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视角探秘火星救援里的光伏储能应用

发布时间:2019-08-15 19:30:12

  美国太空科幻大片《火星救援》终于登陆中国,总体上说,相对于那些充斥着奇形怪状的外星人和开着飞碟的纳粹分子的科幻电影,和NASA合作后拍出的科幻片显然更加科学合理,虽然局部存在一些不太科学的地方(《马特·达蒙真的需要被第三次拯救吗?看《火星救援》中的科学与不科学》),但作为一部描写宇航员在火星的电影而言无伤大雅。

  在太空中生存除了水、氧气、食物外,还有一个很重要的因素就是能源。

  除了生存需要,不管是太空探测漫游还是空间站,孤身一人漂流在火星上的马特想要与地球建立联系,首先要解决的也是电力问题:马特要开着火星漫游车穿越 200公里到达指定的火星上另一个救援地。而当时,要跨越 200公里,没有任何现成的能源补给站(那个几近蛮荒的火星上没有加油站、充电站),电力来源如何解决?目前都有哪些蓄电、技术?

  回顾影片,马特就是依靠通过太阳能和核电池的电能在火星上挣扎求生,本文就来说说光伏发电和核电池。

  光伏发电的原理和关键技术

  太阳能光伏发电利用了太阳能电池的光生伏打效应,是一种直接将太阳辐射(直接辐射、散射辐射、反射辐射等)能转化成为电能的发电形式。

  早在18 9年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。然而,个实用单晶硅光伏电池直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功,从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。

  光伏发电原理

  光线中携带能量的粒子便是光子,光能的大小取决于光线的频率,频率越高,光子能量越大,也就是光能越大。光子的静止质量为零,不带电荷,其能量值E为普朗克常量h与v频率的乘积;光子在真空中以光速c运行,在大气中的运行速率接近光速。

  光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。

  硅原子有4个外层电子,若在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子,就成为N型半导体;若在纯硅中掺入有 个外层电子的原子如硼原子,形成P型半导体,两者结合到一起成为PN结。

  (光电效应示意图)

  半导体材料组成的PN结两侧因多数载流子(N区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区w,建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散,但它对两边的少数载流子(N区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。

  简单来说,W区就是一个调节电势平衡、合理分配(靠牵引作用)载流子的区域。

  稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流和输出电能。但是,当太阳光照射到PN结时,以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞,产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei的作用下,将P区中的非平衡电子驱向N区,N区中的非平衡空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使P型层带正电,N型层带负电,在N区和P区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时,就会产生电流,输出电能。

  罗里吧嗦也没记住,那么,看看结论就好——

  当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够大的电能。

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