《可再生能源概論(第2版)/普通高等教育“十一五”國家級規劃教材》在保留第1版主要內容的基礎上,刪去若干過時的內容,并適當增加可再生能源技術的最新進展。《可再生能源概論(第2版)/普通高等教育“十一五”國家級規劃教材》從相關的物理、化學等基本原理出發,對可再生能源技術包括太陽能熱利用、太陽電池、生物質能、風能、小水能、潮汐能、海浪能、地熱能、氫能、燃料電池、能量儲存等進行系統的介紹,特別注重利用生動形象的語言,介紹各種可再生能源技術的基本原理和開發利用方式,也簡要介紹了國內外可再生能源開發利用的現狀和最新進展。
本書第1版出版至今已將近8年。這8年來,世界可再生能源技術的發展,仿佛從黎明前的一抹霞光,演變成清晨冉冉升起的朝陽。以世界光伏發電的領頭羊德國為例,2006年,德國的光伏發電量僅占全國發電量不到1‰,到2013年底,這一數據已變成5%。雖然中國的光伏發電量至今占比仍很小,但近年來國內光伏發電市場迅速啟動,并且發展迅猛。2013年全國新增光伏發電裝機容量占全球的30%,中國首次超越德國,成為世界最大的光伏發電市場。風能也是世界范圍內發展最快的可再生能源技術,到2013年底,全球風電累計裝機容量達到318GW,與10年前相比增長了10倍,可以滿足約4%的全球電力需求。而我國的風電裝機容量超過90GW,已排名世界第一,發電量約1350億kW·h,占全國發電量的2%。風電已占據我國繼火電、水電后的第三大電力能源位置。
這8年來,可再生能源技術也有了長足的進展。仍以太陽光伏為例,2006年,晶體硅光伏組件的光電轉化率最高為15%,到2013年,這一數據提高到18%。而光伏組件的價格,從2006年的大約3美元/Wp ,下降為2013年大約06美元/Wp(Wp為峰值瓦),降幅達到80%。
隨著新能源產業的高速發展,國內許多大學都開設了相關的本科和研究生課程,許多高校還開設了新能源專業。本書也被國內許多高校選為教材或參考教材,令編者感到喜悅和欣慰。如同第1版前言中所說,可再生能源技術包含多門不同的學科以及多學科交叉的知識,在一本教材中將如此眾多的知識匯總在內,并且給出較精煉的介紹,實在是艱難的任務,里面的缺點和不足也在所難免。而適時地修改第1版的內容也是編者的心愿。
本書第2版在保留第1版主要內容的基礎上,修改其中的錯誤和疏漏,刪去若干過時的內容,并適當增加可再生能源技術的最新進展。編者的主要修改思路是:進一步加強相關基礎理論介紹,壓縮一般性的能源概論和國內外研究現狀等內容,盡量用生動淺顯的語言,系統地介紹可再生能源的相關基礎知識以及最新進展。本書第2版主要做了以下修改和增刪:
1)修正了第1版中存在的若干錯誤和重復之處,更換了若干過時或不夠清晰的圖片和表格。
2)壓縮了各章有關國內外發展現狀以及一般性的能源概論等內容;對國內外新能源發展的主要數據進行了更新。
3)增加了若干重要的基礎理論介紹,例如太陽輻射的吸收和傳遞、光伏材料的直接帶隙和間接帶隙以及能量儲存理論等。
4)增加了第11章儲能技術。由于能量儲存與可再生能源密切相關,因此該章的增加使得本書內容更為全面。
本書第2版的編寫,除了第1版的四位作者外,還邀請了江蘇大學徐謙副教授加入。徐謙副教授在香港科技大學讀博期間,專門從事燃料電池和儲能電池的研究。所以儲能技術一章的編寫以及電化學、燃料電池等部分的修改,均由徐謙博士承擔。
在太陽電池一章的修改中,特別感謝常州天合光能有限公司(TSL)的張志強高級工程師,他不僅對該章進行了認真的審核,提出了很好的修改意見,而且提供了最新的光伏電池發展資料。
本書第1章和第4章的圖表做了較多更新,江蘇大學能源動力學院碩士研究生趙江承擔了大量工作。這里一并表示感謝!
希望本書第2版的出版對我國可再生能源技術的發展起到微薄的促進作用。同時也誠懇地歡迎讀者提出批評意見。
編者進入21世紀,人類社會面臨著嚴重的能源緊缺和環境污染。傳統能源中的石油和天然氣將在未來幾十年內耗盡,煤盡管還能用一二百年,但它會對生態和環境帶來很多的副作用。在世界范圍的能源危機中,中國更是首當其沖。因此,研究開發無污染、可再生的新能源與能源轉換技術是科技界的當務之急,而培養這方面的人才更是重中之重。
早在20世紀70年代,發達國家工科類專業(包括機械、電子、化工、材料等)就普遍開設能源與環境、可再生能源技術等相關課程。例如,美國許多大學都開設了名為Renewable Energy, Alternative Energy,Sustainable Energy或單獨的Solar Energy, Wind Energy,FuelCell等課程。近年來,國內許多大學也都開設了相關課程。
面對我國日益嚴峻的生態失衡和能源短缺,作為21世紀的理工科大學生,迫切需要具備能源與環保、可再生能源技術等基礎知識。
盡管太陽能、風能、燃料電池等許多可再生能源和相應的利用技術早已列為國家重點發展的高技術項目,《可再生能源法》也于2005年2月在全國人大順利通過,但是國內至今還沒有一本適合理工科大學的、專門介紹可再生能源及其利用的大學本科教材。20世紀80年代初機械工業出版社出版過一本作為大學教材的《新能源發電》(西安交通大學陳聽寬等編)。該書為國內最早較全面介紹可再生能源技術的大學教材,但由于當時的背景,核能和磁流體發電(不屬于可再生能源范疇)占據很大篇幅,顯然已不適應新時代的要求。近年來陸續有一些“新能源技術”類書籍問世,除了科普類以外,其中不乏介紹較全面的,但大都面向專業技術人員,偏重于某幾類可再生能源,因此更適合于專業人士閱讀。
因此,編寫一本新的、適合理工科大學的“可再生能源及其利用”教材(本書將采用“可再生能源”這一更為準確的詞匯,替代較為模糊的“新能源”一詞),較為系統地介紹各種主要的可再生能源及其利用的原理、實用技術和當今國內外可再生能源技術的發展趨勢,對于培養新一代具有開闊視野,將來能夠從事與可再生能源相關的研究、開發和管理人才具有重要意義,也是改變我國傳統的工科類專業陳舊的課程設置,與國際先進教育理念接軌的一個重要的嘗試。
本書第1章是能源概論,內容包括能源與人類和環境的關系、能源的各種來源和分類以及人類所面臨的能源和環境危機;第2章介紹可再生能源技術涉及的主要基礎理論,包括熱流體科學、半導體物理、電化學理論等;第3~10章,分門別類地介紹太陽能熱利用、太陽電池、生物質能、風能、小水能、潮汐能、海浪能、地熱能、氫能以及燃料電池技術,重點介紹各種可再生能源的基本概念、利用原理和實用技術。此外,也簡要介紹了目前國內外可再生能源開發利用的現狀、最新進展、以及對環境的影響。
本書在寫作上著重基本概念的闡述,盡可能聯系實際,盡可能多利用圖、表等。
在介紹基本原理的基礎上,也適當給出該領域正在發展的、較高深的內容,為學生提供發揮想象力和創造力的空間。每章后備有5~10條思考題與練習題,供學生鞏固所學內容,也給出一二道考核學生的創新能力的綜合題,培養學生將書本知識轉變為實際應用的能力。
本書需要的預備知識包括大學物理、大學化學、熱力學、流體力學、傳熱學、半導體物理和電化學基礎等,對于未學過后五門課程的同學,本書第2章給出了扼要的入門知識。其中半導體物理基礎和電化學基礎是學習太陽電池和燃料電池的必要準備。本書適合作為理工科大學三年級的教材,也可作為研究生的參考教材。全部內容學習大約需60~80學時,也可利用30學時有選擇地學習。本書也為從事可再生能源相關領域研發的科技人員提供必要的參考。
可再生能源技術涵蓋了許多不同的學科,涉及廣泛的物理和化學原理。因此,編寫這樣一本教材,需要很寬的知識背景。由于作者主要是在工程熱物理相關領域從事教學和科研,因此盡管已經竭盡所能,但錯誤(包括筆誤和技術錯誤)、遺漏在所難免。誠懇希望讀者發現后及時批評指正,以利于以后的再版。
可再生能源概論第2版第1版前言本書第1章、第2章(22節除外)、第4章、第8章由左然(江蘇大學)撰寫,第3章、第9章、第10章由施明恒(東南大學)撰寫,第5章、第6章由王希麟(清華大學)撰寫,第7章、第2章22節由聞建龍(江蘇大學)撰寫。全書由左然統稿。清華大學航空航天學院研究生鄧佳耀參與了本書的部分工作,江蘇大學能源與動力工程學院研究生徐謙、戴劍俠、段清彬、張立平等協助繪圖。
本書在編寫過程中,參閱了大量的國內外文獻,引用了許多不同來源的資料和插圖。除了各章后所附的參考文獻外,本書主要參考了G Boyle的Renewable EnergyPower for a Sustainable Future (2nd ed, Oxford University Press, 2004) 一書,以及下列網絡資源:
1美國可再生能源國家實驗室 (NREL) 網站:wwwnrelgov2加拿大自然資源部(CANMET)能源技術中心網站:wwwretscreenca3 歐洲可再生能源組織 (EREC) 網站:wwwerecrenewablesorg4中國新能源網:wwwnewenergyorgcn5中國可再生能源網:wwwcreinorgcn全書承蒙我國可再生能源領域的兩位著名學者——葛新石教授(中國科技大學)和黃素逸教授(華中科技大學)在百忙之中審閱,在此深表謝意。
最后,希望本書對培養我國可再生能源技術領域的人才有所裨益。
編者