從熱力學(xué)定律角度探討太陽利用問題

1、 精選公文范文管理資料 從熱力學(xué)定律角度探討太陽利用問題眾所周知，太陽能是數(shù)量巨大、時間長久、無所不在且毫無污染的能源。隨著它的應(yīng)用范圍越來越廣闊，發(fā)展前景越來越遠(yuǎn)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(jì)的能源”.太陽能利用已逐步納入各國政府開發(fā)新能源的長遠(yuǎn)規(guī)劃。但是，必須清醒地看到，當(dāng)前的太陽能利用還處在自發(fā)和半自覺的階段，如何真正從根本上理解它的本質(zhì)和特性，并以物理學(xué)的基本定律作為指導(dǎo)，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(jīng)濟(jì)效益，或者只片面看到目前的經(jīng)濟(jì)效益不高，而未看到太

2、陽能的利用效率遠(yuǎn)高于其它常規(guī)能源，以致形成了”太陽能利用在經(jīng)濟(jì)上不合算”的錯覺。正是后面這一點，在相當(dāng)大的程度上妨礙了大力投資太陽能的開發(fā)和利用。本文力圖從物理學(xué)定律特別是熱力學(xué)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(xué)定律1.1 太陽能的起源太陽是一個表面溫度約為 5.7103K 的熾熱球體， 其中心處的溫度超過 2107K, 壓強(qiáng)高達(dá) 31011大氣壓。在這樣的高溫和高壓下，進(jìn)行著劇烈的熱核反應(yīng)，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(fā)生的質(zhì)量虧損為 0.0072 克；所釋放出的能量約為6.51

3、011焦耳。太陽直徑約為 1.4106千米，質(zhì)量約為 2.01030千克；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(fā)射能量，還可繼續(xù)維持 1011年左右。1.2 太陽能的傳播及與物質(zhì)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(jù)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3.81020兆瓦。最后，根據(jù)日-地平均距離 1.5108千米與地球的平均直徑 6.4103千米，可以計算得出到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射功率約為 1.71011兆瓦

4、。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(jìn)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(guān)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(shù)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(dá)地球表面，并成為風(fēng)、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(huán)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(xué)能的形式儲存在動物和植物的機(jī)體內(nèi)，在有

5、利的地理和地質(zhì)條件下，經(jīng)過數(shù)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(dāng)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(wù)，就是廣泛地直接開發(fā)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(dá)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(dāng)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(dá)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(dāng)前研究的主要課題。太陽能的利用，大致可以

6、根據(jù)能源轉(zhuǎn)換的方式，分為光-熱利用、光-電利用、光-化學(xué)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(yīng)用范圍廣泛，經(jīng)濟(jì)效益也較明顯，有些方面已經(jīng)可以與常規(guī)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(shù)量巨大、時間長久、無所不在和毫無污染等獨特的優(yōu)點，但也存在著其自身固有的缺點：強(qiáng)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

7、熱器，且需自動跟蹤太陽，不但造價高，工藝要求也高。強(qiáng)度不穩(wěn)定，隨時間而變化；不僅有隨晝夜、季節(jié)、緯度和海拔等因素的規(guī)律性變化，還有受天氣晴、陰、云、雨等因素制約的隨機(jī)性變化。因此，為了使太陽能能夠成為一個連續(xù)而穩(wěn)定的能源，并最終成為一個獨立的能源，以便于目前的常規(guī)能源進(jìn)行競爭，太陽能的貯存是必不可少的關(guān)鍵性措施。遺憾的是太陽能的貯存目前還是一個薄弱環(huán)節(jié)，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(jīng)濟(jì)。太陽能的熱貯存具有以下三種形式：熱貯存：利用物質(zhì)升（降）溫時吸（放）熱的特性，與物質(zhì)的密度和比熱以及溫度變化直接相關(guān)，應(yīng)用得較多；潛熱貯存：利用物質(zhì)發(fā)生相變時吸（放）

8、熱反應(yīng)的特性，與物質(zhì)的密度和相變潛熱直接相關(guān)，從技術(shù)方面考慮，一般多利用固、液兩相之間的相變過程；化學(xué)反應(yīng)熱貯存：利用可逆化學(xué)吸（放）熱反應(yīng)，但是就目前的技術(shù)發(fā)展水平而言，合乎各方面要求的可逆化學(xué)反應(yīng)的種類以及可供選用的反應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)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(xué)的觀點看來，二者卻并不總是協(xié)調(diào)一致的。下面分別加以討論。2.1 太陽能熱利用與熱力學(xué)第一定律對太陽能熱利用與熱力學(xué)第一定律之間

9、的關(guān)系討論得最多的問題，可以概括為下列兩個方面：能量守恒和轉(zhuǎn)換：這是自然界最普遍的規(guī)律之一，它要求對整個系統(tǒng)以及對系統(tǒng)中的任何部件都可以利用能量平衡方程來進(jìn)行討論。如果整個系統(tǒng)或其中某些部件的能量”收支相抵”,則整個系統(tǒng)或某些部件即處于平衡狀態(tài)，從而其溫度應(yīng)保持恒定；否則溫度即應(yīng)發(fā)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(rèn)為不消耗能量就可以節(jié)約能量。效率：一般多根據(jù)熱力學(xué)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(jī)吸收熱量 Q 后對外作功 W,則熱力學(xué)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(zhuǎn)換定律（

10、實際上當(dāng)然不是）。由于熱力學(xué)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(jìn)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(xué)第二定律吉布斯首先在熱力學(xué)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(nèi)能，S 為熵，V 為體積，T0和 P0分別為環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)，D 為由擴(kuò)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(biāo)志能量的”質(zhì)”的手段，就是可能對于各種方法進(jìn)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過程。利用資用能的概念，可以將一個過程的熱力學(xué)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(biāo)志，而并非某個裝置的標(biāo)志。它可以評價能量轉(zhuǎn)換過程是否最佳。3. 結(jié)束語通過以上的討論可以看出，熱力學(xué)第二定律的效率是一個非常有用的標(biāo)志，它提供了對利用太陽能來代替常規(guī)能源進(jìn)行估價的分析框架，結(jié)論是：太陽能熱利用最有希望的領(lǐng)域，就是其熵水平與各種的太陽能收集器中使太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的熵水平相當(dāng)?shù)哪切╊I(lǐng)域。因為太陽能-熱能轉(zhuǎn)換過程的熵水平可以根據(jù)太陽能的收集的方法（例如集熱器的聚焦比）來進(jìn)行分類，都可以使所收集的太陽能很精確地進(jìn)行匹配；而不象利用常