能源科学

自给能量系统指的是在无外接电源情况下，依靠自身获取的外界能量可以正常运行的系统，通常包括传感器或执行器、能量收集和转换器件、信息存储与处理以及无线通讯单元。自给能量微纳系统是指可以自己供给能量的微纳系统。美国伯克利大学研究的著名的“智能尘埃”就是其中的一个典范。随着微电子技术迅速发展，各种芯片的功耗不断降低，能量收集、转换和存储技术的不断提高，使得自给能量微纳系统的实现变成可能。

本书介绍了自给能量微纳系统面临的挑战和最新的技术，前三章主要引入自给能量系统的应用前景，为引入后续的技术章节做了很好的铺垫，技术章节几乎涵盖了所有与自主系统相关的内容，并且讲述了与电子学相关的物理、材料和技术，共包括１３章：引言，介绍自给能量微纳系统和本书的内容框架；１．建筑物控制核心的传感器，主要讲述了建筑物控制中传感器类别和新需求，并介绍了应用案例；２．面向自给能量医学植入器件，主要讲述了自给能量医学植入器件现在以及潜在的应用；３．航天领域中的自给能量系统，主要说明了航天领域中自给能量系统的特征，并从无线系统和生存系统方面进行分析；４．基于光伏效应能量收集，主要讲述了基于光伏效应的能量收集技术—光伏电池；５．机械能量收集，讲述了机械能量收集的能源来源以及各种原理，并对机械能量收集的未来进行展望；６．热能收集，讲述了热能收集原理、发展趋势以及实现限制和优化；７．锂微电池，锂微电池发展现状以及小型化的发展趋势，并讲述了锂微电池在自主系统中的应用；８．超低功耗传感器，讲述了电路一些基本概念，详述了电容传感器检测电路最新进展，讨论了电阻传感器超低功耗检测的实现方法；９．自主系统的超低功耗信号处理，讲述了自主系统的超低功耗信号处理方法，处理器的构架和性能，以及长期休眠自主系统的基本挑战；１０．超低功耗射频通讯及协议，讲述了超低功耗射频通讯及相关通讯协议，并对目前处于研究阶段的解决方案进行分析；１１．自主微系统中的能量管理，讲述了自主微系统中能量管理的实现方法，并讨论了能量优化管理技术；１２．传感器网络能量效率优化，从软硬件两个方面讲述传感器网络中能量效率优化的实现方法。

本书详细综述了自给能量微纳系统领域中的基本原理和最新进展，深入研究了自给能量微纳系统在航空健康和使用监测、医疗植入器件以及家庭自动化中的应用，介绍了光伏、热和机械能量收集与存储技术的发展现状以及最新成果；综述了超低功耗传感器接口，数字信号处理和无线通信的最新研究状况，并讨论了传感器节点和传感器网络层次上的能源优化技术，适合从事自给能量微纳系统研究的研究生、研究人员以及专业人士阅读使用。

作者Ｍａｒｃ Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ教授于１９８０年获得格勒诺布尔国立理工学院博士学位，１９８５年加入ＣＥＡ-ＬＥＴＩ，现在是微纳米技术创新中心（ＭＩＮＡＴＥＣ）的体系结构、ＩＣ设计和嵌入式软件事业部的研究总监和首席科学家，研究兴趣集中在设计和先进技术（例如ＳＯＩ、异构或３Ｄ设计）之间的相互作用，是ＣＡＲＴＥＮＥ科学委员会两个工作组：“能量自治系统：设备、技术和系统未来发展趋势”和“面向超越２０１５：技术、设备、电路和系统”的活跃成员。

本书介绍了太阳能转换成电能的概况，深入论述了光伏电池的原理和制造方法，综述了绿色能源技术：如太阳能热蒸汽动力，“人造树叶”以及核聚变等；论述了太阳能产生的机理和过程，以及它在地球核聚变中的应用。

本书共１１章：１．长期能源的概况；２．核聚变物理学：与太阳能相关的能源；３．原子、分子和半导体装置；４．在地球上获得核聚变能的研究；５．太阳能转换入门；６．单个ＰＮ结的太阳能电池；７．多重ＰＮ结的太阳能电池以及能量汇聚的太阳能电池；８．第三代太阳能电池的概念以及效率概况；９．生产氢的太阳能电池以及氢的储存；１０．大型制造、学习曲线和储存经济学；１１．太阳能和可再生能源的前景。书的末尾有练习题，缩写词汇表及主题索引。

本书以太阳中质子的聚合反应能释放大量能量为根据，以地球上石油和煤资源即将枯竭为背景，探讨了以下两方面的问题：（１）以海水中大量氘为资源，在地球上实现核聚变以获得巨大能源的途径，本书定量地研究了各种核聚变反应器的结构和性能；（２）以地球能接收到的太阳能为资源，研究了合理利用太阳能的各种途径：探讨了各种光伏电池的结构、性能和能量转换效率，氢燃料的生产、储存和应用，潮汐发电，地热等新技术和新装置。本书易读易懂，适合物理系、化学系以及工程系的学生阅读。也是“可替代能源领域”工作者的有益工具书。读者需掌握微积分、量子力学、原子和分子物理、固体物理以及半导体物理学的入门知识。

本书著者Ｅ．Ｌ．沃尔夫博士是纽约大学工学院的物理学教授。他是纳米技术领域的专家，也从事过扫描隧道显微镜的工作。他开创了“纳米技术和可再生能源”课程并撰写了教科书。他教授过现代物理、固体物理、热力学和量子力学课程。发表过１００多篇论文。他是美国物理学会成员，曾多次荣获纽约大学教学奖。

２１世纪伊始，由于能源与环境问题的挑战，利用可再生能源生产的电力显著增加。创建能源生产新的技术，并创建利用这些能源的新模式。本书介绍了将其他能源转换成电力所涉及的问题、能源来源及转换技术，并且介绍了相关的科学概念，用来理解它们的主要技术特性。

作者讲述了利用可再生能源生产电力的中小型系统（在１００ＭＷ 和２００ＭＷ 之间），并且向读者介绍为了了解这些能源转换的工作特性所必要的基本电力概念，讨论了将利用这些方法生产的电力并入电网所涉及的问题。书中提供了练习供读者进行自我检验。

本书共有６章：１．利用可再生能源的分布式电力生产，内容包括分布式生产、可再生能源、利用可再生能源生产电力；２．太阳光伏电能，主要资源的特性、光伏转换、电力的最大提取、电能转换器、有功功率及无功功率的调节、太阳能电站；３．风力电能，内容包括风能的特性、运力风能、风力涡轮机、由于功率系数变化引起的电力限制、在涡轮机与发电机之间的机工耦合、感应电转换和机械电转换概论、基于感应电机的固定速度风力涡轮机、可变速风力涡轮机、风力涡轮机农场；４．陆上和海上的水力电能：波浪与潮汐，内容包括利用河川天然动力的水力学、海洋的水力能源；５．热动力的生产，内容包括地热能源、热力学太阳能的生产、利用生物燃料的废热发电；６．将分布生产的电能并入电网，内容包括从集中式网络到分布式网络、连接电压、连接约束、穿透水平的限制、有关更好地并入电网的几个观点。

本书作者均来自法国里尔天主教大学的高级工程师学院（ＨＥＩ）。第１作者Ｂｅｎｏｉｔ Ｒｏｂｙｎｓ是该学院的研究主任。自１９９８年起，他就担任里尔电工学和功率电子学实验室（Ｌ２ＥＰ）的研究员。目前他是电网和能源系统研究团队的负责人。

本书可供从事电力生产、电网运行和可再生能源利用的研究人员、工程师、研究生阅读借鉴。