本書介紹了太陽能集熱系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(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)技術的概念和原理,討論了各類系統(tǒng)的設計安裝過程并展示了應用實例。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,并提高相應的工作實踐能力。
適讀人群 :可替代能源領域的從業(yè)者,尤其是暖通空調(diào)行業(yè)的技術人員,相關專業(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、技術人員、可替代能源領域的從業(yè)者,以及所有希望學習和使用可替代能源的人們迫切需要一套綜合性的技術資料。本書就是一本關于可替代能源的綜合性技術資料,可作為可替代能源的普及讀物。本書深入淺出地介紹了當前可替代能源的主流技術和近年來開發(fā)的新技術,因而在眾多同類書籍中能夠脫穎而出。本書在基礎知識和高層次工程應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、風能、地能和其他類型能源及其利用技術的探索研究。通過學習,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知。
本書的突出特點如下:
◎內(nèi)容覆蓋太陽能、風能、地能和生物質(zhì)能等所有主要類型的可替代能源系統(tǒng)。
◎采用大量圖片對復雜概念進行了直觀而詳盡的解釋。
◎?qū)碚摵蛯嵺`應用給出了清晰易懂的實例。
◎?qū)η把丶夹g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)。可替代能源(alternativeenergy)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備的實際應用。全美國有許多暖通空調(diào)安裝和服務公司對進軍可替代能源市場有興趣。為了做好準備,這些公司將要求所屬人員接受可替代能源領域的培訓,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知識和高端技術資料之間空白地帶,非常適用于可替代能源的工程應用和開發(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的暖通空調(diào)和能源行業(yè)承包商、希望進一步學習可替代能源系統(tǒng)應用知識的學生,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)的培訓領域,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、應用與安裝,以及系統(tǒng)維護等內(nèi)容進行了深入的學習研究。
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)訓練的合格技術人員會有持續(xù)的需求。這些人員應該具備對可替代能源設備進行安裝、運行、服務和維修的技能。為了做好技術人才準備,我們需要綜合性的知識和信息用于培訓相關的安裝人員、技師和服務人員。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,以滿足今天學生、技師和建筑物業(yè)主的需求。
對可替代能源的應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,當我在費里斯州立大學執(zhí)教時第一次聽到了唐·史蒂柏的名字,那時他還是一名學生。有人告訴我,我們的學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)選擇與設計大賽中,費里斯大學暖通空調(diào)工程專業(yè)的學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)學院與兩所大學學習的知識,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習機械知識,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農(nóng)業(yè)技術學院學習。1980年畢業(yè)后,唐從不太景氣的農(nóng)業(yè)領域轉(zhuǎn)向了其他行業(yè)。在當電氣技師時,唐發(fā)現(xiàn)自己非常適合技術性職業(yè),于是在1985年秋重返校園,在大急流城社區(qū)學院參加了暖通空調(diào)專業(yè)的業(yè)余課程學習。在1992年獲得大專學歷之后,唐進入美國迅捷工程公司的子公司工作,一直做到燃氣直燃機新風機組的全國銷售經(jīng)理。
盡管已經(jīng)事業(yè)有成,唐還是想學得更多。在1994年秋季,作為丈夫、兩個孩子的父親且背負貸款的唐,毅然辭去了工作,進入費里斯州立大學攻讀暖通空調(diào)工程專業(yè)的全日制學士學位。就是在費里斯大學,有感于唐的學習熱情和在農(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雜的問題,在此過程中應將系統(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任教。他接受了這項挑戰(zhàn)而且干得很好。2002年,他的學生也在美國采暖、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)設計大賽中獲獎,而這正是幾年前其他學生采用他編寫的軟件所獲的獎項。教學工作燃起了唐的興趣,事實上,我們想聘用他擔任全職教師,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)場實在是太遠了,這使他很難考慮改換工作地點。
唐還在他的另一個母校——大急流城社區(qū)學院擔任過助理教職,那里距他的家庭很近。在2007年,當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職業(yè)技術教育的科學碩士學位,而我很高興擔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)設計工作中獲得的知識。這是他對可替代能源,以及學習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。”當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)出相關的技術將其利用起來。唐所做的工作就是將這些關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,可以作為學習可替代能源及其應用知識的入門讀物。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、歷史和技術的角度,全方位地學習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。要想對設計、安裝和維護可替代能源系統(tǒng)做好準備,讀者還應接受更多的訓練并掌握專門的技能。然而通過對本書的學習,讀者確實能夠?qū)ι鲜鑫孱愊到y(tǒng)的背景、應用、可行性、經(jīng)濟性、效率和技術特征獲得全面和深入的了解。
唐已經(jīng)超越了他的目標,即“描述各類可替代能源系統(tǒng)設備的工作原理,并介紹當今市場中這些設備的應用、安裝、服務和維護的過程!彼麑⒆约旱臒崆楹徒(jīng)驗寫進了本書之中。從農(nóng)場男孩的技術竅門到職業(yè)技術教育的碩士學位,唐已經(jīng)得到了一份內(nèi)容豐富、務實有用的資源。
米歇爾·J·福伊茨博士,認證專家
費里斯州立大學暖通空調(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 風能:向新型可替代能源揚帆起航
第6 章 風能概論 93
6. 1 風能簡史 93
6. 2 風力機的工作原理 95
6. 3 風力機的類型 98
第7 章 家用和輕型商用風力機 102
7. 1 型號選擇 102
7. 2 風能的質(zhì)量 108
7. 3 地點選擇 111
7. 4 容量設計 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 大型風力機 122
8. 1 大型風力機的結(jié)構 123
8. 2 整體控制 125
8. 3 場地選擇 126
8. 4 建設和安裝 128
8. 5 大型風力機的安全措施 130
8. 6 風力機的維護保養(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 地能應用系統(tǒng)的容量設計 173
11. 1 負荷計算 173
11. 2 熱損耗計算 173
11. 3 得熱量計算 181
11. 4 風道的尺寸 184
11. 5 設備的選擇 190
11. 6 回路規(guī)模設計 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)的應用 257
16. 3 設計指南 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
術語表 269
附錄 單位換算表 279