眾所周知，太陽能是數量巨大、時間長久、無所不在且毫無污染的能源。隨著它的應用范圍越來越廣闊，發展前景越來越遠大，它的重要性也日益受到普遍重視，不少人指出，太陽能是"未來的能源"或"二十一世紀的能源".太陽能利用已逐步納入各國政府開發新能源的長遠規劃。但是，必須清醒地看到，當前的太陽能利用還處在自發和半自覺的階段，如何真正從根本上理解它的本質和特性，并以物理學的基本定律作為指導，更加自覺地加以利用，還有許多工作要做。事實上，人們往往誤以為太陽能"取之不盡，用之不竭",因而根本不考慮效率和經濟效益，或者只片面看到目前的經濟效益不高，而未看到太陽能的利用效率遠高于其它常規能源，以致形成了"太陽能利用在經濟上不合算"的錯覺。正是后面這一點，在相當大的程度上妨礙了大力投資太陽能的開發和利用。

本文力圖從物理學定律特別是熱力學定律的角度說明太陽能利用各方面的問題包括適用范圍和熱力用效率等等。

1. 太陽能利用與物理學定律

1.1 太陽能的起源

太陽是一個表面溫度約為 5.7×103K 的熾熱球體， 其中心處的溫度超過 2×107K, 壓強高達 3×1011大氣壓。在這樣的高溫和高壓下，進行著劇烈的熱核反應，其總的效果就是由 4 個氫核變成為 1 個氦核。實驗測定， 每 1 克氫聚變成氦時，所發生的質量虧損為 0.0072 克；所釋放出的能量約為6.5×1011焦耳。

太陽直徑約為 1.4×106千米，質量約為 2.0×1030千克；其組成成分中，氫約占 80%,氦約占 19%,由此即可推算，假定太陽一直以目前的功率發射能量，還可繼續維持 1011年左右。

1.2 太陽能的傳播及與物質的相互作用

太陽釋放出如此巨大的能源， 是以電磁輻射的形式向空間散失的。假定太陽為一近似黑體， 則可根據普朗克的黑體輻射定律和維恩位移定律，計算太陽的表面溫度；再由斯忒藩-玻耳茲曼定律， 得出太陽輻射的總功率約為3.8×1020兆瓦。最后，根據日-地平均距離 1.5×108千米與地球的平均直徑 6.4×103千米，可以計算得出到達地球大氣上界的太陽輻射功率約為 1.7×1011兆瓦。該值約為目前地球上人類所用各種能源功率的5-6萬倍。

由于大氣密度受地球重力場作用從上至下逐漸增大，太陽輻射進入地球的大氣層后，就受到大氣層的多次反射（大氣的折射率與其密度之間大體上呈線性關系）；另一方面，太陽輻射還受到大氣分子和塵埃的散射（主要遵循瑞利散射定律）和吸收（遵循朗伯特指數衰減定律），二者總共損失掉57%.所以，最后只有大約43%的太陽能（其中27%為知射輻射，16%為散射輻射）能夠到達地球表面，并成為風、氣流、水波（包括海浪）的原動力，形成氣候并造成地球上水的循環過程。其中部分能量以熱能的形式儲存在海水中，成為海洋熱能；另有一小部分能量以化學能的形式儲存在動物和植物的機體內，在有利的地理和地質條件下，經過數百萬年后自然演變成各種礦物燃料（煤、石油、天然氣等）。但就當前世界燃料的形成速率與消耗速率相比是微不足道的。因此，人們面臨的緊迫任務，就是廣泛地直接開發新能源，而太陽能和核能就并列為新能源的主要組成部分。

1.3 太陽能的利用

通常所謂太陽能的利用，是指上述到達地球表面這一部分太陽輻射功率的利用。但是，由于其中約有 70-80%散布在海洋和水面上，另有相當一部分分布在高山峻嶺或荒無人煙的沙漠和森林中，就目前而論，人類真正可以加以利用的，估計僅為到達地球表面的太陽輻射功率的5-10%.

因此，如何充分而有效地利用這部分太陽能，就成為當前研究的主要課題。太陽能的利用，大致可以根據能源轉換的方式，分為光-熱利用、光-電利用、光-化學利用和光-生物利用等，其中以光-熱利用（即通常所謂的太陽能熱利用）最為成熟，不僅應用范圍廣泛，經濟效益也較明顯，有些方面已經可以與常規能源相競爭。

太陽能的熱利用，在某種意義上就是把太陽能看作巨大的熱源，通過傳播、對流、輻射等各種傳熱過程取得熱量，然后加以利用。上述各種傳熱過程分別遵循傅里葉定律、牛頓冷卻定律及斯忒藩-玻耳茲曼定律。

1.4 太陽能的貯存

太陽能盡管具有數量巨大、時間長久、無所不在和毫無污染等獨特的優點，但也存在著其自身固有的缺點：

①強度較弱，地面處的能流密度僅約為 0.5 千瓦/米；如需獲得較高的能流密度，則必須采用高聚焦比的集熱器，且需自動跟蹤太陽，不但造價高，工藝要求也高。

②強度不穩定，隨時間而變化；不僅有隨晝夜、季節、緯度和海拔等因素的規律性變化，還有受天氣晴、陰、云、雨等因素制約的隨機性變化。因此，為了使太陽能能夠成為一個連續而穩定的能源，并最終成為一個獨立的能源，以便于目前的常規能源進行競爭，太陽能的貯存是必不可少的關鍵性措施。遺憾的是太陽能的貯存目前還是一個薄弱環節，正處于探索和研究的階段。

在太陽能的各種貯存手段中，也是以熱貯存比較成熟和經濟。太陽能的熱貯存具有以下三種形式：①熱貯存：利用物質升（降）溫時吸（放）熱的特性，與物質的密度和比熱以及溫度變化直接相關，應用得較多；②潛熱貯存：利用物質發生相變時吸（放）熱反應的特性，與物質的密度和相變潛熱直接相關，從技術方面考慮，一般多利用固、液兩相之間的相變過程；③化學反應熱貯存：利用可逆化學吸（放）熱反應，但是就目前的技術發展水平而言，合乎各方面要求的可逆化學反應的種類以及可供選用的反應物或化合物都還不多，并且價格昂貴。

2. 太陽能熱利用與熱力學定律

就太陽能熱利用來說，其主要的參量就是溫度和熱量。在一般情況下，總希望通過太陽能-熱能轉換過程獲得盡可能高的溫度（"品位高"），且所獲得的"資用"熱量盡可能多（"效率高"）。但是，從熱力學的觀點看來，二者卻并不總是協調一致的。下面分別加以討論。

2.1 太陽能熱利用與熱力學第一定律

對太陽能熱利用與熱力學第一定律之間的關系討論得最多的問題，可以概括為下列兩個方面：

①能量守恒和轉換：這是自然界最普遍的規律之一，它要求對整個系統以及對系統中的任何部件都可以利用能量平衡方程來進行討論。如果整個系統或其中某些部件的能量"收支相抵",則整個系統或某些部件即處于平衡狀態，從而其溫度應保持恒定；否則溫度即應發生變化：能量收入多于支出時，溫度就降低。但是在這個問題上往往隱含著一種錯覺，即認為不消耗能量就可以節約能量。

②效率：一般多根據熱力學第一定律來確定裝置的效率，它定義為裝置對外輸出的能量與輸入的能量之比值。

例如，一臺熱機吸收熱量 Q 后對外作功 W,則熱力學第一定律的效率即為 乍看起來，它好象還違背了能量守恒和轉換定律（實際上當然不是）。由于熱力學第一定律的效率并不受上界 100%的限制，所以用它來表征裝置性能可改進的程度，是沒有多大實際意義的。

2.2 太陽能熱利用與熱力學第二定律

吉布斯首先在熱力學第二定律中引入了"資用能"的概念，定義為 A=U-T0S+P0V-D.其中 U 為內能，S 為熵，V 為體積，T0和 P0分別為環境的溫度和壓強，D 為由擴散過程所能得到的最大有用功。利用資用能的概念，就提供了一種標志能量的"質"的手段，就是可能對于各種方法進行分析對比，以便使完成給定過程所需消耗的資用能減為最小，從而保證以最有效的形式進行能量轉換過程。

利用資用能的概念，可以將一個過程的熱力學第二定律的效率定義為：在完成一項工作時，所必須消耗的最少資用能與完成該項工作實際消耗的資用能之比值：它是個完成工作的標志，而并非某個裝置的標志。它可以評價能量轉換過程是否最佳。

3. 結束語

通過以上的討論可以看出，熱力學第二定律的效率是一個非常有用的標志，它提供了對利用太陽能來代替常規能源進行估價的分析框架，結論是：太陽能熱利用最有希望的領域，就是其熵水平與各種的太陽能收集器中使太陽能轉換為熱能的熵水平相當的那些領域。因為太陽能-熱能轉換過程的熵水平可以根據太陽能的收集的方法（例如集熱器的聚焦比）來進行分類，都可以使所收集的太陽能很精確地進行匹配；而不象利用常規能源那樣，經過把高溫低熵的能源廣泛地錯用在低溫高熵的工作上，從而導致熱力學第二定律的效率很底，形成的浪費。

參考文獻：
[1] 汪志誠 .熱力學與統計物理[M]. 高等教育出版社。1992（12）
[2] 廖耀發。大學物理（下）[M].武漢大學出版社。1999（10）范圍內的能源消耗情況來看，礦物