Nonimaging Optics in Solar Energy (Synthesis Lectures on Energy and the Environment pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Morgan and Claypool Publishers

作者:Joseph J. O'Gallagher

出品人:

页数:132

译者:

出版时间:2008-09-12

价格:USD 40.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781598293302

丛书系列:

图书标签:

• Physics
• Engineering
• Nonimaging Optics
• Solar Energy
• Concentrators
• Optics
• Renewable Energy
• Energy
• Environment
• Optical Design
• Thermal Energy
• Light Harvesting

非成像光学在太阳能领域的应用 概述 太阳能，作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其利用效率的提升一直是科学界和工程界关注的焦点。在众多提升太阳能转换效率的技术中，非成像光学（Nonimaging Optics）扮演着至关重要的角色。它旨在将有限区域内的光能高效地收集并汇聚到另一个目标区域，而不必追求成像的精确性。这种独特的聚焦能力，使其在太阳能集热、光伏发电等领域展现出巨大的潜力。 本书深入探讨了非成像光学原理及其在太阳能技术中的具体应用。内容涵盖了基础理论、光学元件设计、系统集成、性能评估以及前沿研究方向。本书的目标读者包括光学工程师、能源科学家、材料研究人员以及对太阳能技术感兴趣的学生和专业人士。 内容详述 第一部分：非成像光学基础理论 本部分将建立起读者对非成像光学核心概念的全面理解。 基础光学原理回顾： 简要回顾几何光学基本定律，包括折射、反射、全内反射等，为后续的非成像光学设计奠定基础。 相空间与朗伯定律： 介绍相空间的概念，它提供了一种描述光线传播状态的有力工具。在此基础上，阐述朗伯定律（Lambert’s Cosine Law），它描述了理想漫射光源的发光特性，对设计收集和汇聚漫射光的设计至关重要。 亮温（Radiance）守恒： 这是非成像光学设计的核心原理之一。我们将详细讲解亮温守恒定律，即在无吸收、无散射的光学系统中，光线的亮温是守恒的。这意味着我们可以通过光学元件将光线从一个区域（如大面积的太阳光）高效地汇聚到另一个较小的区域，而不会因为光学元件的损耗而显著降低单位面积的光通量。 极端收敛（Extreme Concentration）： 探讨非成像光学系统能够达到的最大理论光汇聚比，以及影响这一极限的因素。理解这一极限对于评估和设计高效太阳能集热器至关重要。 阿贝成像方程（Abbe Sine Condition）与阿贝极限（Abbe Limit）： 虽然本书关注的是非成像光学，但理解成像光学中的阿贝成像方程和阿贝极限，有助于更深刻地理解非成像光学在克服成像限制方面所带来的优势。我们将讨论成像系统在衍射极限下达到高分辨率的限制，以及非成像光学如何绕过这些限制，专注于光能的收集与传递。 微积分光学（Calculus of Variations in Optics）： 介绍如何利用微积分变分法来推导最优非成像光学元件的设计方程，例如确定能够最大化收集效率的光学表面形状。 第二部分：经典非成像光学元件设计 本部分将聚焦于几种最常用且高效的非成像光学元件及其在太阳能领域的应用。 抛物面反射器（Parabolic Trough Collectors）： 详细讲解抛物面反射器的工作原理，如何将来自太阳的平行光线聚焦到位于焦线上的接收器。我们将讨论其几何设计参数，如焦点位置、开口宽度，以及如何通过调整角度跟踪太阳来最大化能量捕获。 全反射聚焦器（Compound Parabolic Concentrators, CPCs）： CPCs 是非成像光学领域的一项重要发明。我们将深入分析其设计原理，特别是如何利用全反射将不同角度的光线汇聚到接收器。重点介绍CPC的“收敛”与“发散”能力，以及其在恒定光汇聚比设计中的优越性。 非成像二次聚光器（Nonimaging Secondary Concentrators）： 介绍二次聚光器在一次聚光器（如抛物面碟式或CPC）后的作用，其目的是进一步减小接收器的尺寸，降低热损失，并提高整体系统效率。探讨几种常见的二次聚光器设计，如锥形、棱柱形或更复杂的三维结构。 朗伯体反射镜（Lambertian Reflectors）与漫射体（Diffusers）： 讨论这些材料在非成像光学中的应用，它们能够均匀地反射或散射光线，常用于提升光线的收集均匀性或在特定区域内实现均匀照度。 棱镜型聚光器（Prismatic Concentrators）： 分析棱镜型聚光器的工作原理，利用折射和反射将太阳光导向接收器。重点介绍其在窗户集成、建筑立面应用中的优势。 第三部分：先进非成像光学技术与系统集成 本部分将探讨更复杂和创新的非成像光学技术，以及如何将这些光学元件集成到实际的太阳能系统中。 全息与衍射光学元件（Holographic and Diffractive Optical Elements）： 介绍全息和衍射光学元件在太阳能聚光中的潜力。与传统的几何光学元件相比，它们能够利用衍射效应实现更精细的光束控制，可能用于实现更高效率的光谱分离或更紧凑的系统设计。 微纳尺度非成像光学（Micro- and Nano-scale Nonimaging Optics）： 探讨微纳尺度非成像光学在太阳能领域的应用，例如用于增强太阳能电池的光吸收，或者设计微型太阳能聚光器。 与光伏技术的集成： 详细分析非成像光学如何与太阳能光伏电池协同工作。例如，使用CPC或二次聚光器减小昂贵的半导体材料的使用量，同时通过提高光照强度来提升光伏电池的输出功率。讨论光伏电池的尺寸、形状与聚光器设计的匹配问题。 与太阳能热利用技术的集成： 深入探讨非成像光学在太阳能集热器中的应用，包括： 平板集热器（Flat-Plate Collectors）的改进： 如何通过引入非成像光学元件来提高平板集热器的集热效率，尤其是在散射光条件下的表现。 真空管集热器（Evacuated Tube Collectors）的优化： 分析非成像光学如何与真空管集热器结合，进一步减少热损失，提高在较低太阳辐照度下的性能。 聚光太阳能热发电（Concentrated Solar Power, CSP）系统： 探讨非成像光学在槽式、碟式和塔式CSP系统中的应用，重点关注其在提高聚光比、降低接收器温度和减少传热损失方面的作用。 系统效率分析与优化： 介绍评估非成像太阳能系统性能的常用指标，如光学效率、热效率、光电转换效率等。讲解如何通过仿真和实验手段对系统进行优化，以达到最佳的能量输出。 材料选择与可靠性： 讨论用于制造非成像光学元件的材料选择，包括反射材料（如抛光铝、银膜）、透射材料（如玻璃、丙烯酸）以及耐高温、抗紫外线和耐腐蚀的要求。重点关注材料的长期稳定性和在户外环境下的可靠性。 第四部分：前沿研究与未来展望 本部分将关注非成像光学在太阳能领域的最新研究进展和未来的发展趋势。 智能非成像光学系统： 探讨主动控制的非成像光学系统，例如利用可动部件或可变折射率材料来实时调整光路，以适应不断变化的太阳位置和天气条件。 光谱选择性聚光： 研究如何利用非成像光学元件实现对太阳光谱的选择性聚光，将不同波段的光分配给适合的光伏电池或热吸收材料，从而提高整体能量利用效率。 集成的光伏-热电（PV-T）系统： 介绍非成像光学如何促进光伏-热电联产系统的发展，即同时产生电能和热能，提高能量的综合利用率。 面向低照度环境的应用： 探讨非成像光学在提高太阳能在阴天、多云或高纬度地区等低照度条件下的能量捕获能力方面的潜力。 与储能技术的结合： 分析非成像光学在提升太阳能输出稳定性、支持与储能技术（如电池储能、相变材料储能）结合方面的作用。 经济性与大规模应用： 讨论降低非成像光学元件制造成本、简化系统集成、以及推动非成像太阳能技术大规模商业化应用的关键挑战与机遇。 结论 本书系统地梳理了非成像光学在太阳能领域的核心原理、关键技术和实际应用。通过深入的理论分析和丰富的案例研究，本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解非成像光学如何成为提升太阳能利用效率的重要驱动力。随着技术的不断发展，非成像光学必将在未来的绿色能源革命中发挥越来越突出的作用。

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这本书的排版和插图质量，无疑是同类专业书籍中的翘楚。我发现很多关于反射镜和透镜阵列的示意图，其清晰度和信息密度都达到了极高的水准。很多公式旁边的注释，用非常简洁的语言解释了变量的物理意义，这对于我这种需要时不时停下来回溯概念的读者来说，是莫大的帮助。更让我惊喜的是，它似乎还涉及了一些新兴的材料科学在光学应用中的前沿进展，虽然我还不确定是否完全理解了那些复合材料的内部结构，但仅仅是了解这些前沿动态，就已经让我对太阳能技术的发展方向有了更广阔的视野。这本书的价值，不仅仅在于教授“如何做”，更在于引导思考“为什么是这样”。它迫使读者去质疑那些行业标准，去探究是否存在更优化的解决方案，这种批判性的思维训练，远比单纯的知识灌输要宝贵得多。

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当我真正开始阅读这本书的序言时，我立刻被作者的叙事节奏所吸引。他没有直接抛出那些令人望而生畏的数学模型，而是用一种近乎哲学的口吻，探讨了人类如何从古老的镜子和透镜中汲取智慧，并将其应用于现代能源获取的宏伟目标。这种从历史到未来的跨越式叙事，极大地降低了初学者的门槛，让人感觉自己不是在啃一本教科书，而是在跟随一位经验丰富的导师进行一场思想漫步。特别是一些关于集光器效率的章节，作者似乎有一种魔力，能将原本枯燥的几何光学和热力学原理，转化成一系列生动有趣的案例分析。我尤其欣赏他对“光陷阱”和“均匀照明”的精妙阐述，那种对光能流动的细致入微的把握，简直令人叹为观止。这本书的行文风格非常注重逻辑的连贯性，每一个论点都建立在前一个论点的坚实基础之上，使得整个阅读过程如同一条蜿蜒但清晰可见的河流，最终汇入知识的海洋。

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坦率地说，这本书的某些章节，比如关于非成像系统的设计优化和公差分析部分，确实需要读者具备扎实的数学基础和一定的工程直觉。我花了相当长的时间去消化那些涉及到偏微分方程和复杂积分的部分，感觉自己的大脑仿佛经历了一次高强度的“智力体操”。然而，正是这种难度，凸显了它的价值所在——它并非是一本浮于表面的科普读物，而是一部真正面向专业研究人员和高阶学生的深度参考手册。当我最终攻克了一个复杂的推导过程后，那种豁然开朗的成就感是无与伦比的。作者似乎深知读者的困境，在关键的转折点，他会适当地插入一些历史性的脚注，介绍某个理论的提出背景，这仿佛是黑暗中点亮的一盏小灯，为艰涩的理论提供了一个人文的锚点。这本书的深度和广度，足以支撑起一个小型研究课题的理论框架。

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总的来说，这本专著带给我的体验是震撼且充实的。它成功地在严格的科学论证和对实际工程应用的展望之间找到了一个完美的平衡点。从我个人的角度来看，这本书极大地拓宽了我对“光”的理解边界。我以前总是将光学视为一门成熟的、定型的学科，但这本书让我意识到，在如何高效利用太阳能这一宏大目标面前，光学设计仍然充满了未被发掘的潜力。它没有提供即插即用的解决方案，而是提供了一套解决问题的思维工具和理论框架，这才是真正有生命力的知识。那些关于新型聚光器几何形状的探讨，以及对不同环境因素下光学性能衰减的建模分析，都显示出作者对该领域细致入微的洞察力。对于任何希望在太阳能技术领域进行深入研究或工程开发的人来说，这本书无疑是一份不可多得的宝贵财富，它的分量和厚度，都与其所承载的知识的密度相匹配。

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这本书的封面设计简直是艺术品，那种深邃的蓝色和金色的线条交织在一起，让人一眼就能感受到其中蕴含的科技感和专业性。我是在书店里无意间翻到的，最初的印象是它一定是一本非常硬核的物理学著作。那些复杂的公式和图表，即便是只瞥了一眼，也让人感受到作者在光学领域的深厚功底。虽然我对太阳能的了解仅限于日常接触到的光伏板，但这本书似乎在探索一个更深层次的领域——非成像光学。这听起来就充满了挑战性，仿佛在揭示我们日常生活中习以为常的阳光背后隐藏的秘密。它不像那些畅销书那样用通俗易懂的语言来吸引眼球，而是用一种严谨、甚至有些古典的学术腔调，来构建一个完整的知识体系。我期待这本书能带领我进入一个全新的光学世界，去理解光线是如何被精确地引导和聚焦，而不是仅仅被简单地反射或吸收。那种对知识的纯粹追求和对细节的极致打磨，从这本书的装帧和排版中就能窥见一斑，让人对其中内容的深度充满了敬畏。

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從這個開始挺好的

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