本書介紹了太陽能集熱系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、地能系統(tǒng)、生物質(zhì)能采暖系統(tǒng)等可替代能源系統(tǒng)，以及燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的概念和原理，討論了各類系統(tǒng)的設(shè)計安裝過程并展示了應(yīng)用實例。本書內(nèi)容豐富，淺顯易懂，綜合性和實用性強，能夠幫助讀者建立較為完整的可替代能源知識結(jié)構(gòu)，并提高相應(yīng)的工作實踐能力。
適讀人群 ：可替代能源領(lǐng)域的從業(yè)者，尤其是暖通空調(diào)行業(yè)的技術(shù)人員，相關(guān)專業(yè)的在校師生
近年來，世界對清潔能源的需求急劇增長，使得建筑商、技術(shù)人員、可替代能源領(lǐng)域的從業(yè)者，以及所有希望學(xué)習(xí)和使用可替代能源的人們迫切需要一套綜合性的技術(shù)資料。本書就是一本關(guān)于可替代能源的綜合性技術(shù)資料，可作為可替代能源的普及讀物。本書深入淺出地介紹了當(dāng)前可替代能源的主流技術(shù)和近年來開發(fā)的新技術(shù)，因而在眾多同類書籍中能夠脫穎而出。本書在基礎(chǔ)知識和高層次工程應(yīng)用資料之間架起了一座橋梁，可以作為一本綜合指南，用于太陽能、風(fēng)能、地能和其他類型能源及其利用技術(shù)的探索研究。通過學(xué)習(xí)，讀者將對可替代能源系統(tǒng)的工作原理和集成過程獲得更加深入的認(rèn)知。
本書的突出特點如下：
◎內(nèi)容覆蓋太陽能、風(fēng)能、地能和生物質(zhì)能等所有主要類型的可替代能源系統(tǒng)。
◎采用大量圖片對復(fù)雜概念進行了直觀而詳盡的解釋。
◎?qū)碚摵蛯嵺`應(yīng)用給出了清晰易懂的實例。
◎?qū)η把丶夹g(shù)及其可能對能源行業(yè)產(chǎn)生的影響進行了闡述。
前言
根據(jù)辭典的定義，能源（energy）是能夠提供可用能量的物質(zhì)�？商娲茉矗╝lternativeenergy）是能夠作為傳統(tǒng)化石燃料替代或補充品的能源。傳統(tǒng)能源如電力、天然氣和燃料油已經(jīng)成為人類社會的可靠“生命源”，它們能夠為工作場所提供照明，為家庭供暖，讓我們生活的世界變得更加舒適。如今傳統(tǒng)能源的供應(yīng)出現(xiàn)了短缺，但對它們的需求依舊旺盛，因此人們迫切希望找到可替代能源來滿足社會日益增長的需求。本書不僅能夠使讀者獲得對可替代能源的深層理解，而且可以作為一份新的參考資料，有助于滿足社會對清潔和充足能源的需求和渴望。本書的編寫目的是增加可替代能源及其設(shè)備的實際應(yīng)用。全美國有許多暖通空調(diào)安裝和服務(wù)公司對進軍可替代能源市場有興趣。為了做好準(zhǔn)備，這些公司將要求所屬人員接受可替代能源領(lǐng)域的培訓(xùn)，成為能夠勝任工作的合格技師。這本書填補了可替代能源基礎(chǔ)知識和高端技術(shù)資料之間空白地帶，非常適用于可替代能源的工程應(yīng)用和開發(fā)環(huán)節(jié)。
本書適用的對象是：正在對員工進行可替代能源工程培訓(xùn)的暖通空調(diào)和能源行業(yè)承包商、希望進一步學(xué)習(xí)可替代能源系統(tǒng)應(yīng)用知識的學(xué)生，以及正在為減少開支而尋找替代方法的住宅房主和企業(yè)主。如今在可替代能源系統(tǒng)的培訓(xùn)領(lǐng)域，既有一些適合自己動手的簡單手冊，也有一些較高層次的、聚焦研發(fā)和分析的工程師教材，因此有必要編寫一本綜合性書籍來搭建這兩個層次之間的橋梁。為了完成本書的編寫，作者對這些系統(tǒng)的工作原理、應(yīng)用與安裝，以及系統(tǒng)維護等內(nèi)容進行了深入的學(xué)習(xí)研究。
在美國，公眾對于發(fā)展和利用可替代能源的渴望在今后幾年和更長的時間內(nèi)會日益增強，因而對于那些接受過專業(yè)訓(xùn)練的合格技術(shù)人員會有持續(xù)的需求。這些人員應(yīng)該具備對可替代能源設(shè)備進行安裝、運行、服務(wù)和維修的技能。為了做好技術(shù)人才準(zhǔn)備，我們需要綜合性的知識和信息用于培訓(xùn)相關(guān)的安裝人員、技師和服務(wù)人員。盡管目前針對不同類型的可替代能源，已有大量獨立的資料信息，還是需要將這些信息編輯組織成實用的參考書，以滿足今天學(xué)生、技師和建筑物業(yè)主的需求。
對可替代能源的應(yīng)用需求絕非曇花一現(xiàn)，而是已有時日了。大量的時間和財力已經(jīng)被投向可替代能源，很明顯，這是一種能夠驅(qū)動美國走向未來的行之有效的能源。
作者
序
1998年，當(dāng)我在費里斯州立大學(xué)執(zhí)教時第一次聽到了唐·史蒂柏的名字，那時他還是一名學(xué)生。有人告訴我，我們的學(xué)生正在使用的地源熱泵系統(tǒng)的地埋回路規(guī)劃軟件就是他編寫的。這個軟件寫得很好，以至于能夠上市銷售。在由美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）每年主辦的國際機械系統(tǒng)選擇與設(shè)計大賽中，費里斯大學(xué)暖通空調(diào)工程專業(yè)的學(xué)生們用這個軟件來規(guī)劃地埋回路，并作為首選方案提交。你將會看到，這本書與唐編寫的軟件一樣，都展現(xiàn)了他的背景和職業(yè)特點，那就是專業(yè)而實用。唐充分利用了他的人生經(jīng)歷，從作為農(nóng)場男孩時學(xué)到的機械技能，到暖通空調(diào)行業(yè)工作期間積累的豐富經(jīng)驗，加上在社區(qū)學(xué)院與兩所大學(xué)學(xué)習(xí)的知識，都將體現(xiàn)在本書之中。
唐是在密歇根州西部的一個奶牛場長大的，他的家庭通常自己動手進行各類安裝和維修工作，這種經(jīng)歷教會了他自立的精神。唐從10歲起就開始擠牛奶，還是個男孩時便從實踐中學(xué)習(xí)機械知識，喜歡把各種機器拆開看看它們是如何運轉(zhuǎn)的。出于農(nóng)業(yè)的興趣，他后來進入了密歇根州立大學(xué)農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)習(xí)。1980年畢業(yè)后，唐從不太景氣的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了其他行業(yè)。在當(dāng)電氣技師時，唐發(fā)現(xiàn)自己非常適合技術(shù)性職業(yè)，于是在1985年秋重返校園，在大急流城社區(qū)學(xué)院參加了暖通空調(diào)專業(yè)的業(yè)余課程學(xué)習(xí)。在1992年獲得大專學(xué)歷之后，唐進入美國迅捷工程公司的子公司工作，一直做到燃?xì)庵比紮C新風(fēng)機組的全國銷售經(jīng)理。
盡管已經(jīng)事業(yè)有成，唐還是想學(xué)得更多。在1994年秋季，作為丈夫、兩個孩子的父親且背負(fù)貸款的唐，毅然辭去了工作，進入費里斯州立大學(xué)攻讀暖通空調(diào)工程專業(yè)的全日制學(xué)士學(xué)位。就是在費里斯大學(xué)，有感于唐的學(xué)習(xí)熱情和在農(nóng)場工作的經(jīng)歷與技能，兩名教授讓他編寫了地能工程軟件。畢業(yè)之后，他的新學(xué)位讓他在霍尼韋爾公司謀得了控制工程師的職位。控制工程師需要解決復(fù)雜的問題，在此過程中應(yīng)將系統(tǒng)思維與系統(tǒng)故障分析技能緊密結(jié)合。他們必須掌握眾多機械系統(tǒng)類型的知識，從系統(tǒng)的設(shè)計到運行，方方面面都要熟悉了解。優(yōu)秀的控制工程師是暖通空調(diào)行業(yè)中最有知識的人，而唐就是其中的翹楚，其職位不斷得到晉升。
當(dāng)唐還在霍尼韋爾公司工作的時候，我便邀請他以助理的身份在費里斯州立大學(xué)任教。他接受了這項挑戰(zhàn)而且干得很好。2002年，他的學(xué)生也在美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）主辦的國際暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計大賽中獲獎，而這正是幾年前其他學(xué)生采用他編寫的軟件所獲的獎項。教學(xué)工作燃起了唐的興趣，事實上，我們想聘用他擔(dān)任全職教師，但他卻沒有同意。盡管在母校任教是一次誘人的機會，但校園離他的社區(qū)和家庭農(nóng)場實在是太遠(yuǎn)了，這使他很難考慮改換工作地點。
唐還在他的另一個母�！蠹绷鞒巧鐓^(qū)學(xué)院擔(dān)任過助理教職，那里距他的家庭很近。在2007年，當(dāng)有了一個全職的崗位時，他抓住了這個機會。得知他離開了暖通空調(diào)行業(yè)頗具前途的職位并當(dāng)上了一名教師，從此開啟了人生的新篇章時，我一點也不感到意外。同以往一樣，唐接下來要為他的新職業(yè)而接受教育。2010年春，他獲得了費里斯州立大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育的科學(xué)碩士學(xué)位，而我很高興擔(dān)任了他的論文委員會成員。
這本書就是唐對其碩士論文的拓展研究成果。書中的大部分內(nèi)容來自他從畢業(yè)設(shè)計工作中獲得的知識。這是他對可替代能源，以及學(xué)習(xí)和知識分享的熱情宣言。這讓我想起了阿姆斯壯國際公司，一個以生產(chǎn)高質(zhì)量蒸汽、空氣和熱水產(chǎn)品而聞名的美國家族制造企業(yè)。阿姆斯壯公司的座右銘是：“沒有被共享的知識等于被浪費的能源�！碑�(dāng)把這句格言用在本書時，就顯得意味深長。唐筆下的能源不僅實在可用而且儲量豐富，但就像阿姆斯壯公司的格言所講的那樣，被大量浪費掉了，直到我們開發(fā)出相關(guān)的技術(shù)將其利用起來。唐所做的工作就是將這些關(guān)于可替代能源的不同形式和用途的信息匯編起來，而如果他沒有將自己所獲得的這些知識與別人共享，那么這些能源就可能會被浪費掉。
這本書淺顯易懂，可以作為學(xué)習(xí)可替代能源及其應(yīng)用知識的入門讀物。接下來要做的就是綜合性的工作，讀者可以從唐所提供的實踐、歷史和技術(shù)的角度，全方位地學(xué)習(xí)各種可替代能源解決方案。然而，這并不是一本工程教科書，而是對太陽能、風(fēng)能、地能、生物質(zhì)能和未來能源（燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）的深入介紹。要想對設(shè)計、安裝和維護可替代能源系統(tǒng)做好準(zhǔn)備，讀者還應(yīng)接受更多的訓(xùn)練并掌握專門的技能。然而通過對本書的學(xué)習(xí)，讀者確實能夠?qū)ι鲜鑫孱愊到y(tǒng)的背景、應(yīng)用、可行性、經(jīng)濟性、效率和技術(shù)特征獲得全面和深入的了解。
唐已經(jīng)超越了他的目標(biāo)，即“描述各類可替代能源系統(tǒng)設(shè)備的工作原理，并介紹當(dāng)今市場中這些設(shè)備的應(yīng)用、安裝、服務(wù)和維護的過程。”他將自己的熱情和經(jīng)驗寫進了本書之中。從農(nóng)場男孩的技術(shù)竅門到職業(yè)技術(shù)教育的碩士學(xué)位，唐已經(jīng)得到了一份內(nèi)容豐富、務(wù)實有用的資源。
米歇爾·J·福伊茨博士，認(rèn)證專家
費里斯州立大學(xué)暖通空調(diào)專業(yè)教授
目 錄
譯叢序
譯者序
致謝
序
前言
第1 篇 太陽能：駕馭太陽的能量
第１ 章 太陽能概述 ３
１. １ 太陽能集熱系統(tǒng)簡史 ５
１. ２ 太陽能集熱系統(tǒng)的可行性 ７
１. ３ 太陽能集熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性與性能 １１
１. ４ 太陽能集熱器和系統(tǒng)的認(rèn)證與測試 １３
第２ 章 太陽能集熱系統(tǒng)的工作原理 １５
２. １ 被動系統(tǒng) １５
２. ２ 主動系統(tǒng) １９
２. ３ 太陽能集熱器 ２４
第３ 章 太陽能集熱系統(tǒng)的應(yīng)用 ２９
３. １ 太陽能集熱系統(tǒng)的安裝 ３０
３. ２ 太陽能集熱系統(tǒng)的控制方案 ３９
３. ３ 注水與系統(tǒng)啟動 ４２
３. ４ 太陽能集熱系統(tǒng)的用途 ４３
３. ５ 太陽能制冷應(yīng)用 ４９
案例研究: 一如既往地運轉(zhuǎn) ５０
第４ 章 光伏電池板的工作原理 ５２
４. １ 原子層面上的太陽能光伏原理 ５３
４. ２ 光伏效應(yīng)與電氣原理 ５５
４. ３ 光伏電路 ５６
４. ４ 光伏器件 ６０
第５ 章 光伏太陽電池板的應(yīng)用 ６６
５. １ 光伏系統(tǒng)的配置 ６６
５. ２ 利用太陽的能量 ７０
５. ３ 光伏系統(tǒng)的布線 ７６
５. ４ 接地裝置 ８２
５. ５ 光伏系統(tǒng)的安裝 ８３
５. ６ 系統(tǒng)的連接———小結(jié) ８７
５. ７ 光伏系統(tǒng)的維護 ８８
案例研究: 太陽能光伏系統(tǒng) ９０
第2 篇 風(fēng)能：向新型可替代能源揚帆起航
第６ 章 風(fēng)能概論 ９３
６. １ 風(fēng)能簡史 ９３
６. ２ 風(fēng)力機的工作原理 ９５
６. ３ 風(fēng)力機的類型 ９８
第７ 章 家用和輕型商用風(fēng)力機 １０２
７. １ 型號選擇 １０２
７. ２ 風(fēng)能的質(zhì)量 １０８
７. ３ 地點選擇 １１１
７. ４ 容量設(shè)計 １１３
７. ５ 與本地電網(wǎng)的連接 １１３
７. ６ 安裝和維護事項 １１８
第８ 章 大型風(fēng)力機 １２２
８. １ 大型風(fēng)力機的結(jié)構(gòu) １２３
８. ２ 整體控制 １２５
８. ３ 場地選擇 １２６
８. ４ 建設(shè)和安裝 １２８
８. ５ 大型風(fēng)力機的安全措施 １３０
８. ６ 風(fēng)力機的維護保養(yǎng) １３２
可替代能源：來源和系統(tǒng)
案例研究: 約翰迪爾風(fēng)車公園 １３５
第3 篇 地能：讓大地使我們的世界涼熱
第９ 章 地能系統(tǒng)的原理 １３９
９. １ 概述 １３９
９. ２ 地源熱泵制冷系統(tǒng) １４１
第１０ 章 地能回路的類型和配置 １５３
１０. １ 開式回路系統(tǒng)的水質(zhì) １５４
１０. ２ 確定開式井的水量 １５７
１０. ３ 開式回路配置 １５９
１０. ４ 壓力水箱 １６２
１０. ５ 閉式回路配置 １６４
第１１ 章 地能應(yīng)用系統(tǒng)的容量設(shè)計 １７３
１１. １ 負(fù)荷計算 １７３
１１. ２ 熱損耗計算 １７３
１１. ３ 得熱量計算 １８１
１１. ４ 風(fēng)道的尺寸 １８４
１１. ５ 設(shè)備的選擇 １９０
１１. ６ 回路規(guī)模設(shè)計 １９３
第１２ 章 地能系統(tǒng)的安裝與啟動 １９５
１２. １ 安裝實踐 １９５
１２. ２ 啟動程序 ２０２
１２. ３ 地源熱泵的其他用途 ２０４
案例研究: 成功的改造 ２０７
第4 篇 生物質(zhì)：把木材、玉米和木質(zhì)顆粒用作采暖燃料
第１３ 章 把生物質(zhì)用作采暖燃料 ２１１
１３. １ 概述 ２１１
１３. ２ 用于采暖的生物質(zhì)原料 ２１１
第１４ 章 生物質(zhì)燃料爐的應(yīng)用 ２２０
１４. １ 安裝形式 ２２０
１４. ２ 木柴、 玉米和木質(zhì)顆粒燃料爐 ２２０
１４. ３ 室外鍋爐 ２３０
１４. ４ 室內(nèi)鍋爐和采暖爐 ２３８
案例研究: 室外木柴鍋爐 ２３９
第5 篇 未來能源：燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)介紹
第１５ 章 燃料電池的工作原理 ２４５
１５. １ 概述 ２４５
１５. ２ 什么是燃料電池 ２４６
１５. ３ 燃料電池的安裝 ２５０
１５. ４ 燃料電池的維護 ２５４
１５. ５ 燃料電池的發(fā)展趨勢 ２５４
第１６ 章 什么是熱電聯(lián)產(chǎn)? ２５６
１６. １ 概述 ２５６
１６. ２ 熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用 ２５７
１６. ３ 設(shè)計指南 ２６１
１６. ４ 安裝實踐 ２６２
１６. ５ 系統(tǒng)成本 ２６６
１６. ６ 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的維護保養(yǎng) ２６７
術(shù)語表 ２６９
附錄 單位換算表 ２７９
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