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可再生能源是指清洁、绿色、低碳且可以重复利用的能源。本书结合新能源交叉学科的内容，系统地阐述了可再生能源利用技术的相关知识，并融入了思政元素，兼具航空、航天特色。全书共6章，第 1 章主要介绍人类利用能源的历史及可再生能源的概念、各种形式；第2章主要介绍光伏和光热利用技术的原理和分类，并给出了具体的实例；第3章主要介绍生物质能的利用方法及生物质能的利用现状；第4章主要介绍风能与水力发电的基本原理，重点介绍风能、潮汐能、抽水蓄能和波浪能发电的应用；第5章主要介绍地热技术的原理，重点介绍地热资源和地热能的开发应用；第6章主要介绍氢的制备、储存、应用，以及燃料电池的分类和应用原理。本书可作为高等院校能源及动力工程专业、工程热物理专业的高年级本科生和研究生的教材，也可作为科研、工程技术人员的参考书。

目    录
第1章  绪论	1
1.1  人类利用能源的历史	1
1.2  可再生能源的发展背景与概念	2
1.2.1  可再生能源的发展背景	2
1.2.2  可再生能源的概念	4
1.3  能量的基本形式	5
1.3.1  动能	5
1.3.2  势能	6
1.3.3  电能	6
1.3.4  核能	7
1.3.5  热能	7
1.3.6  光能	8
1.3.7  化学能	8
1.4  可再生能源的各种形式	9
1.4.1  太阳能	9
1.4.2  水能	13
1.4.3  风能	15
1.4.4  波浪能	16
1.4.5  生物质能	16
1.4.6  潮汐能	16
1.4.7  地热能	16
1.5  可再生能源与能源可持续性	18
1.5.1  能源可持续性的解释、定义和需求	19
1.5.2  提高能源可持续性的措施	22
1.5.3  实例：净零能耗建筑	23
1.6  我国能源发展现状与发展目标	24
1.6.1  发展现状	24
1.6.2  发展目标	25
第2章  光伏与光热利用技术	26
2.1  太阳与太阳能	26
2.1.1  太阳结构和运动规律	26
2.1.2  到达地面的太阳能	27
2.1.3  全球和我国的太阳能资源	27
2.2  光伏、光热的发展背景	28
2.2.1  光伏发电面临的问题	28
2.2.2  光伏发电的前景	29
2.2.3  光热发电面临的问题	31
2.2.4  光热发电的前景	31
2.3  光伏发电技术	32
2.3.1  光伏发电的概念	32
2.3.2  光伏发电的分类	33
2.4  光伏发电原理与系统	33
2.4.1  光伏发电技术的背景知识	34
2.4.2  光伏电池特性	39
2.4.3  光伏发电系统	43
2.5  光热利用技术与分类	46
2.5.1  太阳房	47
2.5.2  太阳灶	54
2.5.3  太阳能吸收式制冷	62
2.5.4  太阳能集热器	63
2.6  光热发电技术原理与相关分析	66
2.6.1  塔式光热发电系统理论分析	69
2.6.2  光热发电技术4E分析	71
2.7  光伏光热实例	74
2.7.1  光伏实例	74
2.7.2  光热实例	77
2.7.3  光伏光热组合实例	79
2.7.4  光热发电与光伏发电的区别	80
2.8  光热发电技术的最新进展及未来方向	80
2.8.1  在太阳能集热器上的改进	80
2.8.2  在传热流体上的改进	81
2.8.3  光伏发电未来发展方向	82
第3章  生物质	83
3.1  生物质简介	83
3.2  生物质能的形成、来源与利用转化	83
3.2.1  生物质能的形成	83
3.2.2  生物质能的来源	85
3.2.3  生物质能的利用转化	86
3.3  直接燃烧	88
3.3.1  生物质燃料的特性	88
3.3.2  生物质燃料的燃烧过程	88
3.3.3  生物质直接燃烧利用形式	89
3.4  压缩成型	91
3.4.1  生物质压缩成型燃料的构成	91
3.4.2  压缩成型原理	92
3.4.3  压缩成型工艺	92
3.4.4  压缩成型工艺流程	94
3.5  气化	96
3.5.1  气化原理	96
3.5.2  气化原料及应用	96
3.5.3  气化中的热化学反应	97
3.5.4  气化设备	99
3.5.5  生物质气化技术面临的问题及展望	100
3.6  热裂解	100
3.6.1  热裂解工艺	100
3.6.2  热裂解的基本过程	101
3.6.3  生物质油的性质	101
3.7  化学转化	102
3.7.1  生物柴油	102
3.7.2  生物柴油的来源	103
3.7.3  生物柴油的反应过程	103
3.7.4  生物柴油的优点	104
3.8  生物转化	104
3.8.1  厌氧消化	104
3.8.2  发酵	106
3.8.3  沼气	107
3.8.4  生物醇	110
3.8.5  生物转化法的应用	114
3.9  生物质能的利用现状	117
3.9.1  主要障碍和挑战	117
3.9.2  生物质能与环境	118
3.9.3  生物质能的未来	120
第4章  风能与水力发电	123
4.1  风的形成及风能的利用	123
4.1.1  风的形成	123
4.1.2  风能的利用	125
4.2  风能资源的分布	128
4.2.1  全球的风能资源及分布	128
4.2.2  我国的风能资源及其划分	128
4.3  风能的计算	129
4.3.1  风能公式	129
4.3.2  风力机理想能量输出公式	130
4.4  风力机的介绍	132
4.4.1  风力机的类型和基本结构	132
4.4.2  风力发电机的输出功率	134
4.5  世界风电发展与环境影响	135
4.5.1  世界风电发展概况	135
4.5.2  我国的风能利用与存在的问题	136
4.5.3  风电的环境影响及展望	137
4.6  水力发电	138
4.6.1  水力发电基本原理	138
4.6.2  小型水电站类型	139
4.6.3  我国水电工程—白鹤滩水电站	141
4.7  水轮机的工作参数及类型	142
4.7.1  水轮机的工作参数	142
4.7.2  水轮机的类型	143
4.8  潮汐发电技术	145
4.8.1  潮汐发电的基本原理	145
4.8.2  我国潮汐能的开发利用概况	145
4.9  抽水蓄能电站	146
4.9.1  抽水蓄能电站的工作原理、类型及特点	147
4.9.2  全球抽水蓄能的发展概况	148
4.10  波浪能发电	150
4.10.1  波浪能资源	150
4.10.2  波浪能转换技术	151
4.10.3  各国的波浪能研发活动	153
4.10.4  波浪能发电的经济性、环境影响和技术展望	155
第5章  地热能	157
5.1  地热能概述	157
5.2  地球内部构造	157
5.3  地热传递方式	158
5.4  地热资源	160
5.4.1  地热资源的分类及特性	160
5.4.2  地热资源的研究状况	164
5.4.3  地热资源的评估方法	165
5.4.4  地热资源的开采技术	165
5.4.5  地热资源的生成与分布	166
5.4.6  我国地热资源	167
5.5  地热能的利用	169
5.5.1  地热流体的物理和化学性质	169
5.5.2  地热能的利用概况	169
5.5.3  我国地热电站应用实例	179
5.6  地热能的前景	181
第6章  氢和燃料电池	183
6.1  氢能	183
6.2  氢的制备	185
6.2.1  热化学制氢	185
6.2.2  电解制氢	188
6.2.3  生物制氢	189
6.2.4  微生物电解池制氢	190
6.3  氢的储存	191
6.3.1  高压气态储氢	191
6.3.2  液态储氢	192
6.3.3  固态储氢	192
6.4  燃料电池概述	193
6.4.1  燃料电池的构成与原理	193
6.4.2  常见的燃料电池	194
6.4.3  燃料电池的反应与能量	196
6.4.4  我国燃料电池事业的发展—衣宝廉院士五十载的坚守与创新	197
6.5  燃料电池的类型	199
6.5.1  AFC	200
6.5.2  MCFC	200
6.5.3  PAFC	201
6.5.4  SOFC	202
6.5.5  PEMFC	203
6.5.6  各类燃料电池的运行特性	204
6.6  燃料电池中电解质的类型	206
6.6.1  碱性电解质燃料电池	206
6.6.2  酸性电解质燃料电池	207
6.7  微生物燃料电池	207
6.7.1  微生物燃料电池的历史和演变	208
6.7.2  微生物燃料电池的原理	208
6.7.3  微生物燃料电池的优点与应用	209
参考文献	211

前    言
目前，我们主要使用的能源是石油、天然气和煤炭等化石能源，这些化石能源的过度使用给地球带来了温室效应、大气污染等一系列问题，并且它们都是不可再生能源，随着消耗速度的增加，能源枯竭不可避免。为了摆脱在能源布局中极度依赖化石能源的情况，人们将目光投向了清洁的可再生能源。可再生能源指绿色低碳、取之不尽、用之不竭的能源，如风能、太阳能、生物质能和地热能等。这些能源对改善能源结构、保护生态环境、应对气候变化并实现经济社会可持续发展具有重要意义。
自21世纪以来，世界能源结构正从以化石能源为主转向以可再生能源为主，能源的开发利用进入了一个新的时期。我国提出了“碳达峰”“碳中和”目标，光伏与光热利用技术、生物质能利用技术、燃料电池等先进的可再生能源利用技术在航空航天领域有着广阔的应用前景，可再生能源利用技术的发展得到了极大重视。基于时代趋势和实际需要，编者编写了本书，在光伏与光热利用技术、生物质、风能与水力发电、氢和燃料电池等章节中适当融入航空航天特色内容，涉及新能源交叉学科领域，北京空间飞行器总体设计部的正高级工程师王录作为副主编，为本书的编写提供了有力的指导。此外，书中适当穿插了白鹤滩水电站、我国首个单体百万千瓦级陆上风电基地等大工程实例，以及弘扬“衣宝廉院士五十载的坚守与创新”等科学家精神。
本书系统阐述了可再生能源利用技术的原理、应用和进展，在内容上兼顾工程性和科普性，并介绍了可再生能源在航空航天领域的应用。全书共6章，第1章主要介绍人类利用可再生能源的历史及可再生能源的概念；第2章主要介绍光伏和光热利用技术的原理和分类，并给出了具体的实例；第3章主要介绍生物质能的利用方法及生物质能的利用现状；第4章主要介绍风能与水力发电的基本原理，重点介绍风能、潮汐能、抽水蓄能和波浪能发电的应用；第5章主要介绍地热技术的原理，重点介绍地热资源和地热能的开发应用；第6章主要介绍氢的制备、储存、应用，以及燃料电池的分类和应用原理。
在本书的编写过程中，南京航空航天大学能源与动力学院的研究生杨沁山、魏剑、闫晓蝶和赵小龙等协助完成了部分章节的绘图和整理工作，在此表示衷心的感谢！
受编者水平和专业领域限制，书中疏漏和不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

鹿  鹏

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可再生能源利用技术与工程实例