射 30
2.9 地上太陽輻射 33
2.10 地上太陽輻射的測量 34
2.11 傾斜集熱器的地上日照 36
2.11.1 瞬時輻射和一小時輻射 39
2.11.2 日日照的月平均值 41
參考文獻 44
習題 45
第3章 工程學基礎：熱力學和傳熱學 46
3.1 引言 46
3.2 導熱 46
3.3 直角坐標系中的一維導熱 48
3.4 熱阻回路 49
3.5 圓柱坐標系中的一維導熱 50
3.6 對流傳熱 52
3.7 輻射傳熱 54
3.7.1 表面特性 55
3.7.2 黑體輻射 55
3.7.3 實際物體的輻射 55
3.8 熱力學簡介 56
3.8.1 熱力學第一定律 57
3.8.2 熱力學第二定律 58
3.8.3 熱力學第三定律 58
參考文獻 59
習題 59
第4章 太陽能熱系統(tǒng)及應用 60
4.1 引言 60
4.2 太陽能集熱器 60
4.2.1 平板型集熱器 60
4.2.2 真空管太陽能集熱器 65
4.2.3 聚光型集熱器 66
4.2.4 復合拋物型聚能器 73
4.2.5 菲涅耳鏡聚能器 75
4.2.6 定日鏡 76
4.3 跟蹤系統(tǒng) 78
4.4 太陽能熱系統(tǒng) 78
4.4.1 主動式和被動式太陽能熱系統(tǒng) 79
4.4.2 主動式太陽能熱系統(tǒng)實例：污泥干燥系統(tǒng) 85
4.4.3 直接和間接被動式太陽能蒸餾實例：水脫鹽系統(tǒng) 89
4.4.4 被動式太陽能間接干燥系統(tǒng)實例：食品干燥系統(tǒng) 90
4.4.5 主動式太陽能化學過程實例：水解毒系統(tǒng) 90
參考文獻 93
第5章 光伏電池 94
5.1 引言 94
5.2 晶體結構 94
5.3 電池物理學 96
5.4 能帶 96
5.5 電子及其能量 97
5.6 電子和空穴 98
5.7 直接和間接帶隙材料 98
5.8 摻雜 99
5.9 輸送 99
5.10 產(chǎn)生與復合 100
5.11 P-N結 100
5.12 太陽能電池方程 101
5.13 特性 102
5.14 效率 103
5.14.1 溫度 104
5.14.2 光 104
5.14.3 材料類型及純度 104
5.13.4 寄生電阻 105
5.15 研究現(xiàn)狀 105
5.15.1 太陽能聚能電池 106
5.15.2 多結電池 106
5.15.3 薄膜技術 106
5.15.4 量子點 107
5.16 太陽能電池的應用 107
5.16.1 公用電網(wǎng) 107
5.16.2 太空系統(tǒng) 108
5.16.3 太陽能產(chǎn)品 108
參考文獻 108
習題 108
第6章 光伏轉換系統(tǒng) 109
6.1 太陽能的效益 109
6.2 組件的基本電氣概念 110
6.2.1 光伏發(fā)電的電氣特性 111
6.2.2 常用光伏術語 112
6.2.3 I-V曲線 112
6.3 光伏方陣 114
6.3.1 提高輸出電壓 114
6.3.2 增加輸出電流 115
6.4 光伏方陣傾角 116
6.5 平衡系統(tǒng) 117
6.5.1 儲能 118
6.5.2 充電控制器 118
6.5.3 逆變器和變換器 118
6.6 并網(wǎng)光伏系統(tǒng) 121
6.6.1 接地以及與DC和AC電路的連接 121
6.6.2 凈計量 122
6.7 光伏系統(tǒng)的安全 122
6.8 光伏系統(tǒng)測試要求 123
參考文獻 123
習題 123
第7章 光伏發(fā)電系統(tǒng)定容及設計 124
7.1 引言 124
7.2 太陽能資源在定容上的作用 124
7.3 太陽軌跡 125
7.4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的定容因素 126
7.5 太陽能發(fā)電系統(tǒng)定容 126
7.5.1 簡單光伏直流系統(tǒng)容量設計案例 127
7.5.2 逆變器容量設計 128
7.6 太陽能抽水系統(tǒng)定容 130
7.7 水泵系統(tǒng)定容的一般方法 131
7.8 光伏系統(tǒng)設計的電氣規(guī)程 134
7.9 獨立型光伏照明系統(tǒng)設計案例 138
參考文獻 141
習題 141
第8章 光伏發(fā)電的應用 142
8.1 引言 142
8.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電 142
8.3 日本光伏的發(fā)展和應用 144
8.3.1 日本政府發(fā)展光伏的方法 146
8.3.2 日本的光伏產(chǎn)業(yè) 148
8.3.3 日本的光伏市場 148
8.3.4 日本的光伏發(fā)電導則 149
8.3.5 日本的光伏設計 150
8.3.6 日本光伏系統(tǒng)的保質期 152
8.3.7 日本光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 152
8.3.8 日本光伏組件的合格檢測 154
8.4 日本光伏發(fā)展的未來趨勢 154
8.5 獨立光伏應用 155
8.5.1 光伏太陽能家庭照明系統(tǒng) 155
8.5.2 光伏蓄電池充電站 158
8.5.3 光伏工程長期持續(xù)的人類動機：系統(tǒng)成功的最終動力 160
8.5.4 Xenimajuyu的光伏工程：Xocoy家 161
8.6 學校用光伏系統(tǒng) 162
8.7 用于環(huán)境保護地區(qū)的光伏系統(tǒng) 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 液壓工作量 169
8.8.2 其他要點 170
8.8.3 水壓 171
8.8.4 靜水頭 171
8.8.5 抽水需求 172
8.8.6 動態(tài)系統(tǒng) 172
8.8.7 水需求量 174
8.8.8 蓄水和蓄電池儲能比較 175
8.8.9 太陽能水泵的抽水機理 176
8.8.10 太陽能水泵使用的電動機類型 179
8.8.11 太陽能水泵控制器 179
8.8.12 水泵選擇 180
8.8.13 安裝、運行和維護 181
8.8.14 系統(tǒng)安裝 181
8.9 太陽能水泵的接地和防雷保護 184
8.9.1 所有金屬構件和電器外殼的互連 184
8.9.2 接地 184
8.9.3 浮控開關電纜 185
8.9.4 防雷保護的補充措施 185
8.10 太陽能水泵的太陽跟蹤系統(tǒng) 185
8.10.1 被動跟蹤 185
8.10.2 主動跟蹤器與被動跟蹤器比較 186
8.11 太陽能水泵系統(tǒng)的運行和維護 186
8.12 光伏方陣 187
8.12.1 水泵和電動機 187
8.12.2 供水系統(tǒng) 188
8.13 光伏水泵的運行結果 188
參考文獻 189
第9章 經(jīng)濟學問題 190
9.1 太陽能是免費的，但它的成本何在？ 190
9.2 經(jīng)濟可行性 191
9.3 經(jīng)濟因素 192
9.4 經(jīng)濟分析 192
9.4.1 簡單回收期 193
9.4.2 電量成本 194
9.5 壽命周期成本 195
9.6 現(xiàn)值和平準化成本 196
9.7 電量的年度化成本 198
9.8 外部性 198
9.8.1 外部性評估方法 199
9.8.2 太陽能利用的社會視角 199
9.9 太陽能灌溉案例研究 200
9.9.1 系統(tǒng)成本估計 200
9.9.2 近似成本表 200
9.9.3 抽水方案的比較 201
9.10 抽水系統(tǒng)實例 202
9.11 小結 203
參考文獻 204
習題 205
第10章 體制問題 206
10.1 引言 206
10.2 可持續(xù)性 206
10.3 體制方面的考慮 207
10.3.1 政策問題 207
10.3.2 能力建設 207
10.3.3 教育與培訓 208
10.3.4 技術支持 208
10.3.5 當?shù)鼗A設施開發(fā) 208
10.3.6 將社區(qū)包括進來：可持續(xù)性與包含性 209
10.4 利益相關方 209
10.4.1 設備硬件與費用賬單 210
10.4.2 降低盜竊風險 210
10.4.3 光伏發(fā)電和“潔凈循環(huán)” 210
10.5 項目實施 211
10.5.1 進行戰(zhàn)略規(guī)劃 211
10.5.2 實施示范項目 211
10.5.3 創(chuàng)造可持續(xù)性市場 211
10.5.4 基層開發(fā)法 212
10.5.5 安裝適當?shù)挠布?212
10.5.6 監(jiān)控 212
10.6 傳播太陽能技術的體制模式 212
10.6.1 現(xiàn)金出售 214
10.6.2 消費信貸 214
10.6.3 租賃 215
10.6.4 補貼 215
10.7 管理與所有權 216
10.7.1 授權安排 216
10.7.2 合同 216
10.7.3 租賃 216
10.7.4 所有權轉讓（翻轉方式） 216
10.7.5 聯(lián)合與合作 217
10.8 收費與付款 217
10.8.1 免費 217
10.8.2 名義收費（補貼） 217
10.8.3 服務費用 217
10.8.4 付款 217
10.9 其他關鍵問題 218
10.10 小結 218
習題 218
第11章 儲能 219
11.1 簡介 219
11.2 光伏系統(tǒng)中的蓄電池 219
11.2.1 鉛銻蓄電池 220
11.2.2 鉛鈣蓄電池 220
11.2.3 膠體電解質蓄電池 221
11.2.4 鎳鎘蓄電池 222
11.3 鉛酸蓄電池結構 223
11.4 鉛酸蓄電池的運行 224
11.4.1 放電過程 224
11.4.2 充電過程 225
11.4.3 電解液和比重 226
11.4.4 水 226
11.4.5 蓄電池充放電效率 226
11.5 鉛酸蓄電池的特性 227
11.5.1 儲能容量 227
11.5.2 蓄電池循環(huán)壽命 227
11.5.3 蓄電池的連接方式 228
11.6 蓄電池故障原因 229
11.6.1 過充電 229
11.6.2 充電不足 229
11.6.3 短路 230
11.6.4 硫化 230
11.6.5 水損耗 230
11.6.6 自放電 230
11.7 蓄電池維護 231
11.7.1 液體比重計及其用法 232
11.7.2 溫度校正 232
11.7.3 熱帶氣候 232
11.8 蓄電池的安全措施 233
11.8.1 蓄電池酸液 234
11.8.2 氫氣 234
11.8.3 蓄電池封殼 235
11.9 蓄電池失效原因 236
11.9.1 蓄電池的使用和安裝 236
11.9.2 蓄電池的歷史情況 236
11.9.3 外觀檢查 237
11.9.4 蓄電池年齡 237
11.9.5 過充電或充電不足 237
11.9.6 內部檢查 237
11.9.7 蓄電池容器 238
11.9.8 電解液 238
11.10 蓄電池選擇標準 238
11.10.1 蓄電池購置時應考慮的因素 239
11.10.2 蓄電池系統(tǒng)的其他考慮因素 239
11.11 充電控制器術語 240
11.12 充電控制器工作方式 241
11.12.1 并聯(lián)控制器 241
11.12.2 串聯(lián)控制器 241
11.13 充電控制器選擇標準 242
11.13.1 充電控制器采購規(guī)范 242
11.13.2 充電控制器的廠家附加說明 243
參考文獻 243
習題 243
詞匯表 244
蓄電池（Batteries） 244
電氣（Electricity） 246
光伏發(fā)電（Photovoltaics） 248
太陽能（Solar Energy Concept） 251
太陽能抽水（Solar Water-Pumping） 252
附錄A 世界太陽輻照數(shù)據(jù) 255
附錄B 摩擦損失系數(shù) 274
附錄C 現(xiàn)值系數(shù) 276
附錄D 光伏抽水系統(tǒng)的近似成本 278