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国际电气工程先进技术译丛太 阳 能 物 理（美）陈成钧 著连晓峰 等译机 械 工 业 出 版 社太阳能是一种新型可再生能源，也是 21 世纪大力发展的新能源。本书涉及与太阳能、太阳辐射等相关的物理学、材料学、电化学等学科，重点介绍了太阳能原理及其相关物理基础，包括电磁波理论、光子理论、太阳基本参数与结构、太阳方位天文学、大气效应与浅层地热能、热力学、量子力学、太阳电池、光合作用、电化学等知识，同时还介绍了太阳能热水器和太阳能集热器、太阳能建筑等具体应用和实例。本书可作为从事新能源方向的工程和研究人员的参考书，也可用于高等院校物理、电气工程及材料相关专业研究生及教师的参考教材。PHYSICS OF SOLAR ENERGY，ISBN：978-0-470-64780-6.Copyright 2011 by John Wiley Sons.，Inc.All Rights Reserved.This translation published under license.本书中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2011-5823 号图书在版编目（CIP）数据太阳能物理（美）陈成钧著；连晓峰等译.北京：机械工业出版社，2012.7（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Physics of Solar EnergyISBN 978-7-111-39016-9.太.陈连.太阳能-物理学.TK511中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 143490 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：顾 谦 责任编辑：任 鑫版式设计：纪 敬 责任校对：陈立辉封面设计：马精明 责任印制：乔 宇三河市国英印务有限公司印刷2012 年 8 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm18 印张8 插页377 千字0001 3000册标准书号：ISBN 978-7-111-39016-9定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教材网：http： 机工官网：http： 机工官博：http： cmp1952 封面无防伪标均为盗版78.00译 者 序太阳能作为21 世纪重点发展的新能源，是世界上最丰富的绿色能源。本书涉及与太阳能、太阳辐射等相关的物理学、材料学、电化学等学科。随着经济发展以及煤矿、石油、天然气等传统能源的逐渐减少，大力发展太阳能已在国民经济发展中产生越来越重要的作用。本书是美国哥伦比亚大学的陈成钧教授在太阳能物理领域多年的教学和研究工作的积累。本书系统地介绍了太阳能原理及其相关物理基础，包括热力学、量子力学、太阳辐射、光合作用、电化学等知识，同时还介绍了太阳电池、光伏发电、太阳能建筑等具体应用和实例。本书第1 章首先阐述了人类目前所面临的能源问题，并对包括水力发电和风力发电等不同类型的可再生能源进行了比较。第2 章介绍了麦克斯韦的电磁波理论以及爱因斯坦的光子理论，并详细介绍了黑体辐射的相关知识。第3 章是有关太阳基本参数和结构的天体物理学，阐述了恒星能量来源的开尔文引力收缩理论和贝特的核聚变理论。第4 章介绍了基础的太阳方位天文学，包括坐标变换公式的基本推导，以及时间方程、太阳时与民用时之差的详细推导。第5 章介绍了大气效应以及浅层地热能。同时给出了太阳光散射或漫射的简化模型。第6 章在热动力学基本概念的基础上，阐述了热泵和制冷机基本原理。第7 章根据狄拉克符号阐述了量子力学的基本概念，并以有机分子和半导体为例，全面推导了黄金法则和细致平衡原理。第8 章主要阐述了太阳电池的基本概念，主要涉及 pn 结原理。第 9 章则主要介绍了半导体太阳电池，包括 Shockey-Queisser 极限的推导，并详细讨论了晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和叠层太阳电池的工作原理与结构。第10 章分析了植物的光合作用以及人工光合作用的研究，并介绍了包括染料敏化太阳电池和双层有机太阳电池在内的各种类型有机太阳电池。第11 章讨论太阳能的热应用，包括太阳能热水器和太阳热发电，重点介绍了真空管太阳能集热器。另外还介绍了槽式、抛物面碟状、定日镜和紧凑型线性菲涅尔聚光器等四种聚光式太阳能集热器。第 12 章介绍太阳能的能量存储，包括显热存储和相变热能存储系统以及充电电池。最后一章介绍了太阳能应用与土木工程相结合的太阳能建筑的结构原理。全书语言精练，内容深入浅出，阐述严谨，是太阳能物理学方面的一部精品著作。本书第1 8 章由连晓峰翻译，第9 章由张晓伟翻译，第10 章由毋冬翻译，第11章由贾琦翻译，第12 章由闫峰翻译，第 13 章由潘峰翻译。全书由连晓峰审校整理，并对原书中的错误进行修正。本书可作为从事新能源方向的工程和研究人员的参考书，也可用于高等院校物理、电气工程及材料相关专业研究生及教师的参考教材。限于译者的经验和水平，书中难免存在缺点和错误，敬请广大读者批评指正。译 者 太阳能物理原 书 前 言21 世纪人类面临的最大挑战之一就是能源问题。从 18 世纪工业革命开始，化石燃料（如煤炭、石油和天然气）成为了人类社会日常生活必需的主要能源。它们所提供的大量能量被广泛应用于包括从蒸汽机到汽油发动机和柴油发动机、从电力到建筑的供暖和制冷、从烹饪到供应热水、从照明到各种电力电子工具，以及大多数交通工具在内的人类社会的各个方面。然而，地球在几亿年的过程中存储太阳能的化石燃料资源经过度开采将很快枯竭。另外，燃烧化石燃料还会造成地球环境的污染和恶化。因此研究和利用可代替资源或可再生能源显得十分必要。作为太阳能衍生的水力发电，目前可占全世界能耗的 2左右。水力发电技术成熟且可用资源已得到了大力开发。风能，也是太阳能的衍生，目前也得到快速应用。但这种高度间歇性能源的资源是有限的。核能并不是可再生能源，并且铀矿产资源也有限。同时，事故预防和核废料管理等问题依然悬而未决。对人类来说，最丰富的可用能源就是太阳能。每年约有 4 106EJ，是 2007 年全球能源消耗的 1 万倍。例如，如果照射在新墨西哥州的太阳光的 50 都转化为有用能源，则可满足整个美国的能源需求。太阳能的应用与人类历史一样悠久。然而，直到今日，在所有不同类型的可再生能源中，太阳能的应用最少。目前，仅占全球能源消耗的 0.1，或可用太阳辐射的 0.00001。不过，随着深入研究和发展，太阳能的应用，尤其是太阳光伏，将会以令人惊叹的速度发展。因此，有理由相信在 21 世纪的后半叶，太阳能将超过所有化石燃料能源而成为主要能源。类似于其他领域的技术，成功应用太阳能的第一步是深入理解其基本原理。三年前，哥伦比亚大学推出了一个太阳能科学与工程方面的硕士学位课程。本人负责讲授关于太阳能物理的研究生课程。在 2009 年的春季学期，第一次开设这门课时，有 46 名学生选修。哥伦比亚大学的网络视频（CVN）决定全程录制该课程，并提供给未选课的学生。由于录制要求较高，对正常选修的学生重复了两个多学期，而太阳能物理的 CVN 课程重复了连续 7 个学期。本书就是基于该课程笔记整理而成的。全书结构如下：第 1 章总结了能源问题并对不同类型的可再生能源进行比较，包括水力发电和风力发电。第 2 章“太阳辐射特性”主要介绍了麦克斯韦（Max-well）的电磁波理论以及爱因斯坦的光子理论。理解黑体辐射对于太阳辐射的理解是十分关键的，在本章中进行了详细介绍。第 3 章“太阳能起源”总结了太阳能的天体物理学，包括太阳的基本参数和结构，并介绍了阐述恒星能量来源的开尔文（Lord Kelvin）引力收缩理论和贝特（Hans Bethe）核聚变理论。第 4 章“太阳光跟踪”自成一章，对于非天体物理专业的学生，介绍了基础的太阳方位天文学，包括坐标变换公式的基本推导，以及时间方程、太阳时与民用时之差的详细推导。正是根据上述时间的推导，对太阳光进行跟踪。本书附录 B 中进行了球面三角学的简要概述。通过图表对一年中各类表面上的日均直接太阳辐射进行了分析。第 5章“太阳光与地球的相互作用”介绍了大气效应以及地球内部的太阳能存储，即所谓的浅层地热能。同时给出了太阳光散射或漫射的简化模型。第 6 章“太阳能热力学”首先介绍了热力学的基本概念，接下来针对太阳能应用的几个问题进行阐述，包括热泵和制冷机的基本概念。第 7 10 章主要是有关太阳光伏和太阳能电化学的基本物理学。第 7 章“量子跃迁”根据狄拉克（Dirac）符号介绍了量子力学的基本概念，并以有机分子和半导体为例，全面推导了黄金法则和细致平衡原理。第 8 章主要阐述太阳电池的基本概念 pn 结。第 9 章则主要介绍半导体太阳电池，包括 Shockey-Queisser 极限的推导，并详细描述了晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和叠层太阳电池的详细结构。第 10 章“太阳能电化学”分析了植物的光合作用以及人工光合作用的研究，并介绍了不同类型的有机太阳电池，包括染料敏化太阳电池和双层有机太阳电池。第 11 章讨论了太阳热能，包括太阳能热水器和太阳热发电，重点介绍了真空管集热器和热管式太阳能集热器。另外还介绍了槽式、抛物面碟状、定日镜和紧凑型线性菲涅尔聚光器等四种聚光式太阳能集热器。第 12 章介绍能量存储，包括显热存储和相变热能存储系统以及充电电池，尤其是锂电池。最后一章“阳光建筑”，介绍了太阳能应用与土木工程结合的太阳能建筑的结构原理。授课经验表明，学生的知识背景十分多元化，包括物理、化学、电子工程、机械工程、化工、建筑结构学、土木工程、环境科学、材料学、航空航天工程、经济和金融等多学科。尽管本课程是高年级本科生和研究生的前导课程，但必须适应具有多元化知识背景的学生。因此，需要介绍必要的科学背景知识。本书正是基于上述考虑来进行组织安排的。例如，包括太阳方位天文学、热力学和量子力学等背景知识。对于已经修过上述课程的学生，这些背景知识可作为复习回顾。另外，本书中出现的术语和符号也可作为参考。这些背景科学知识的介绍只是针对太阳能应用目的的简要介绍。例如，根据经验方法介绍量子力学，从隧道扫描显微镜开始展示量子态的直观印象。因此量子态不仅是数学工具还是一个可感知的实体。隧道扫描显微镜也是研究太阳能转化中新型设备的一个重要工具。本书中包括大量图片和照片，用于直观阐述数学公式，从而有利于更好地理解这些概念。太阳能物理在授课和备课过程中，作者遇到很多意想不到的困难。太阳能是多学科课题，涵盖有天文学、热力学、量子力学、固态物理学、有机化学、固态电子、环境科学、机械工程、建筑学和土木工程等学科领域。作为一本教材和参考书，书中所采用的术语和符号集应尽可能与各自领域中现有的术语和符号一致。在本书最后的符号表中列出了出现的所有符号。在此，衷心感谢 Irving Herman 教授，Richard Osgood 教授和 Vijay Modi 教授帮助作者开设太阳能课程。尤其还要感谢太阳能领域的许多业务主管和研究人员提供非常有价值的信息：Steve ORourke，曾任德意志银行总经理兼研究分析师，现任MEMC 电子的首席战略总监，主要负责太阳光伏工业的详细分析；John Brecken-ridge，Good Energies 投资银行总经理，主要负责世界可再生能源的信息；RobertDavid de Azevedo，巴西美国商会业务主管，负责巴西可再生能源的信息与洽谈；Loury A.Eldada，HelioVolt 公司首席技术总监，负责 CIGS 薄膜太阳电池的生产制造技术；Ioannis Kymissis 教授是我哥伦比亚大学的同事，曾进行了关于有机太阳电池的两次讲座，本书 10.5 节主要是根据他所提供的文献资料编写而成；Vasili Fthe-nakis 教授也是我哥伦比亚大学的同