能源是人类文明发展的基石。人类的能源从以薪柴为主，到以煤炭为主，再到以石油和天然气为主，每一次能源消费结构的转变都促进了人类文明的进步和经济的繁荣。然而，人类对能源需求的不断攀升与化石能源有限且不可再生的矛盾日益加剧，化石能源对环境和气候的负面影响日益显著，因此，在;双碳目标背景下，加快能源转型，大力发展新能源，已成为解决能源危机、应对气候变化、实现可持续发展的必然选择。

太阳能是人类最熟悉的能源之一，人类利用太阳能的历史也早于化石能源。工业革命之前，人类对太阳能的利用主要为太阳能干燥等原始方式，这无法满足现代人类社会对能源的需要。太阳能作为新能源家族的重要一员，其;新主要体现在以新的科技和工程手段实现太阳能的转换利用，以契合现代能源输配、储存和应用体系的需要。

根据能量转换途径，太阳能在实际工程中的转换利用多集中于发电和热利用两个方面，包括太阳能光伏发电、太阳能热发电及太阳能中低温热利用等技术。太阳能转换原理与技术所涉及的学科较多，知识面广泛，具有很强的跨学科特点，因此，如何凝练相关学科的核心知识并有序融合是本书需要解决的关键问题之一。本书力争做到化繁为简，通过系统梳理知识体系，搭建起从基础理论到技术应用的桥梁。

本书共分8章，第1章为绪论，主要介绍能源概况以及太阳能的特点、分布和利用方式，帮助读者从全局了解本书的核心内容；第2章为太阳及日地关系，主要介绍太阳的结构、太阳能的来源、天球坐标系及日地关系，其核心问题是太阳时空位置的变化规律；第3章为太阳辐射，主要介绍光学基本定律，太阳辐照度及其测量，透明或半透明体对太阳辐射的吸收、反射和透射作用以及太阳能聚光设计原理，其核心问题是太阳辐射在传播过程中的能量衰减规律以及得到入射太阳辐射中被吸热体表面吸收的份额；第4章为光伏理化基础及发电原理，这一章主要介绍光伏理化基础知识、光伏发电原理及光伏电池性能，其核心问题是解释光生伏特效应以及光伏电池的伏安特性；第5章为光伏发电系统，主要介绍光伏发电系统的分类、光伏电池阵列、储能设备、光伏逆变器和光伏控制器，其核心问题是阐释光伏发电系统核心部件的作用及原理；第6章为太阳能集热器，主要介绍平板型太阳能集热器、太阳能空气集热器、真空管太阳能集热器以及槽式太阳能集热器，其核心问题是建立集热器的热力学模型和传热模型以分析其太阳能转化效率；第7章为太阳能热发电原理与技术，主要介绍太阳能热发电所涉及的聚光集热技术、热功转换原理和储热技术，包括抛物面槽式太阳能热发电、线性菲涅尔式太阳能热发电以及塔式太阳能热发电，其核心问题是阐释太阳能热发电系统核心子系统的作用及原理；第8章为太阳能中低温热利用技术，主要介绍太阳能热水系统、太阳能制冷、太阳能干燥和太阳能海水淡化，其核心问题是阐释典型太阳能中低温热利用技术的原理及实现方式。标题后注*的章节为选修内容，供有需要深入学习的读者选择性阅读。

本书主要章节由南京工程学院吴俊杰副教授编写，青岛科技大学李超副教授编写了7.5节。感谢华北电力大学侯宏娟教授、南京工程学院韩宇副教授对本书初稿的审阅和提出的宝贵意见。感谢研究生李赟和王希蒙等同学协助查阅资料、录入文字并插图，为编者提供了不少帮助！感谢南京工程学院新能源科学与工程专业历届学生对本书内容提出的意见与建议！

本书得到了江苏省高校;青蓝工程、南京工程学院教学改革与建设项目（JXJS2023003、JXJS2025008）和南京工程学院;课程思政示范课程建设（KCSZ2025KC20）的资助，特此表示感谢！

由于编者水平有限，书中难免有疏漏不妥之处，敬请读者批评指正。

编者

本书遵循*教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

本书以能源转型与新能源发展为背景，系统介绍了太阳能的转换原理与技术应用。全书共分8章，第1章为绪论，主要介绍能源概况以及太阳能概况，帮助读者从全局了解本书的核心内容；第2、3章主要为太阳能基础知识，包括太阳及日地关系、太阳辐射；第4、5章主要围绕太阳能的光电转换，介绍光伏理化基础及发电原理、光伏发电系统；第6~8章主要围绕太阳能的光热转换，介绍太阳能集热器、太阳能热发电原理与技术、太阳能中低温热利用技术。

本书既注重经典教学内容，又融入了新的科研成果、政策法规和思政元素，力求内容丰富、与时俱进。本书适合作为能源类专业本科教材，也可供研究生及能源领域科研人员参考。

吴俊杰，工学博士，副教授，硕士生导师，江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师，国家自然科学基金青年基金项目获得者。2012年和2018年分别于华北电力大学获得热能与动力工程专业学士学位与热能工程专业博士学位，主要研究光煤互补发电系统的耦合机理与集成优化，其中2016年09月至2017年9月赴澳大利亚阿德莱德大学公派留学一年。2018年入职南京工程学院，长期从事新能源科学与工程专业的教学和科研工作。主要研究太阳能辅助污染物脱除及二氧化碳捕集、太阳能与常规能源的互补耦合，曾主持并完成南京市留学人员科技创新项目、南京工程学院引进人才基金项目等多项科研项目，目前主持国家自然科学基金青年基金、江苏省高等学校自然科学研究面上项目等多项科研项目。以第一作者或共同第一作者发表论文14篇，其中SCI检索9篇，EI检索3篇，以第一发明人申请发明专利4项（授权4项）。

前言第1章绪论11.1能源概况11.1.1能源的分类11.1.2能源与人类文明21.1.3能源与环境31.2太阳能概况51.2.1太阳能的特点及分布概况 ?51.2.2太阳能转换利用概述 ?6本章小结 ?12习题 ?12第2章太阳及日地关系 ?132.1太阳概况 ?132.1.1太阳的整体结构 ?132.1.2太阳的内部结构 ?142.1.3太阳大气层 ?152.2地球坐标系与天球坐标系 ?192.2.1地球坐标系 ?192.2.2天球坐标系 ?202.2.3球面三角余弦定理与球面三角正弦定理* ?222.2.4时角坐标系与地平坐标系的转换 ?242.3日地关系 ?252.3.1地球公转与太阳赤纬角 ?252.3.2地球自转与太阳时角 ?272.3.3太阳高度角和太阳方位角 ?322.3.4日出与日落时的太阳时角、可照时数与方位角 ?332.3.5正午时的太阳高度角与太阳方位角 ?342.3.6太阳入射角 ?34本章小结 ?36习题 ?37第3章太阳辐射 ?383.1光学基本定律 ?383.1.1费马原理 ?383.1.2光的传播 ?393.1.3光的反射 ?393.1.4光的折射 ?393.2太阳辐照度与测量 ?403.2.1太阳常数 ?403.2.2太阳光谱辐照度 ?403.2.3太阳辐射在地球大气中的衰减 ?413.2.4平面太阳辐照度的计算 ?433.2.5太阳辐照度的测量原理 ?443.2.6太阳辐照度的常用测量仪器 ?463.3透明或半透明体对太阳辐射的吸收、反射和透射 ?483.3.1太阳直射辐射在透明或半透明界面上的反射和折射 ?483.3.2太阳直射辐射对无吸收作用透明或半透明介质的透射 ?493.3.3太阳直射辐射在有吸收作用透明或半透明介质内的透射 ?513.3.4透明或半透明介质对太阳直射辐射的透射、吸收和反射 ?513.3.5太阳散射辐射和地面反射辐射对透明或半透明介质的透射533.3.6透明盖板_吸热体系统的透射率_吸收率乘积543.4太阳能聚光设计原理563.4.1太阳圆面张角563.4.2折射式聚光与反射式聚光563.4.3几何聚光比与能量聚光比573.4.4圆锥曲线的光学性质573.4.5槽式抛物面聚光分析593.4.6旋转抛物面聚光分析623.4.7复合抛物面聚光器的设计与聚光分析*62本章小结 ?67习题 ?68第4章光伏理化基础及发电原理 ?694.1量子力学基础 ?704.1.1光的波粒二象性 ?704.1.2氢原子光谱及玻尔原子轨道模型 ?714.1.3微观粒子运动的规律 ?724.2能带理论 ?754.2.1电子的共有化运动与能带的形成 ?754.2.2硅晶体的能带结构 ?774.3本征半导体与杂质半导体 ?784.3.1本征半导体 ?784.3.2杂质半导体 ?794.4热平衡载流子 ?814.4.1状态密度 ?814.4.2费米_狄拉克分布函数和费米能级 ?824.4.3导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 ?834.4.4本征载流子浓度 ?844.4.5杂质半导体的载流子浓度 ?854.5非平衡载流子 ?864.5.1非平衡载流子的光注入 ?864.5.2准费米能级 ?874.5.3半导体的光吸收 ?884.5.4非平衡载流子的寿命 ?884.5.5非平衡载流子的复合 ?894.5.6载流子的输运924.6PN结954.6.1PN结的形成954.6.2PN结的能带及势垒高度964.6.3平衡PN结载流子的分布规律974.6.4理想PN结的电流_电压关系1004.7光伏发电原理及光伏电池性能1034.7.1光生伏特效应1034.7.2光伏电池的伏安特性1044.7.3光伏电池的效率1064.7.4光伏电池的效率分析107本章小结108习题 ?108第5章光伏发电系统1105.1光伏发电系统的分类1105.1.1离网光伏发电系统1105.1.2并网光伏发电系统1115.2光伏电池阵列1125.2.1光伏电池组件的串联与并联1125.2.2光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管1135.2.3光伏电池阵列的防逆流（防反充）二极管1135.3储能设备1145.3.1电池储能1145.3.2抽水蓄能*1175.3.3压缩空气储能*1185.4光伏逆变器1185.4.1电力电子技术及其器件简介1185.4.2电压型逆变器原理简介1215.4.3光伏逆变器的其他基本功能1235.5光伏控制器1255.5.1光伏控制器对蓄电池充放电的控制原理1255.5.2光伏电池阵列最大功率点跟踪控制技术126本章小结128习题 ?129第6章太阳能集热器1306.1平板型太阳能集热器1306.1.1平板型太阳能集热器的工作原理1306.1.2平板型太阳能集热器的结构与主要部件1306.1.3平板型太阳能集热器的能量平衡方程1326.1.4平板型太阳能集热器的效率1406.2太阳能空气集热器1416.2.1太阳能空气集热器的分类1416.2.2太阳能空气集热器的热性能分析1426.2.3太阳能空气集热器的阻力计算1446.3真空管太阳能集热器1446.3.1全玻璃真空集热管的结构1446.3.2全玻璃真空集热管的热性能分析1456.4槽式太阳能集热器1486.4.1抛物面槽式聚光器1486.4.2抛物面槽式吸热器1496.4.3抛物面槽式聚光器的光学效率1516.4.4抛物面槽式吸热器的效率151本章小结155习题 ?155第7章太阳能热发电原理与技术1567.1太阳能热发电系统的热功转换原理1567.1.1水/蒸汽朗肯循环1567.1.2有机朗肯循环1587.1.3卡林那循环*1587.1.4布雷顿循环1607.1.5斯特林循环*1617.2太阳能储热原理与技术1637.2.1太阳能储热的意义1637.2.2显热储热1647.2.3潜热储热1677.2.4可逆化学反应热存储1707.3抛物面槽式太阳能热发电1727.3.1系统概述1727.3.2槽式太阳能集热场的能量损失1767.3.3槽式太阳能集热场的集热场效率1787.3.4槽式太阳能发电系统的额定发电功率1787.4线性菲涅尔式太阳能热发电1797.4.1系统概述1797.4.2线性菲涅尔式聚光器设计1797.5塔式太阳能热发电 ?1837.5.1系统概述 ?1837.5.2定日镜场的结构 ?1857.5.3定日镜的跟踪规律 ?1867.5.4定日镜场的光学效率 ?1877.5.5定日镜场的布置 ?1907.5.6吸热器的分类及热效率 ?1927.6非聚光式太阳能发电技术* ?1947.6.1太阳池热发电 ?1947.6.2太阳能热气流发电 ?194本章小结 ?196习题 ?196第8章太阳能中低温热利用技术 ?1988.1太阳能热水系统 ?1988.1.1太阳能热水系统的分类 ?1998.1.2自然循环太阳能热水系统 ?1998.1.3强制循环太阳能热水系统 ?2018.1.4直流式太阳能热水系统 ?2038.2太阳能热水系统设计 ?2048.2.1太阳能热水系统和太阳能集热器的选型 ?2048.2.2太阳能集热系统关键参数的确定 ?2058.3太阳能制冷 ?2088.3.1压缩空气制冷循环和压缩蒸气制冷循环 ?2088.3.2太阳能吸收式制冷循环 ?2108.3.3太阳能吸附式制冷循环 ?2128.3.4太阳能气流引射式制冷循环 ?2148.4太阳能干燥 ?2158.4.1干燥介质的性质 ?2158.4.2湿物料的性质 ?2168.4.3湿物料的干燥过程 ?2198.4.4太阳能干燥装置的热平衡关系 ?2208.4.5干燥系统的集热面积 ?2208.5太阳能海水淡化 ?2208.5.1太阳能海水淡化及其分类 ?2208.5.2太阳能蒸馏法海水淡化 ?2218.5.3太阳能加湿除湿海水淡化 ?223本章小结 ?224习题 ?224附录 ?225附录A常见物理量常数表 ?225附录B常见半导体材料的物理性质 ?225附录C主要符号表 ?226附录D部分计算程序 ?232参考文献 ?234