能量转换与存储原理

《能量转化与存储原理》是教育部高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，同时也是战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系建设团队项目的核心教材之一。书中针对新能源相关专业学科交叉性强的特点，对能量转化和能量存储的物理基础进行了梳理和凝练；结合新能源领域的前沿进展，全面深入地阐述了光能转化原理与过程、热能转化原理与过程、化学能转化原理与过程、化学储能原理、物理储能原理以及其他能量转化及存储原理，介绍了相关过程中用到的关键材料和工艺技术。鉴于能量转化与存储过程中能源管理的重要性，教材涵盖了能源系统能量管理原理与技术方面的知识。 本书是高等院校新能源材料与器件、新能源科学与工程、储能科学与工程等新能源相关专业本科生、研究生的教材或参考书；同时，也可以作为光伏器件、储能器件、能源管理等相关技术领域从业人员的参考书。

李美成，华北电力大学教授，教育部长江特聘教授、国家科技部创新领军人才，教育部教指委委员，教育部科技委委员、享受国务院政府特殊津贴。新能源学院院长，国家重大科技基础设施办公室常务副主任，新能源材料与器件技术研究中心主任，国家一*流专业“双万专业”负责人。曾于2004-2006年期间在英国剑桥大学进行访问研究。入选教育部“新世纪优秀人才”、北京市“百名科技领军”人才、科技部创新人才推进计划“科技创新人才”。 主要从事新能源与储能工程的教学科研工作。主持国家自然科学基金重大研究计划、重点项目、“863”计划、国家重点研发计划课题等项目，以独立通讯作者在Nature Energy、Joule、Progress in Materials Science、Advanced Materials等期刊发表论文300余篇；获中国和美国专利授权60项，中英文编著8本。第*一完成人获黑龙江省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、国家教学成果二等奖、北京市教学成果一等奖等科研和教学奖励10余项，获“电力科技创新奖”特等奖、中国可再生能源学会技术发明一等奖。入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶*尖科学家榜单，获国际先进材料协会2021年奖章（IAAM Medal）。 担任国家科技奖会评专家、基金委会评专家、科技部重点研发计划会评专家等。多次作为大会主席、副主席组织国内外学术会议等。担任IEEE PES储能材料与器件技术分委会主席，中国可再生能源学会常务理事、光伏专委会副主任，中国能源研究会智慧能源与零碳化专委会副主任，中国高科技产业化研究会新能源与碳中和专委会主任等。《IET Renewable Power Generation》、《CSEE Journal of Power and Energy Systems》、《Carbon Energy》、《Energy Materials》、《Journal of Materiomics》、《中国电力》、《储能科学与技术》、《新能源进展》期刊编委。

第1章绪论 1.1能源的分类与特征 001 1.1.1光能 002 1.1.2机械能 003 1.1.3热能 005 1.1.4生物质能 005 1.1.5核能 007 1.2新能源利用发展现状及趋势 007 1.2.1光能利用发展现状及趋势 008 1.2.2机械能利用发展现状及趋势 010 1.2.3热能利用发展现状及趋势 012 1.2.4化学能-电能转化与存储技术发展现状及趋势 013 1.2.5生物质能利用发展现状及趋势 014 1.2.6核能利用发展现状及趋势 015 思考题 016 参考文献 016 第2章能量转化的物理基础 2.1能量的分类 018 2.1.1能量的性质分类 018 2.1.2能量的形式分类 022 2.1.3能量的品位 039 2.2能量转化的基本定律 040 2.3能量转化的固体基础 041 2.3.1固体中的能量概念 041 2.3.2能带理论和半导体 043 2.3.3半导体电子论 046 2.4能量转化的热电基础 059 2.4.1热电效应 059 2.4.2汤姆逊效应 061 2.4.3热能-电能的相互转化过程 061 2.5能量转化的热力学基础 062 2.5.1工质及其状态参数 062 2.5.2系统与环境 063 2.5.3热力学状态 063 2.5.4过程与途径 064 2.5.5热量与功 065 2.5.6热力学定律 066 2.5.7传热学 069 2.6能量转化的物化基础 071 2.6.1热力学势 072 2.6.2化学能-热能转化的热化学 073 2.6.3化学能-电能转化的电化学 077 2.7能量转化的电磁基础 079 2.7.1麦克斯韦方程组 080 2.7.2库仑定律和洛伦兹定律 081 2.7.3电能的传输 081 思考题 088 参考文献 088 第3章光能转化原理与过程 3.1光能与电能转化 090 3.1.1光伏效应与效率极限 090 3.1.2半导体结和p-n结 096 3.1.3太阳电池工作过程 100 3.1.4半导体输运方程组 106 3.1.5半导体输运方程组的求解 108 3.1.6太阳电池的主要参数 121 3.1.7影响太阳电池伏安特性的因素 124 3.1.8太阳电池标准测试条件 126 3.1.9太阳电池材料与技术简介 127 3.2光能与热能转化 134 3.2.1光热转化过程 134 3.2.2光热转化材料 136 3.2.3光热转化利用技术 138 3.3光能与生物质能转化 146 3.3.1自然光合作用的基本原理 146 3.3.2自然光合作用的主要方式 148 3.3.3生物质光合作用制氢 150 3.4光能与化学能转化 151 3.4.1人工光合作用的基本原理 151 3.4.2人工光合作用的主要反应途径 152 3.4.3人工光合作用的评价方法 155 3.4.4聚光太阳能化学转化利用 156 思考题 159 课后习题 159 参考文献 160 第4章热能转化原理与过程 4.1动力循环理论 162 4.1.1循环的概念 162 4.1.2卡诺循环与卡诺定理 163 4.2热能与电能转化 166 4.2.1蒸汽动力循环 166 4.2.2燃气动力循环 175 4.2.3发电厂概述 177 4.2.4新型热工过程热电转化 181 4.2.5非热工过程热电转化 186 4.2.6热能与电能转化的效率与应用 193 4.3热能的梯级利用 194 4.3.1梯级利用理论概述 194 4.3.2梯级利用的主要应用 195 4.3.3低温热能的品位提升 200 思考题 201 课后习题 201 参考文献 202 第5章化学能转化原理与过程 5.1化学能与电能转化 204 5.1.1氢能简介 204 5.1.2氢能转化为电能的方式 205 5.1.3燃料电池 205 5.2化学能与热能转化 213 5.2.1燃烧反应 213 5.2.2铝热反应 218 5.3生物质能与电能转化 218 5.3.1生物质直接燃烧发电 219 5.3.2生物质气化发电 221 5.3.3沼气发电 222 5.3.4生活垃圾焚烧发电 224 5.3.5混合燃烧发电 225 5.4生物质燃料转化 226 5.4.1生物质气化技术 226 5.4.2生物质热解技术 228 5.4.3生物质固化技术 232 思考题 234 课后习题 235 参考文献 235 第6章化学储能原理 6.1传统蓄电池工作原理 238 6.1.1铅酸电池 238 6.1.2镍镉电池 240 6.1.3镍氢电池 242 6.1.4镍铁电池 245 6.1.5镍锌电池 246 6.2锂离子电池工作原理 247 6.2.1锂元素的基本理化特性 247 6.2.2锂离子电池发展历史 248 6.2.3锂离子电池结构及基本原理 248 6.2.4锂离子电池主要性能参数 252 6.2.5锂离子电池材料 253 6.2.6锂离子电池应用与展望 258 6.3金属-空气电池工作原理 258 6.3.1空气电极 258 6.3.2空气电极催化剂 259 6.3.3锌空气电池 260 6.3.4铝空气电池 261 6.3.5铁空气电池 263 6.3.6镁空气电池 264 6.3.7锂空气电池 265 6.3.8充电的金属空气电池 265 6.4其他化学电池工作原理 269 6.4.1液流电池 269 6.4.2钠硫电池 271 6.4.3金属钠-氯化物电池 273 6.5超级电容器储能原理 275 6.5.1超级电容器概述 275 6.5.2超级电容器与电池的比较 276 6.5.3赝电容模型及其原理 277 6.5.4制备与评价方法 277 6.6氢能储能 279 6.6.1金属储氢材料 280 6.6.2碳质储氢材料 282 6.6.3无机化合物储氢材料 283 6.6.4有机液体储氢材料 284 思考题 285 课后习题 285 参考文献 286 第7章物理储能原理 7.1电磁能存储原理 287 7.1.1电磁能概述 287 7.1.2磁能和磁共能 288 7.1.3超导电磁储能 290 7.1.4电容储能 305 7.2热能存储原理 305 7.2.1储热原理与技术 305 7.2.2典型储热技术 310 7.3抽水蓄能 319 7.3.1抽水蓄能概述 319 7.3.2抽水蓄能系统基本原理 320 7.3.3抽水蓄能系统的性能指标 320 7.3.4抽水蓄能技术 322 7.4压缩空气储能 323 7.4.1压缩空气储能概述 323 7.4.2压缩空气储能基本原理 324 7.4.3压缩空气储能系统的性能指标 325 7.4.4压缩空气储能技术 326 7.5飞轮储能 328 7.5.1飞轮储能概述 328 7.5.2飞轮储能基本原理 328 7.5.3飞轮储能系统的性能指标 330 7.5.4飞轮储能技术 331 思考题 334 课后习题 334 参考文献 335 第8章其他能量转化及存储原理 8.1机械能与电能转化 337 8.1.1压电能量转化原理 337 8.1.2压电材料 341 8.1.3压电能量转化进展 343 8.2电磁能与机械能转化 345 8.2.1磁能与机械能转化 345 8.2.2电磁能与机械能转化概述 347 8.2.3单边激励机电装置 348 8.3核能与电能转化 352 8.3.1核能与电能转化原理 352 8.3.2核电站原理 356 8.4其他能量间接转化过程 360 8.4.1风能与电能的转化 360 8.4.2海洋能与电能的转化 362 8.5混合能量存储原理 365 8.5.1混合储能的提出 365 8.5.2混合储能系统 367 思考题 369 课后习题 370 参考文献 370 第9章能源系统能量管理原理与技术 9.1能源系统能量管理原理 372 9.1.1能源系统与能量管理 372 9.1.2能源系统能量管理方式 374 9.1.3能源系统的能量信息管控 380 9.2电力系统能量管理的原理与技术 384 9.2.1电力系统与能量管理 384 9.2.2新型电力系统能量管理技术 388 9.2.3电力系统能量管理安全 394 9.3综合能源系统中的能量控制技术 400 9.3.1综合能源系统概述 401 9.3.2综合能源系统规划与评估方法 404 9.3.3综合能源系统优化运行技术 413 9.3.4智慧能源的能量控制 417 思考题 421 课后习题 422 参考文献 422 第10章新型能量转化与存储技术 10.1新型能量转化技术 425 10.1.1钙钛矿太阳电池技术 425 10.1.2纳米体系的能量转化技术 432 10.1.3光帆技术 440 10.1.4基于石墨烯等碳基材料的水力生电材料与器件 441 10.2新型能量存储技术 443 10.2.1各种新型电池 444 10.2.2光储一体 449 思考题 452 参考文献 453 思考题及课后习题答案（二维码）