1、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 O
2、F 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
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、 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事，主要研究太阳电池的经济与环境信息；John Perlin，著名的太阳能历史学家，给我发过两本其著作的电子版；George Kitz-miller，迈阿密 Pluming and Solar Hea
18、ting 公司负责人，引领作者参观了迈阿密的一些已使用 80 多年的太阳能热水器；Margaret ODonoghue Castillo，美国建筑师学会主席，向我介绍了纽约 AIA 的地热供暖和制冷系统。Mitchell Thomashaw，缅因州联合大学校长，带我亲眼目睹了美国的太阳能历史，从卡特时代的白宫太阳电池板到中国德州的太阳能博物馆；何祚庥院士，可再生能源的杰出倡导者，帮助我联系中国的可再生能源研究和工业；首都师范大学的李申生教授，赠送我一本他亲笔签名的 1996 年出版的著作 太阳能物理学，这或许是最早的一本关于太阳能物理的著作；黄鸣先生，皇明太阳能集团的创始人和 CEO，国际太阳
19、能协会副主席，作者与其进行了多次讨论，并邀请作者参观皇明公司，包括真空管太阳能集热器的生产线；黄学杰教授，长期从事锂电池研究，并成立星恒电源有限公司，与其多次讨论电动车，并参观生产线；马艳，英利绿色能源控股有限公司副总裁，给作者提供了大量信息，并带领作者参观该公司的太阳电池和太阳电池模块的整个生产过程。最后，没有妻子立清的支持和帮助，就没有这本书。C.Julian Chen（陈成钧）哥伦比亚大学纽约2011 年 4 月原 书 前 言 目 录译者序原书前言第 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
20、.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.
21、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
22、 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目 录 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
23、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 AM
24、1.5 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 太阳能物理 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
25、 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
26、衡原理134 7.4 与光子的交互作用135 习题136目 录 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.
27、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 太阳能物理 9.5.1 纯硅的生产170
28、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
29、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目 录 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
30、 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.
31、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 太阳能物理 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2
32、41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目 录 第 1 章 绪 论1.1 太阳能根据可靠的测量，地球大气层之外太阳辐射的平均功率密度为 1366W m2，这也就是大家所熟知的太阳常数。由图 1-
33、1 可见，1m 定义为沿地球子午线从北极到赤道的距离的 11 107。即使根据现代测量方法，该距离仍相当准确。由此可得，地球半径为（2）107m，则地球接收到的太阳辐射总功率为太阳功率=1366 41014W1.73 1017W（1-1）图 1-1 每年到达地球表面的太阳能（地球上的平均太阳功率密度为 1366W m2。地球子午线的长度为10000km。每年到达地球表面的太阳能总量为 5460000EJ）由于，一天有 86400s，而平均每年有 365.2422 天。因此，一年中地球接收到的太阳辐射总量为年均太阳能=1.73 101786400 365.2422J5.46 1024J（1-2）
34、若能量值较大，可用单位 EJ，即 1018J。因此到达地球的年均太阳能可表示为5460000EJ。如图 1-2 所示，2005 2010 年全球平均年能耗约为 511EJ。这意味着仅太阳辐射总量的 0.01就能够满足全世界全年的能源需求。但值得注意的是，进入地球大气层的太阳辐射并不是都能到达地球表面。在晴天，阳光直射的地球表面，太阳辐射功率密度大约为 1kW m2。该数值简单易记，已被太阳能行业定义为太阳辐射功率密度单位，即一个太阳（one sun），具体的定义参见本书第 5 章。由于纬度不同以及云量不同，地球上不同地区的日均累积太阳辐射能量（日照）都不同，见本书插图 3 到插图 5。图 1-
35、2 1980 2030 年全球市场能源消耗来源：能源信息署（EIA），美国政府官方能源统计。历史：国际能源年报（2006 年 5 月-7 月）www.eia.doe.gov iea.预测：能源信息署，国际能源使用回顾与展望，2007 年表 1-1 所示为到达地球的太阳能与各种化石燃料中能量存储总量相比较。数据表明化石燃料的总探明储量仅大约是每年地球表面接收太阳能的 1.4。此处的化石燃料实际上是数百万年前作为生质能所存储的太阳能。目前，人类开采利用的只是太阳能中很小一部分。如今每年化石燃料的消耗大约为 300EJ。如果按照当前化石燃料的消耗水平，则所有化石燃料储量将会在 100 年左右枯竭。表
36、 1-1 各种化石燃料的探明储量项 目数 量单 位 能 量能量 EJ原油1.65 1011t4.2 1010J t6930天然气1.81 1014m33.6 107J m36500高质煤4.9 1011t3.1 1010J t15000劣质煤4.3 1011t1.9 1010J t8200总计36600 来源：世界能源统计一览，2007 年 6 月，英国石油。目前，可再生能源的利用只占到整个能量消耗的一小部分，见表 1-2。图 1-3给出 2006 年美国不同类型能源的比例。虽然利用光伏（PV）技术的太阳能应用仅占总能量消耗的 0.07。但从全球范围而言，太阳光伏发电是发展最快的能源。正如 1
37、.5.4 节中所述，太阳光伏发电将会成为人类能源的主要来源。图 1-4 是德国太阳能工业学会对可再生能源发展的预测。2 太阳能物理表 1-2 可再生能源类 型能源（EJ 年）实现（EJ 年）开采百分比（）太阳能27300000.310.0012风力25004.00.16地热10001.20.10水力529.318图 1-3 2006 年美国能源消耗来源：2006 年度能源回顾，能源信息署（EIA）。原始报告中能源单位为夸德（quad），相当于 108J 或 EJ，见本书附录 A。2006 年，美国能源消耗总量为 99.87quad，近似等于 100EJ。因此，能源值也近似等于其百分比。2006
38、 年的太阳光伏（PV）能源仅占总能耗的 0.07。图 1-4 21 世纪能源行业发展趋势信息来源：德国太阳能行业学会，2007；参电见 www.solarwirtschaft.de.21 世纪能源革命的动力是经济。由于化石燃料和核材料的资源有限，生产成本将随着时间推移而不断增大。太阳能和制造太阳电池的原材料（硅）是取之不尽的。太阳电池的大规模生产将降低成本。同时，太阳能发电的成本也将低于传统能源，从而达到电网平价。2007 年，预计在 2020 2030 年间将会达到电网平价。之后，太阳能发电将得到广泛应用。近年来的发展表明电网平价将会在 2015 年前后实现。太阳能发电的快速发展将会比 20
39、07 年预测的更早到来，参见本书 1.5.4 节。3第 1 章 绪 论 从地质角度上看，由于原油等化石燃料的可开采总量并非取之不竭的，因此化石燃料最终必然被太阳能所替代。例如，美国曾是世界上最大的石油生产国。直到1971 年，美国内陆（48 个州）一半左右的探明原油储量已开采完。自此，原油生产逐步减少。为此，不得不在地形复杂、环境恶劣的地方开采原油。随之而来造成石油开采成本的增加以及生产原油所需能耗的增加。为表征能源生产过程的特点，通常采用能源回报与能源投入之比（EROI），也称为能源平衡，具体定义如下：EROI=能量回报能量投入=燃料中所含能量开采过程所需能量（1-3）20 世纪 30 年代
40、，原油生产的 EROI 大约为 100。而 1970 年，EROI 就减小为25。对于深海石油开采，EORI 一般为 10 左右。开采页岩油、页岩气和煤焦油的EROI 也较低。若能源生产过程的 EROI 降低到接近于 1，则生产过程没有任何利润。另一方面，尽管目前太阳发电的成本比化石燃料发电的成本要高，但随着技术不断改进，发电成本将逐步降低。在 1.5.4 节中提到，2015 年左右，太阳能发电成本将低于传统发电成本，达到电网平价。那时，太阳能发电将会得到快速发展，如图 1-4 所示。1.2 走向后石油时代由于化石能源有限，尤其是石油，导致不可避免地会发生传统能源的枯竭，因此必然会依赖于可再生
41、能源。石油行业专家 Marion King Hubbert（19031989）首先意识到该问题并进行研究。他的观点在石油工业得到广泛认可。正是意识到石油最终将枯竭，前英国石油公司在2000 年更名为“超越石油（Beyond Petroleum BP）”。1956 年，身为壳牌开发公司首席顾问的 M.King Hubbert 根据当时数据提出一个被后人大量引用的研究报告40：他预测美国的原油产量在 1970 年左右将达到顶峰，随后逐渐下降。尽管当时他的大胆预测遭到讥讽和嘲笑，但后来事实证明这是 Hubbert 理论的数学表示与1838 年 Pierre Francois Verhurst 提出的
42、验证马尔萨斯人口增长理论的方程相类似85。完全正确的，并受到绝大多数人的认可。Hubbert 理论是基于对图 1-5 的研究，图中以累计原油生产量 Q 为 x 轴，以生产率 P 与 Q 之比为 y 轴。对美国而言，呈一条直线。该直线与坐标轴的两个交点分别定义如下：与 x 轴的交点 Q0表示原油可开采总量，从图 1-5 中看出该值为 Q0=2280 亿桶；与 y 轴的交点 a 表示时间倒数。a 的倒数表示衡量原油枯竭的时间。图 1-5 中的该值为 a=0.0536 年。直线可由下4 太阳能物理图 1-5 Hubbert 曲线a）1956 年，壳牌石油公司的 Merion King Hubbert
43、 研究美国原油产量 Q 和生产率 P 之间的关系。发现P Q 和 Q 之间存在线性关系，参见参考文献 21 b）根据线性关系可推导出曲线 Q 随时间变化曲线，即 Hubbert 曲线。当原油枯竭一半时，产量在 tm时达到峰值。在 tm+2.197 a 时 90 的可开采原油枯竭；在 tm+2.944 a 时，95的可开采原油枯竭述方程表示，即PQ=a 1-QQ0（1-4）根据定义，P 和 Q 之间的关系为P=dQdt（1-5）式中，t 表示时间，通常以年为单位。根据式（1-5），则式（1-4）可变为常微分方程，即Q0dQQ（Q0-Q）=adt（1-6）对式（1-6）进行积分，可得Q0dQQ（Q
44、0-Q）=-lnQ0Q-1=a（t-tm）（1-7）式中，tm为需要确定的积分常数。根据式（1-7），可得Q=Q01+e-a（t-tm）（1-8）满足初值条件 t 为-时 Q=0 和终值条件 t 为+时 Q=Q0。时间取为原油枯竭一半的时间，则 t=tm时 Q=Q02，取自历史数据。利用式（1-5）和式（1-8），可得生产率 P 为5第 1 章 绪 论 P=dQdt=14aQ0sech2a（t-tm）2（1-9）根据定义，sechx=1 coshx=2（ex+e-x）。式（1-9）表示在 t=tm时关于 t 的一个正态分布曲线，见图1-5b。因此，t=tm也是最大生产率的时间（年份），即 P0
45、=aQ04。a 为衡量油田枯竭的速率。实际上，开采完 90原油的时间可由式（1-8）确定Q01+e-a（t0.9-tm）=0.9Q0（1-10）由此可得 t0.9=tm+2.197 a。定义开采完 95的原油的时间为枯竭时间，由此可得t0.95=tm+2.944 a。图1-6 给出从1920 2010 年的美国原油生产情况。实线为对 Hubbert 曲线的最小二乘拟合，见式（1-9）。在 1971 年达到的峰值表明 48 个州（包括阿拉斯加和夏威夷）的原油生产总量。另一个峰值在 1989 年前后。1977 年，美国国会通过法案，允许在阿拉斯加州开采石油。由于 1970 年以前阿拉斯加不产任何原
46、油，根据图 1-6 美国原油生产率（图中圆圈表示美国原油实际生产率。来源：美国能源信息署（EIA）。图中实线表示由实际数据根据最小二乘法拟合出的 Hubbert 函数。1977 年产量的突然增大和 1989 年的第二个尖峰是由于阿拉斯加州的石油开采）6 太阳能物理Hubbert 理论，这应看成一个与内陆 48 个州无关的个例。EIA 绘制的阿拉斯加州原油生产数据图，如图 1-7 所示。除了较早的年份，P Q 表明与累计生产量 Q 相关的线性关系。从图中看出，在 1989 年 5 月左右，Q0=17.3 亿桶，a=0.1646，tm=1989.38。利用这些参数，可绘制 Hubbert 曲线，如
47、图 1-7b 所示。由图可知，除了较早年份，产量均非常准确地符合 Hubbert 曲线。图 1-7 阿拉斯加原油生产率a）阿拉斯加的 P Q 与 Q 之比（来源：EIA）b）相应的 Hubbert 曲线（由图可知，除了较早的年份，产量基本与 Hubbert 曲线符合）枯竭日期也可由这些参数估算。对于整个美国，a=0.0536。95 的枯竭时间为t0.95=1971+2.9440.05362026（1-11）对于阿拉斯加州，95的枯竭时间为t0.95=1989+2.9440.16462007（1-12）阿拉斯加州原油枯竭时间比整个美国的原油枯竭时间更早。尽管阿拉斯加州的原油开采时间远落后于美国其
48、他 48 个州，但其开采程度比其他各州更疯狂。由于不同州在不同时期开始原油生产，最佳方法是针对每个州单独应用 Hubbert理论进行分析。Hubbert 根据 1950 年全球数据进行估计，并预测 2000 年的原油产量的峰值。根据近年来的数据进行估计也得到类似结果。近年来的数据表明原油开采的最高峰已经过去。其他不可再生能源的开采和枯竭过程也是类似模式，如天然气和煤炭。随着资源的萎缩，化石燃料开采的工程和环境成本急剧增大。深水平线7第 1 章 绪 论（Deepwater Horizon）的石油泄漏就给世人敲响了警钟，21 世纪必须寻找并利用可再生能源来逐步替代化石燃料能源。1.3 其他可再生能
49、源由于化石燃料资源储量有限且开采成本较高，从工业时代之初，人们就已开始探索可再生能源。虽然太阳能是目前为止储量最大的可再生资源，但包括水力、风能、浅层和深层地热能源等一些其他的可再生资源也得到广泛应用。除了深层地热能，其他可再生能源都是由太阳能衍生出来的。1.3.1 水力发电水力发电是一种发展成熟的技术。从 19 世纪后期开始，就凭借价格优势提供了大量电能。目前，水力发电占到世界上发电总量的16，在可再生能源中占 90 以上。如图 1-8 所示，水力发电在许多国家的电力生产中都占有很大比例。比如说，水力发电占挪威电力生产总量的 98以上；在巴西，冰岛和哥伦比亚等国，水力发电也占电力生产总量的
50、80以上。表 1-3 所示为水力发电在世界上一些地区的应用情况。表 1-3 区域水电潜能和产量地区输出（EJ 年）能源（EJ 年）开采百分比欧洲2.629.7427北美2.396.0240亚洲2.0618.3511非洲0.296.84.2南美1.8310.0518大洋洲0.140.8417全世界9.3351.7618 来源：参考文献14，第 5 章。水力发电的物理意义非常直观。一个水力发电系统通常由有效落差（effectivehead），即水的落差 H（以米为单位）和水的流速 Q（以 m3 s 为单位）来表征，即通过涡轮机时水的流速来表征。水流所包含的能量为P（kW）=g Q H（1-13）式
