第1章緒論1

1.1主要背景1

1.1.1全球能源發展概況1

1.1.2我國能源發展的新形勢2

1.1.3太陽能利用的特點4

1.1.4太陽能利用的途徑6

1.1.5太陽能利用的意義7

1.2太陽能熱利用技術進展7

1.2.1太陽能低溫熱利用關鍵技術7

1.2.2太陽能中溫熱利用關鍵技術8

1.2.3太陽能高溫熱發電關鍵技術9

1.2.4太陽能熱化學關鍵技術10

1.3我國太陽能熱利用發展狀況10

1.3.1我國太陽能資源10

1.3.2太陽能熱利用現狀11

1.4本書的內容12

習題13



第2章太陽輻射14

2.1太陽14

2.1.1天球坐標14

2.1.2太陽位置方程16

2.1.3太陽常數與太陽光譜17

2.1.4太陽輻射分類19

2.2太陽輻射能的計算20

2.2.1大氣層外的太陽輻射21

2.2.2太陽輻射在地球大氣層中的衰減21

2.2.3地球表面上的太陽輻射24

2.2.4月平均日太陽輻射總量的計算26

2.2.5已知日輻射總量時估算小時輻射量29

2.3太陽輻射的測量30

2.3.1世界太陽輻射測量標準30

2.3.2太陽輻射測量儀器30

習題32



第3章太陽能工程聚光原理33

3.1物體表面的光輻射性質33

3.1.1物體的輻射性質33

3.1.2物體表面的光輻射性質34

3.2太陽能聚光的基本原理35

3.2.1太陽能聚光方式簡介35

3.2.2太陽能聚光設計的主要概念36

3.3反射式聚光設計41

3.3.1槽形拋物面聚光41

3.3.2旋轉拋物面聚光44

3.3.3平面陣列反射47

3.4折射式聚光設計50

3.4.1菲涅爾透鏡的演化由來50

3.4.2菲涅爾透鏡的基本設計公式50

3.4.3太陽能工程用菲涅爾透鏡51

習題52



第4章太陽能工程的傳熱學原理53

4.1導熱53

4.1.1導熱所遵循的規律53

4.1.2單層平壁導熱54

4.1.3多層平壁導熱54

4.1.4圓筒壁導熱55

4.2對流換熱56

4.2.1對流與對流換熱的物理基礎56

4.2.2對流換熱問題的分類58

4.2.3對流換熱問題的求解58

4.2.4管內對流換熱59

4.2.5單根圓管橫向繞流換熱61

4.2.6平板夾層有限空間自然對流換熱62

4.2.7平板外掠受迫對流換熱64

4.2.8堆積床中的對流換熱64

4.3輻射換熱65

4.3.1熱輻射的基本概念65

4.3.2黑體、黑體輻射的基本定律66

4.3.3實際物體的輻射特性70

4.3.4灰體表面間的輻射換熱73

4.3.5天空輻射75

4.3.6輻射換熱繫數76

習題76



第5章太陽能集熱器77

5.1概述77

5.2平板集熱器77

5.2.1基本構造和工作原理77

5.2.2透明蓋板-吸熱板繫統的性能79

5.2.3集熱器熱損失繫數84

5.2.4平板集熱器效率86

5.2.5光譜選擇性表面94

5.3真空管集熱器99

5.3.1全玻璃真空集熱管的能量方程99

5.3.2投射到真空集熱管上的入射太陽輻射總能量100

5.3.3單根集熱管的熱損失繫數101

5.3.4集熱管的有用能量收益102

5.3.5玻璃真空管集熱器的效率方程102

5.4空氣集熱器103

5.4.1概述103

5.4.2空氣集熱器的類型104

5.4.3太陽能空氣集熱器設計與性能分析107

5.5聚光集熱器111

5.5.1點聚焦集熱的傳熱分析111

5.5.2線聚焦集熱的傳熱分析112

5.6光伏-光熱（PV/T）集熱器115

5.6.1概述115

5.6.2PV/T繫統分類115

5.6.3PV/T繫統的傳熱分析116

5.7集熱器的性能試驗118

5.7.1熱性能測試118

5.7.2集熱器時間常數測試120

5.7.3質量測試120

習題122



第6章太陽能熱水繫統124

6.1太陽能熱水繫統分類124

6.2自然循環繫統125

6.3直流式繫統128

6.4強制循環繫統130

6.4.1直接強制循環式繫統130

6.4.2間接強制循環式繫統131

6.4.3太陽能熱水繫統的控制133

6.5太陽能熱水繫統設計135

6.5.1調查用戶基本情況135

6.5.2確定繫統形式136

6.5.3確定集熱器類型138

6.5.4負荷計算139

6.5.5太陽能集熱繫統設計140

6.5.6輔助熱源選型145

6.5.7管網設計146

6.5.8防凍148

習題150



第7章太陽能采暖繫統151

7.1概述151

7.2采暖負荷估算152

7.2.1基本概念152

7.2.2采暖負荷計算153

7.3被動式采暖繫統154

7.3.1被動式太陽房的基本類型154

7.3.2直接受益式154

7.3.3集熱蓄熱牆式156

7.3.4附加陽光間式158

7.3.5蓄熱屋頂式159

7.4主動式太陽能采暖繫統160

7.4.1液體太陽能采暖繫統161

7.4.2空氣太陽能采暖繫統164

7.4.3太陽能熱泵繫統165

7.4.4控制繫統168

習題171



第8章太陽能制冷172

8.1概述172

8.1.1制冷的基本概念及分類172

8.1.2太陽能制冷繫統的類型173

8.2太陽能吸收式制冷173

8.2.1吸收式制冷原理174

8.2.2吸收式制冷的性能指標175

8.2.3溴化鋰吸收式制冷176

8.2.4氨-水吸收式制冷182

8.2.5太陽能吸收式制冷繫統185

8.3太陽能吸附式制冷185

8.3.1太陽能吸附式制冷原理186

8.3.2基本型吸附式制冷循環187

8.3.3連續回熱型吸附式制冷循環188

8.4太陽能蒸氣噴射式制冷189

8.4.1蒸氣噴射式制冷原理189

8.4.2太陽能蒸氣噴射式制冷的工作原理190

8.5太陽能除濕式空調191

8.5.1除濕式空調繫統的特點191

8.5.2固體干燥劑除濕192

8.5.3液體干燥劑除濕194

8.5.4太陽能除濕式空調繫統的工作原理196

8.6太陽能蒸氣壓縮式制冷197

8.6.1蒸氣壓縮式制冷循環原理197

8.6.2太陽能熱機198

8.6.3太陽能熱機驅動蒸氣壓縮式制冷循環199

習題200



第9章太陽能熱發電的熱力學基礎201

9.1太陽能熱發電繫統概述201

9.1.1太陽能發電技術類型201

9.1.2太陽能熱發電繫統能量轉換的特點202

9.2熱力學基本概念203

9.3能量轉換繫統的熱力學分析方法206

9.3.1概述206

9.3.2熱力學定律分析方法——熱效率207

9.3.3熱力學第二定律分析方法——熵分析法208

9.3.4熱力學第二定律分析方法——燦用效率209

9.4太陽能熱發電相關的主要熱力循環210

9.4.1概述210

9.4.2朗肯循環211

9.4.3有機朗肯循環215

9.4.4布雷頓循環219

9.4.5斯特林循環222

9.4.6聯合循環225

9.5太陽能熱發電循環的熱力學優化分析227

習題228



第10章太陽能熱發電繫統230

10.1太陽能熱發電基本組成230

10.2槽式太陽能熱發電繫統232

10.2.1繫統工作原理232

10.2.2主要裝置232

10.2.3典型槽式太陽能熱發電站介紹238

10.3塔式太陽能熱發電繫統242

10.3.1繫統工作原理242

10.3.2主要裝置244

10.3.3典型塔式太陽能熱動力發電站介紹250

10.4碟式太陽能熱發電繫統254

10.4.1繫統工作原理254

10.4.2主要裝置255

10.4.3典型碟式太陽能熱發電站介紹261

10.5集成式太陽能發電繫統263

10.5.1概述263

10.5.2太陽能與燃煤互補發電繫統263

10.5.3太陽能與燃氣聯合的發電繫統265

10.5.4利用太陽能重整化石燃料的集成繫統266

10.5.5太陽能與地熱混合發電繫統268

10.6太陽能發電繫統設計方法269

10.6.1總體規劃269

10.6.2太陽能電站概念設計271

10.7太陽能熱發電繫統的技術經濟分析277

10.7.1技術經濟分析的任務與步驟277

10.7.2太陽能熱發電工程技術經濟分析特點278

10.7.3經濟分析方法279

習題281



第11章太陽能工業熱過程、海水淡化及化學應用282

11.1太陽能工業熱過程282

11.1.1工業熱過程特征282

11.1.2空氣和水繫統284

11.1.3太陽能蒸汽發生繫統285

11.2太陽能海水淡化技術287

11.2.1概述287

11.2.2直接集熱繫統289

11.2.3間接集熱繫統291

11.3太陽能熱化學應用296

11.3.1概述296

11.3.2太陽能熱化學過程的熱力學分析298

11.3.3太陽能熱化學技術應用300

11.3.4太陽能制氫技術前景展望303

習題304



第12章太陽能熱儲存305

12.1概述305

12.2太陽能熱儲存分類及技術特點306

12.3顯熱儲存307

12.3.1顯熱儲存原理307

12.3.2液體顯熱儲存308

12.3.3固體顯熱儲存309

12.4潛熱儲存312

12.4.1潛熱儲存原理313

12.4.2潛熱儲存的特點313

12.4.3潛熱儲熱材料的選擇314

12.4.4潛熱儲熱材料的應用316

12.5化學儲熱317

12.5.1可逆化學反應熱儲存原理318

12.5.2可逆化學反應熱儲存的特點319

12.5.3可逆熱化學反應的選擇319

12.6太陽能熱儲存的經濟性321

習題321



參考文獻322

太陽能“取之不盡、用之不竭”，是具有特殊優勢和廣闊應用前景的新能源。太陽能利用已經成為國際社會的重要主題和共同行動，也是科學研究的熱點領域。太陽能熱利用技術發展較早，近年來太陽能建築一體化、太陽能熱發電和太陽能制氫等方面的技術突破和新業態發展，引發相關研究和工程應用再度興起。

隨著太陽能等新能源產業的迅速發展，新能源相關專業也開始備受社會的關注和高校的青睞，許多高校都在不斷地調整專業培養計劃和課程設置，甚至增設此類專業。然而，應認識到開辦新能源專業是為了滿足國家能源可持續發展的重大需求，為國家可再生能源高效開發和利用提供科技理論創新和先進技術基礎，並培養新能源領域復合型、應用型高級專門人纔。因此，應堅持以課程教學為載體，注重思想方法的傳授，培養學生的專業基本能力和探索未知的創新意識。

根據新能源專業發展和教學改革的需要，貫徹求精、求新、求實，突出重點，避免煩瑣的教學理念，本書將各方面的碎片予以整合，力求形成完整的知識體繫。本書充分涵蓋了太陽能熱利用所涉及的能源與動力、光學、材料、化學、建築等多個學科領域知識，從理論上加以闡述，力求融會貫通。為了進一步完善學生的知識結構，強化學生的工程實踐能力，提高學生將來在不同崗位上工作的適應能力，本書在現有教學內容的基礎上，對太陽能制冷、太陽能熱發電等方面的知識點進行了強化，還增加了光伏/光熱復合裝置、太陽能熱化學等內容，並且突出了太陽能工程設計、經濟分析與優化方法的應用。同時，本書還引入了太陽能領域科研成果，豐富了課程內容和學術前沿知識，並注重了對研究方法的討論與應用。因此，本書既可作為能源類本科專業，特別是新能源科學與工程專業本科學生的教科書，也可作為研究生或能源領域研究和工程技術人員的科研參考書。

本書編寫人員均為中南大學可持續能源研究院從事太陽能熱利用、能源繫統工程和新能源材料等不同研究方向的教師，對各自承擔的編寫內容均有長期的教學實踐和在科研工作中積累的豐富經驗。參加本書編寫工作的有：廖勝明（第1章）、饒政華（第1、2章，第5～12章）、李玉強（第2～4章）、劉江維（第5章、第8章、第9章）。另有研究生楊雨緣、宋虎潮、譚暢等參與了圖表、公式的整理工作。全書由饒政華負責審閱統稿，廖勝明總審定稿。

在本書的編寫過程中，作者參閱並引用了國內外近年來發表的相關著作和文獻中的一些成果和數據，在此特向各位相關作者致以真摯的謝意！

限於作者的學識水平和能力，書中難免有疏漏和不妥之處，懇請讀者批評指正。



廖勝明

於長沙嶽麓山

2019年12月