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第1章 绪论1

1.1太阳能1

1.2走向后石油时代4

1.3其他可再生能源8

1.3.1水力发电8

1.3.2风力发电10

1.3.3生物质和生质能12

1.3.4浅层地热能17

1.3.5深层地热能18

1.4太阳光伏基础19

1.4.1现代太阳电池的诞生20

1.4.2太阳电池的相关概念21

1.4.3太阳电池的类型22

1.4.4能量平衡23

1.5物理范畴之外24

1.5.1太阳能与经济24

1.5.2太阳能与和平26

1.5.3世界各地的太阳能热水器28

1.5.4光伏：趋向电网平价31

习题35

第2章 太阳辐射特性37

2.1光作为电磁波37

2.1.1麦克斯韦方程37

2.1.2矢量势38

2.1.3电磁波39

2.1.4平面波40

2.1.5光的偏振40

2.1.6电子在电场和磁场中的运动40

2.2光学薄膜42

2.2.1相对电介质常数和折射率42

2.2.2能量守恒和Poynting矢量44

2.2.3菲涅尔公式45

2.3黑体辐射47

2.3.1 Rayleigh- Jeans定律47

2.3.2普朗克公式和斯特藩-玻尔兹曼定律49

2.4光电效应和光子概念52

2.4.1爱因斯坦的光子理论53

2.4.2 Millikan的实验验证54

2.4.3波粒二象性55

2.5爱因斯坦的黑体方程推导55

习题57

第3章 太阳能起源59

3.1太阳的基本参数59

3.1.1距离60

3.1.2质量60

3.1.3半径60

3.1.4发射功率60

3.1.5表面温度60

3.1.6元素组成61

3.2 Kelvin- Helmholtz时间尺度61

3.3太阳能的来源63

3.3.1 p- p链64

3.3.2碳链65

3.3.3太阳的内部结构65

习题66

第4章 跟踪太阳光67

4.1地球自转：纬度和经度67

4.2天球68

4.2.1坐标变换：直角坐标系70

4.2.2坐标变换：球面三角法71

4.3基于太阳时的处理73

4.3.1黄赤交角和太阳赤纬73

4.3.2日出时间与日落时间74

4.3.3任意表面上的直接太阳辐射75

4.3.4每日直接太阳辐射能量76

4.3.5 24节气80

4.4基于标准时的处理82

4.4.1恒星时和太阳时82

4.4.2太阳的赤经83

4.4.3起源于黄赤交角的时差83

4.4.4远日点和近日点85

4.4.5起源于地球轨道离心率的时差86

4.4.6时间方程86

4.4.7太阳的赤纬88

4.4.8太阳的日行迹88

习题88

第5章 太阳光与地球的相互作用90

5.1辐射与物质的相互作用90

5.1.1吸收率、反射率和透射率90

5.1.2发射率和基尔霍夫定律91

5.1.3 Bouguer- Lambert- Beer定律91

5.2太阳光与大气层的相互作用93

5.2.1 AM1.5的日射光谱辐照度93

5.2.2年均日照图95

5.2.3晴朗指数95

5.2.4直射和漫射太阳辐射96

5.3渗透到地球的太阳能97

习题100

第6章 太阳能热力学102

6.1定义102

6.2热力学第一定律103

6.3热力学第二定律105

6.3.1卡诺循环105

6.3.2热力学温度107

6.3.3熵108

6.4热力学函数108

6.4.1自由能109

6.4.2焓109

6.4.3吉布斯（Gibbs）自由能109

6.4.4化学势110

6.5理想气体110

6.6地源热泵和空调113

6.6.1原理113

6.6.2性能系数114

6.6.3蒸气压缩热泵和制冷机115

6.6.4地热交换器116

习题121

第7章 量子跃迁122

7.1量子力学的基本概念122

7.1.1量子态：能级和波函数122

7.1.2动态变量和运动方程123

7.1.3一维势阱124

7.1.4氢原子126

7.2多电子原子系统127

7.2.1单电子近似128

7.2.2量子态的直接观测128

7.2.3分子的量子态：HOMO和LUMO129

7.2.4纳米晶体的量子态131

7.3黄金法则131

7.3.1周期性扰动的时变微扰132

7.3.2连续光谱的黄金法则134

7.3.3细致平衡原理134

7.4与光子的交互作用135

习题136

第8章 pn结137

8.1半导体137

8.1.1导体、半导体和绝缘体137

8.1.2电子和空穴138

8.1.3 p型和n型半导体139

8.2 pn结的形成141

8.3 pn结分析144

8.3.1偏置电压效应145

8.3.2过剩少数载流子的寿命146

8.3.3 pn结电流146

8.3.4 Shockley方程147

习题148

第9章 半导体太阳电池150

9.1基本概念150

9.1.1电能产生152

9.1.2太阳电池方程153

9.1.3最大功率和填充因子153

9.2 Shockley- Queisser极限155

9.2.1效率上限155

9.2.2载流子复合时间的影响157

9.2.3细致平衡处理158

9.2.4额定效率159

9.2.5 Shockley- Queisser效率极限160

9.2.6 AM1.5辐射的效率极限161

9.3无辐射复合过程162

9.3.1俄歇复合163

9.3.2陷阱态复合163

9.3.3表面态复合164

9.4抗反射涂层164

9.4.1矩阵法165

9.4.2单层抗反射涂层167

9.4.3双层抗反射涂层169

9.5晶体硅太阳电池170

9.5.1纯硅的生产170

9.5.2太阳电池设计和处理171

9.5.3模块组装172

9.6薄膜太阳电池173

9.6.1 CdTe太阳电池173

9.6.2 CIGS太阳电池174

9.6.3非晶硅薄膜太阳电池175

9.7叠层太阳电池175

习题177

第10章 太阳能电化学179

10.1光合作用的物理学179

10.1.1叶绿素180

10.1.2 ATP：生物界的通用储能单元181

10.1.3 NADPH和NADP+182

10.1.4卡尔文循环182

10.1.5 C4植物与C3植物184

10.1.6叶绿体184

10.1.7光合作用的效率184

10.2人工光合作用186

10.3转基因藻类186

10.4染料敏化太阳电池187

10.5双层有机太阳电池188

习题190

第11章 太阳热能191

11.1早期太阳热能应用191

11.2太阳能集热器193

11.2.1选择性吸收表面193

11.2.2平板太阳能集热器197

11.2.3全玻璃真空管太阳能集热器201

11.2.4热管式太阳能集热器202

11.2.5高压真空管太阳能集热器203

11.3太阳能热水器204

11.3.1具有热管式太阳能集热器的系统204

11.3.2具有承压热交换器的系统205

11.3.3具有独立热交换水箱的系统206

11.4太阳热发电206

11.4.1抛物面槽式聚光器207

11.4.2定日镜和中央接收器208

11.4.3抛物面碟状聚光器和Stirling发动机209

11.4.4太阳能的组合集成210

11.4.5线性菲涅尔反射聚光器211

习题213

第12章能量存储215

12.1显热存储215

12.1.1水216

12.1.2固体显热存储材料217

12.1.3合成油与填充床218

12.2相变存储218

12.2.1水-冰系统219

12.2.2石蜡和其他有机材料220

12.2.3盐水合物222

12.2.4 PCM封装222

12.3蓄电池222

12.3.1蓄电池的电化学223

12.3.2铅酸蓄电池224

12.3.3镍氢蓄电池225

12.3.4锂电池225

12.3.5锂的矿产资源227

12.4太阳能和电动汽车228

习题230

第13章 阳光建筑231

13.1早期太阳能建筑232

13.1.1古代太阳能建筑232

13.1.2中国农村房屋的整体结构232

13.2建筑材料233

13.2.1热阻233

13.2.2比热阻233

13.2.3热导系数：U值234

13.2.4热质235

13.2.5玻璃窗235

13.3整体设计举例236

13.4太阳能社区的土地利用239

习题241

附录242

附录A能量单位转换242

附录B球面三角学243

B.1球面三角形243

B.2余弦公式244

B.3正弦公式245

B.4公式C246

习题246

附录C量子力学基础247

C.1谐振子247

C.2角动量249

C.3氢原子251

附录D粒子统计253

D.1麦克斯韦-玻尔兹曼统计253

D.2费米-狄拉克统计255

附录E AM1.5参考太阳光谱255

符号列表263

参考文献266