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内容简介

　　本书原著由Springer出版社出版，主要研究太阳辐射的估算理论与利用技术，同时含有能源和天文等方面与太阳能相关的基础知识，具有较强的学术性和科普性。全书共分7章，内容包括能源与气候变化、大气环境和可再生能源、太阳辐射确定性模型、线性太阳能模型、非线性太阳能模型、空间太阳能模型、太阳辐射利用设备和收集器等，可为太阳能利用爱好者提供较全面的基础知识和太阳能估算方法。

目　　录

目录
第1章能源与气候变化
1.1 概述
1.2 能源与气候
1.3 能源和社会
1.4 能源与工业
1.5 能源和经济
1.6 能源与大气环境
1.7 能源与未来
参考文献
2.1 概述
2.2 天气、气候和气候变化
2.3 大气及其自然成分
2.4 与人类行为相关的大气成分

目 录 
第1章 能源与气候变化 
1.1 概述 
1.2 能源与气候 
1.3 能源和社会 
1.4 能源与工业 
1.5 能源和经济 
1.6 能源与大气环境 
1.7 能源与未来 
参考文献
第2章 大气环境和可再生能源 
2.1 概述 
2.2 天气、气候和气候变化 
2.3 大气及其自然成分 
2.4 与人类行为相关的大气成分 
2.4.1 二氧化碳（CO2） 
2.4.2 甲烷（CH4） 
2.4.3 一氧化二氮（N2O） 
2.4.4 氯氟烃（CFCs） 
2.4.5 水蒸气（H2O） 
2.4.6 气溶胶 
2.5　大气中的能量动态 
2.6　可再生能源和气候变化 
2.6.1 太阳能 
2.6.2 风能 
2.6.3 水电能 
2.6.4 生物质能 
2.6.5 波浪能 
2.6.6 氢能 
2.7 能量的单位 
参考文献
第3章 太阳辐射确定性模型 
3.1 总述 
3.2 太阳 
3.3 电磁频谱 
3.4 地球的能量平衡 
3.5 地球运动 
3.6 太阳辐射 
3.7 太阳常数 
3.8 太阳辐射的计算 
3.9 太阳参数 
3.9.1 地球的偏心率 
3.9.2 太阳时 
3.9.3 一些有用的角度 
3.10 太阳几何学 
3.11 天顶角计算 
3.12 太阳能计算 
3.12.1 水平面上的日太阳能 
3.12.2 倾斜面上的太阳能 
3.12.3 日出时角和日落时角 
参考文献
第4章 线性太阳能模型 
4.1 概述 
4.2 太阳辐射和日光测量 
4.2.1 仪器误差和不确定性 
4.2.2 操作误差 
4.2.3 漫辐照数据测量误差 
4.3 模型的统计评价 
4.3.1 确定性系数（R2） 
4.3.2 相关系数（r） 
4.3.3 平均误差、平均绝对偏差、均方根误差 
4.3.4 离群分析 
4.4 线性模型 
4.5 迭代（SS）模型 
4.6 无限制模型（UM） 
4.7 主要元素分析（PCA）模型 
4.8 线性簇方法（LCM） 
参考文献
第5章 非线性太阳能模型 
5.1 概述 
5.2 经典非线性模型 
5.3 简单幂模型（SPM） 
5.4 不同模型的比较 
5.5 太阳辐照多边形模型（SIPM） 
5.6 三重太阳辐照模型（TSIM） 
5.7 三重干旱太阳辐射模型（TDSIM） 
5.8 模糊逻辑模型（FLM） 
5.8.1 模糊集与逻辑 
5.8.2 模糊算法在太阳辐射中的应用 
5.9 基因-模糊模型（GFM) 
5.10 按月主要成分模型(MPCM) 
5.11 抛物线按月辐射模型（PMIM） 
5.12 从周围的空气温度估算太阳辐射 
参考文献
第6章 空间太阳能模型 
6.1 概述 
6.2 空间差异性 
6.3 线性插值 
6.4 几何加权函数 
6.5 积累半方差（CSV）和加权函数 
6.6 区域估算 
6.6.1 交叉验证 
6.6.2 空间插值 
6.7 应用概述 
参考文献
第7章 太阳辐射利用设备和收集器 
7.1 概述 
7.2 可替代能源-太阳能 
7.3 热传递和热损耗 
7.3.1 热传导 
7.3.2 对流 
7.3.3　辐射 
7.4 收集器 
7.4.1 平板集热器 
7.4.2　跟踪集热器 
7.4.3 聚光集热器 
7.4.4　倾斜的集热器 
7.4.5 太阳池集热器 
7.4.6　光-视收集器 
7.5 光伏（PV）电池 
7.6 燃料电池 
7.7　氢储存和运输 
7.8 太阳能屋 
7.9　太阳能和海水淡化工厂 
7.10 展望未来 
参考文献 
附录A β分布的简单解释 
附录B 简单的幂模型

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前　　言

序几乎所有的人类活动都存在大量的化石燃料的开采，由此造成的大气和环境污染已经导致了一些不良现象，而这些现象是人类有史以来还未经历过的。它们各有不同，包括全球变暖、温室效应、气候变化、臭氧层空洞和酸雨。自1970年以来，通过实验和研究，人们已经科学地认识到这些现象与化石燃料的使用密切相关，因为它们会释放出如二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）这样的温室气体，这些气体会阻止地面放出的长波辐射到外太空，从而导致地球的对流层变得更热。为避免这些现象的进一步影响，有两个主要的备选方案，要么提高化石燃料的质量从而减少其对大气排放有害气体，要么尽可能用环保、清洁的可再生能源取代化石燃料的使用，这点比提高化石燃料的质量更为重要。在这些替代能源中，太阳能是位列榜首的，因为与其他的可再生能源（如风能、地热、水电能、生物质能、波浪能和潮汐能）相比，太阳能资源丰富且更为均衡地分布在自然界中。为子孙后代提供一个可持续发展的环境是全人类的共同目标。从长远来看，已知的化石燃料有限，这迫使全人类共同努力使其逐渐被可再生能源取代而不是提高化石能源的质量。太阳辐射通常是生成各种不同可再生能源不可或缺的一部分，但与其他构成部分相比，其特点在于它来自太阳的主要能源和持续性能源，而太阳是几乎取之不尽用之不竭的。可以预计，太阳能在未来将起到非常重要的作用，尤其是在发展中国家，并且在发达国家也极具潜力。书中所选取的资料是为了提供一种考虑全面的太阳能建模方法。为此，在文中特意加入了一些背景材料的说明，以便工程师和科学家们从中了解其有关应用及研究点。本书的第1章主要介绍在社会、经济和其他方面，能源与各种人类活动的关系。第2章介绍大气环境和可再生能源方面的内容。第3章介绍一些常用的天文变量、它们的定义及其在太阳辐射（能）估计计算中的应用。这些基本概念、定义及衍生的天文公式为任意给定地点的太阳能估算提供了基础。第4章先对经典线性模型的现代供选方案，提出了基本的假设。在对可用的经典非线性模型进行了大致回顾后，第5章还会介绍与之完全不同的极具创新性的非线性模型。为从日照时间数据对太阳辐射进行非线性建模，引入模糊逻辑和遗传算法。对任意太阳辐射观测点，如何建立和利用区域性模型是第6章讨论的重点。为了对太阳辐射进行空间估算，还会介绍几何函数、反距离、反距离平方、半方差及积累半方差方法的使用。最后，第7章对太阳能设备进行总结。本书介绍了低温和高温集热器方面的太阳能应用和未来的研究方向。本书还讨论了未来基于太阳能场地开发和采用多种途径（如光纤）远距离输送的光伏发电设备。与水结合生产氢气是太阳能在未来的另一个应用，由此电解产生的氢气将成为另一种清洁能源。该能源将被称做太阳氢能源。对于以后必须拓展的研究及可能得以推广的应用，本书做了足够的论证。本书提到了在将来要使用的新方法，最后，给出了对未来研究和应用的意见和建议，这些都附有相关的文献综述。感谢我的夫人Fatma＆#350;en，没有她的耐心支持与协助，我不会完成这些工作。＆#304;stanbul, ＆Ccedil;ubuklu2007年10月15日前言随着世界能源需求的高速增长，传统的化石能源日益紧缺，其带来的环境污染等问题也越来越严重，新能源和可再生能源的开发利用成为全球研究热点和解决能源危机的重要途径。太阳能作为最有前途的洁净能源，得到了全世界的普遍关注，近年来获得了飞速发展。随着国家对新能源和可再生能源的日益重视，国内掀起了新能源的研究热潮。越来越多的人希望加入太阳能利用行业，太阳能研究和开发利用队伍日益壮大，而利用太阳能的首要任务是去接触太阳能的基础知识、去了解太阳能、去理解如何对太阳辐射进行建模和估算，只有在此基础上才能更好地利用太阳能。本书由Springer出版社出版，系统全面地介绍了太阳能利用的重要意义、太阳能基础理论、建模技术和太阳能利用设备等，其中包括多种太阳能模型，在太阳能的估算和收集利用方面具有很好的参考价值。本书介绍细致全面，前沿性强，既详细介绍了先进的太阳能建模技术，又有许多内容具有较强的科普性，内容由浅入深，由简单到复杂，逻辑性强，既适合初接触太阳能技术的读者，又对太阳能研究人员有较强的参考价值。本书首先论述了能源对与人类活动相关的经济、社会等各方面的影响；接着对大气环境和可再生能源之间的必然联系进行了分析说明，对各种可再生能源的利用进行了概括，指出了可再生能源利用的重要性；然后介绍了基本天文变量的概念和基本天文公式的推导等太阳能估算中需要应用的基础知识；紧接着介绍了传统的线性太阳能模型；从其假设条件出发，论述了改进的非线性太阳能模型，在太阳辐射非线性建模中引入了模糊逻辑和遗传算法等智能算法；此外，本书说明了如何运用基因理论、反距离、反距离平方、半方差及积累半方差等方法对指定地区的太阳辐射进行空间上的估算；最后，本书就多种收集利用太阳能的方法和技术进行了归纳总结，并对以后的发展趋势进行了展望。对太阳能进行利用，就要了解太阳及太阳能规律。本书的重点在于对太阳能的基础理论、建模技术及太阳能利用设备进行探讨和总结。本书可谓进入太阳能利用行业和进行太阳能利用系统设计的必读书籍之一，但由于编译者能力所限，加上时间和精力有限，在编译过程中难免会有错误和遗漏之处，敬请读者批评指正。本书的编译获得了中山大学的大力支持，获得了中山大学太阳能系统研究所沈辉教授、邓幼俊副教授和洪瑞江教授等老师的指导和支持，中山大学太阳能系统研究所的多位研究生为此书的编译做出了重要贡献，在此一并表示感谢。编译者：付青 2012年11月于中山大学

序
几乎所有的人类活动都存在大量的化石燃料的开采，由此造成的大气和环境污染已经导致了一些不良现象，而这些现象是人类有史以来还未经历过的。它们各有不同，包括全球变暖、温室效应、气候变化、臭氧层空洞和酸雨。自1970年以来，通过实验和研究，人们已经科学地认识到这些现象与化石燃料的使用密切相关，因为它们会释放出如二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）这样的温室气体，这些气体会阻止地面放出的长波辐射到外太空，从而导致地球的对流层变得更热。为避免这些现象的进一步影响，有两个主要的备选方案，要么提高化石燃料的质量从而减少其对大气排放有害气体，要么尽可能用环保、清洁的可再生能源取代化石燃料的使用，这点比提高化石燃料的质量更为重要。在这些替代能源中，太阳能是位列榜首的，因为与其他的可再生能源（如风能、地热、水电能、生物质能、波浪能和潮汐能）相比，太阳能资源丰富且更为均衡地分布在自然界中。为子孙后代提供一个可持续发展的环境是全人类的共同目标。从长远来看，已知的化石燃料有限，这迫使全人类共同努力使其逐渐被可再生能源取代而不是提高化石能源的质量。
太阳辐射通常是生成各种不同可再生能源不可或缺的一部分，但与其他构成部分相比，其特点在于它来自太阳的主要能源和持续性能源，而太阳是几乎取之不尽用之不竭的。可以预计，太阳能在未来将起到非常重要的作用，尤其是在发展中国家，并且在发达国家也极具潜力。书中所选取的资料是为了提供一种考虑全面的太阳能建模方法。为此，在文中特意加入了一些背景材料的说明，以便工程师和科学家们从中了解其有关应用及研究点。
本书的第1章主要介绍在社会、经济和其他方面，能源与各种人类活动的关系。第2章介绍大气环境和可再生能源方面的内容。第3章介绍一些常用的天文变量、它们的定义及其在太阳辐射（能）估计计算中的应用。这些基本概念、定义及衍生的天文公式为任意给定地点的太阳能估算提供了基础。第4章先对经典线性模型的现代供选方案，提出了基本的假设。在对可用的经典非线性模型进行了大致回顾后，第5章还会介绍与之完全不同的极具创新性的非线性模型。为从日照时间数据对太阳辐射进行非线性建模，引入模糊逻辑和遗传算法。对任意太阳辐射观测点，如何建立和利用区域性模型是第6章讨论的重点。为了对太阳辐射进行空间估算，还会介绍几何函数、反距离、反距离平方、半方差及积累半方差方法的使用。最后，第7章对太阳能设备进行总结。
本书介绍了低温和高温集热器方面的太阳能应用和未来的研究方向。本书还讨论了未来基于太阳能场地开发和采用多种途径（如光纤）远距离输送的光伏发电设备。与水结合生产氢气是太阳能在未来的另一个应用，由此电解产生的氢气将成为另一种清洁能源。该能源将被称做太阳氢能源。对于以后必须拓展的研究及可能得以推广的应用，本书做了足够的论证。本书提到了在将来要使用的新方法，最后，给出了对未来研究和应用的意见和建议，这些都附有相关的文献综述。感谢我的夫人Fatma
＆#350;en，没有她的耐心支持与协助，我不会完成这些工作。 ＆#304;stanbul, ＆Ccedil;ubuklu
2007年10月15日 前 言
随着世界能源需求的高速增长，传统的化石能源日益紧缺，其带来的环境污染等问题也越来越严重，新能源和可再生能源的开发利用成为全球研究热点和解决能源危机的重要途径。太阳能作为最有前途的洁净能源，得到了全世界的普遍关注，近年来获得了飞速发展。随着国家对新能源和可再生能源的日益重视，国内掀起了新能源的研究热潮。越来越多的人希望加入太阳能利用行业，太阳能研究和开发利用队伍日益壮大，而利用太阳能的首要任务是去接触太阳能的基础知识、去了解太阳能、去理解如何对太阳辐射进行建模和估算，只有在此基础上才能更好地利用太阳能。
本书由Springer出版社出版，系统全面地介绍了太阳能利用的重要意义、太阳能基础理论、建模技术和太阳能利用设备等，其中包括多种太阳能模型，在太阳能的估算和收集利用方面具有很好的参考价值。本书介绍细致全面，前沿性强，既详细介绍了先进的太阳能建模技术，又有许多内容具有较强的科普性，内容由浅入深，由简单到复杂，逻辑性强，既适合初接触太阳能技术的读者，又对太阳能研究人员有较强的参考价值。
本书首先论述了能源对与人类活动相关的经济、社会等各方面的影响；接着对大气环境和可再生能源之间的必然联系进行了分析说明，对各种可再生能源的利用进行了概括，指出了可再生能源利用的重要性；然后介绍了基本天文变量的概念和基本天文公式的推导等太阳能估算中需要应用的基础知识；紧接着介绍了传统的线性太阳能模型；从其假设条件出发，论述了改进的非线性太阳能模型，在太阳辐射非线性建模中引入了模糊逻辑和遗传算法等智能算法；此外，本书说明了如何运用基因理论、反距离、反距离平方、半方差及积累半方差等方法对指定地区的太阳辐射进行空间上的估算；最后，本书就多种收集利用太阳能的方法和技术进行了归纳总结，并对以后的发展趋势进行了展望。
对太阳能进行利用，就要了解太阳及太阳能规律。本书的重点在于对太阳能的基础理论、建模技术及太阳能利用设备进行探讨和总结。本书可谓进入太阳能利用行业和进行太阳能利用系统设计的必读书籍之一，但由于编译者能力所限，加上时间和精力有限，在编译过程中难免会有错误和遗漏之处，敬请读者批评指正。
本书的编译获得了中山大学的大力支持，获得了中山大学太阳能系统研究所沈辉教授、邓幼俊副教授和洪瑞江教授等老师的指导和支持，中山大学太阳能系统研究所的多位研究生为此书的编译做出了重要贡献，在此一并表示感谢。
编译者：付 青 2012年11月于中山大学

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