可替代能源：来源和系统_Donald Steeby_9787111564843

本书介绍了太阳能集热系统、光伏发电系统、风力发电系统、地能系统、生物质能采暖系统等可替代能源系统，以及燃料电池和热电联产技术的概念和原理，讨论了各类系统的设计安装过程并展示了应用实例。本书内容丰富，浅显易懂，综合性和实用性强，能够帮助读者建立较为完整的可替代能源知识结构，并提高相应的工作实践能力。

　　前言

　　根据辞典的定义，能源（energy）是能够提供可用能量的物质。可替代能源（alternativeenergy）是能够作为传统化石燃料替代或补充品的能源。传统能源如电力、天然气和燃料油已经成为人类社会的可靠“生命源”，它们能够为工作场所提供照明，为家庭供暖，让我们生活的世界变得更加舒适。如今传统能源的供应出现了短缺，但对它们的需求依旧旺盛，因此人们迫切希望找到可替代能源来满足社会日益增长的需求。本书不仅能够使读者获得对可替代能源的深层理解，而且可以作为一份新的参考资料，有助于满足社会对清洁和充足能源的需求和渴望。本书的编写目的是增加可替代能源及其设备的实际应用。全美国有许多暖通空调安装和服务公司对进军可替代能源市场有兴趣。为了做好准备，这些公司将要求所属人员接受可替代能源领域的培训，成为能够胜任工作的合格技师。这本书填补了可替代能源基础知识和高端技术资料之间空白地带，非常适用于可替代能源的工程应用和开发环节。

　　本书适用的对象是：正在对员工进行可替代能源工程培训的暖通空调和能源行业承包商、希望进一步学习可替代能源系统应用知识的学生，以及正在为减少开支而寻找替代方法的住宅房主和企业主。如今在可替代能源系统的培训领域，既有一些适合自己动手的简单手册，也有一些较高层次的、聚焦研发和分析的工程师教材，因此有必要编写一本综合性书籍来搭建这两个层次之间的桥梁。为了完成本书的编写，作者对这些系统的工作原理、应用与安装，以及系统维护等内容进行了深入的学习研究。

　　在美国，公众对于发展和利用可替代能源的渴望在今后几年和更长的时间内会日益增强，因而对于那些接受过专业训练的合格技术人员会有持续的需求。这些人员应该具备对可替代能源设备进行安装、运行、服务和维修的技能。为了做好技术人才准备，我们需要综合性的知识和信息用于培训相关的安装人员、技师和服务人员。尽管目前针对不同类型的可替代能源，已有大量独立的资料信息，还是需要将这些信息编辑组织成实用的参考书，以满足今天学生、技师和建筑物业主的需求。

　　对可替代能源的应用需求绝非昙花一现，而是已有时日了。大量的时间和财力已经被投向可替代能源，很明显，这是一种能够驱动美国走向未来的行之有效的能源。

　　作者

　　序

　　1998年，当我在费里斯州立大学执教时第一次听到了唐·史蒂柏的名字，那时他还是一名学生。有人告诉我，我们的学生正在使用的地源热泵系统的地埋回路规划软件就是他编写的。这个软件写得很好，以至于能够上市销售。在由美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）每年主办的国际机械系统选择与设计大赛中，费里斯大学暖通空调工程专业的学生们用这个软件来规划地埋回路，并作为首选方案提交。你将会看到，这本书与唐编写的软件一样，都展现了他的背景和职业特点，那就是专业而实用。唐充分利用了他的人生经历，从作为农场男孩时学到的机械技能，到暖通空调行业工作期间积累的丰富经验，加上在社区学院与两所大学学习的知识，都将体现在本书之中。

　　唐是在密歇根州西部的一个奶牛场长大的，他的家庭通常自己动手进行各类安装和维修工作，这种经历教会了他自立的精神。唐从10岁起就开始挤牛奶，还是个男孩时便从实践中学习机械知识，喜欢把各种机器拆开看看它们是如何运转的。出于农业的兴趣，他后来进入了密歇根州立大学农业技术学院学习。1980年毕业后，唐从不太景气的农业领域转向了其他行业。在当电气技师时，唐发现自己非常适合技术性职业，于是在1985年秋重返校园，在大急流城社区学院参加了暖通空调专业的业余课程学习。在1992年获得大专学历之后，唐进入美国迅捷工程公司的子公司工作，一直做到燃气直燃机新风机组的全国销售经理。

　　尽管已经事业有成，唐还是想学得更多。在1994年秋季，作为丈夫、两个孩子的父亲且背负贷款的唐，毅然辞去了工作，进入费里斯州立大学攻读暖通空调工程专业的全日制学士学位。就是在费里斯大学，有感于唐的学习热情和在农场工作的经历与技能，两名教授让他编写了地能工程软件。毕业之后，他的新学位让他在霍尼韦尔公司谋得了控制工程师的职位。控制工程师需要解决复杂的问题，在此过程中应将系统思维与系统故障分析技能紧密结合。他们必须掌握众多机械系统类型的知识，从系统的设计到运行，方方面面都要熟悉了解。优秀的控制工程师是暖通空调行业中最有知识的人，而唐就是其中的翘楚，其职位不断得到晋升。

　　当唐还在霍尼韦尔公司工作的时候，我便邀请他以助理的身份在费里斯州立大学任教。他接受了这项挑战而且干得很好。2002年，他的学生也在美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）主办的国际暖通空调系统设计大赛中获奖，而这正是几年前其他学生采用他编写的软件所获的奖项。教学工作燃起了唐的兴趣，事实上，我们想聘用他担任全职教师，但他却没有同意。尽管在母校任教是一次诱人的机会，但校园离他的社区和家庭农场实在是太远了，这使他很难考虑改换工作地点。

　　唐还在他的另一个母校——大急流城社区学院担任过助理教职，那里距他的家庭很近。在2007年，当有了一个全职的岗位时，他抓住了这个机会。得知他离开了暖通空调行业颇具前途的职位并当上了一名教师，从此开启了人生的新篇章时，我一点也不感到意外。同以往一样，唐接下来要为他的新职业而接受教育。2010年春，他获得了费里斯州立大学职业技术教育的科学硕士学位，而我很高兴担任了他的论文委员会成员。

　　这本书就是唐对其硕士论文的拓展研究成果。书中的大部分内容来自他从毕业设计工作中获得的知识。这是他对可替代能源，以及学习和知识分享的热情宣言。这让我想起了阿姆斯壮国际公司，一个以生产高质量蒸汽、空气和热水产品而闻名的美国家族制造企业。阿姆斯壮公司的座右铭是：“没有被共享的知识等于被浪费的能源。”当把这句格言用在本书时，就显得意味深长。唐笔下的能源不仅实在可用而且储量丰富，但就像阿姆斯壮公司的格言所讲的那样，被大量浪费掉了，直到我们开发出相关的技术将其利用起来。唐所做的工作就是将这些关于可替代能源的不同形式和用途的信息汇编起来，而如果他没有将自己所获得的这些知识与别人共享，那么这些能源就可能会被浪费掉。

　　这本书浅显易懂，可以作为学习可替代能源及其应用知识的入门读物。接下来要做的就是综合性的工作，读者可以从唐所提供的实践、历史和技术的角度，全方位地学习各种可替代能源解决方案。然而，这并不是一本工程教科书，而是对太阳能、风能、地能、生物质能和未来能源（燃料电池和热电联产系统）的深入介绍。要想对设计、安装和维护可替代能源系统做好准备，读者还应接受更多的训练并掌握专门的技能。然而通过对本书的学习，读者确实能够对上述五类系统的背景、应用、可行性、经济性、效率和技术特征获得全面和深入的了解。

　　唐已经超越了他的目标，即“描述各类可替代能源系统设备的工作原理，并介绍当今市场中这些设备的应用、安装、服务和维护的过程。”他将自己的热情和经验写进了本书之中。从农场男孩的技术窍门到职业技术教育的硕士学位，唐已经得到了一份内容丰富、务实有用的资源。

　　米歇尔·J·福伊茨博士，认证专家

　　费里斯州立大学暖通空调专业教授

目　录译丛序译者序致谢序前言第1 篇　太阳能：驾驭太阳的能量第１章　太阳能概述３　１. １　太阳能集热系统简史５　１. ２　太阳能集热系统的可行性７　１. ３　太阳能集热系统的经济性与性能１１　１. ４　太阳能集热器和系统的认证与测试１３第２章　太阳能集热系统的工作原理１５　２. １　被动系统１５　２. ２　主动系统１９　２. ３　太阳能集热器２４第３章　太阳能集热系统的应用２９　３. １　太阳能集热系统的安装３０　３. ２　太阳能集热系统的控制方案３９　３. ３　注水与系统启动４２　３. ４　太阳能集热系统的用途４３　３. ５　太阳能制冷应用４９　案例研究: 一如既往地运转５０第４章　光伏电池板的工作原理５２　４. １　原子层面上的太阳能光伏原理５３　４. ２　光伏效应与电气原理５５　４. ３　光伏电路５６　４. ４　光伏器件６０第５章　光伏太阳电池板的应用６６　５. １　光伏系统的配置６６　５. ２　利用太阳的能量７０　５. ３　光伏系统的布线７６　５. ４　接地装置８２　５. ５　光伏系统的安装８３　５. ６　系统的连接———小结８７　５. ７　光伏系统的维护８８　案例研究: 太阳能光伏系统９０第2 篇　风能：向新型可替代能源扬帆起航第６章　风能概论９３　６. １　风能简史９３　６. ２　风力机的工作原理９５　６. ３　风力机的类型９８第７章　家用和轻型商用风力机１０２　７. １　型号选择１０２　７. ２　风能的质量１０８　７. ３　地点选择１１１　７. ４　容量设计１１３　７. ５　与本地电网的连接１１３　７. ６　安装和维护事项１１８第８章　大型风力机１２２　８. １　大型风力机的结构１２３　８. ２　整体控制１２５　８. ３　场地选择１２６　８. ４　建设和安装１２８　８. ５　大型风力机的安全措施１３０　８. ６　风力机的维护保养１３２　　　　可替代能源：来源和系统　案例研究: 约翰迪尔风车公园１３５第3 篇　地能：让大地使我们的世界凉热第９章　地能系统的原理１３９　９. １　概述１３９　９. ２　地源热泵制冷系统１４１第１０章　地能回路的类型和配置１５３　１０. １　开式回路系统的水质１５４　１０. ２　确定开式井的水量１５７　１０. ３　开式回路配置１５９　１０. ４　压力水箱１６２　１０. ５　闭式回路配置１６４第１１章　地能应用系统的容量设计１７３　１１. １　负荷计算１７３　１１. ２　热损耗计算１７３　１１. ３　得热量计算１８１　１１. ４　风道的尺寸１８４　１１. ５　设备的选择１９０　１１. ６　回路规模设计１９３第１２章　地能系统的安装与启动１９５　１２. １　安装实践１９５　１２. ２　启动程序２０２　１２. ３　地源热泵的其他用途２０４　案例研究: 成功的改造２０７第4 篇　生物质：把木材、玉米和木质颗粒用作采暖燃料第１３章　把生物质用作采暖燃料２１１　１３. １　概述２１１　１３. ２　用于采暖的生物质原料２１１第１４章　生物质燃料炉的应用２２０　１４. １　安装形式２２０　１４. ２　木柴、玉米和木质颗粒燃料炉２２０　　　　１４. ３　室外锅炉２３０　１４. ４　室内锅炉和采暖炉２３８　案例研究: 室外木柴锅炉２３９第5 篇　未来能源：燃料电池和热电联产介绍第１５章　燃料电池的工作原理２４５　１５. １　概述２４５　１５. ２　什么是燃料电池２４６　１５. ３　燃料电池的安装２５０　１５. ４　燃料电池的维护２５４　１５. ５　燃料电池的发展趋势２５４第１６章　什么是热电联产? ２５６　１６. １　概述２５６　１６. ２　热电联产的应用２５７　１６. ３　设计指南２６１　１６. ４　安装实践２６２　１６. ５　系统成本２６６　１６. ６　热电联产系统的维护保养２６７术语表２６９附录　单位换算表２７９

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