美國太空科幻大片《火星救援》終于登陸中國，總體上說，相對于那些充斥著奇形怪狀的外星人和開著飛碟的納粹分子的科幻電影，和NASA合作后拍出的科幻片顯然更加科學(xué)合理，雖然局部存在一些不太科學(xué)的地方（《馬特·達(dá)蒙真的需要被第三次拯救嗎？看《火星救援》中的科學(xué)與不科學(xué)》），但作為一部描寫宇航員在火星的電影而言無傷大雅。

在太空中生存除了水、氧氣、食物外，還有一個很重要的因素就是能源。

除了生存需要，不管是太空探測漫游還是空間站，孤身一人漂流在火星上的馬特想要與地球建立聯(lián)系，首先要解決的也是電力問題：馬特要開著火星漫游車穿越3200公里到達(dá)指定的火星上另一個救援地。而當(dāng)時，要跨越3200公里，沒有任何現(xiàn)成的能源補給站（那個幾近蠻荒的火星上沒有加油站、充電站），電力來源如何解決？目前都有哪些蓄電、技術(shù)？

回顧影片，馬特就是依靠通過太陽能和核電池的電能在火星上掙扎求生，本文就來說說光伏發(fā)電和核電池。

光伏發(fā)電的原理和關(guān)鍵技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電利用了太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，是一種直接將太陽輻射（直接輻射、散射輻射、反射輻射等）能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電形式。

早在1839年，法國科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個實用單晶硅光伏電池直到1954年才在美國貝爾實驗室研制成功，從此誕生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。

• 光伏發(fā)電原理

光線中攜帶能量的粒子便是光子，光能的大小取決于光線的頻率，頻率越高，光子能量越大，也就是光能越大。光子的靜止質(zhì)量為零，不帶電荷，其能量值E為普朗克常量h與v頻率的乘積；光子在真空中以光速c運行，在大氣中的運行速率接近光速。

光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。

硅原子有4個外層電子，若在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成P型半導(dǎo)體，兩者結(jié)合到一起成為PN結(jié)。

 

（光電效應(yīng)示意圖）

半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子（N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴）向?qū)Ψ降臄U散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)w，建立自建電場Ei。它對兩邊多數(shù)載流子是勢壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U散，但它對兩邊的少數(shù)載流子（N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子）卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對方區(qū)域。

簡單來說，W區(qū)就是一個調(diào)節(jié)電勢平衡、合理分配（靠牽引作用）載流子的區(qū)域。

穩(wěn)定平衡時，少數(shù)載流子極少，難以構(gòu)成電流和輸出電能。但是，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)時，以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價電子碰撞，產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對，其中的光生非平衡少數(shù)載流子在內(nèi)建電場Ei的作用下，將P區(qū)中的非平衡電子驅(qū)向N區(qū)，N區(qū)中的非平衡空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。這樣在PN結(jié)附近就形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場Eph。光生電場除一部分抵消內(nèi)建電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動勢。當(dāng)接通外部電路時，就會產(chǎn)生電流，輸出電能。

羅里吧嗦也沒記住，那么，看看結(jié)論就好——

當(dāng)把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起構(gòu)成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出足夠大的電能。

• 太陽能電池技術(shù)

光伏電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中基本核心部件。

光伏電池的大規(guī)模應(yīng)用需要解決兩大難題：一是提高光電轉(zhuǎn)換效率；二是降低生產(chǎn)成本。以硅片為基礎(chǔ)的第一代光伏電池，其技術(shù)雖已經(jīng)發(fā)展成熟，但成本一直高居不下?；诒∧ぜ夹g(shù)的第二代光伏電池中，很薄的光電材料被鋪在非硅材料的襯底上，大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，且易于批量自動化生產(chǎn)，從而大大降低光伏電池的成本。

片中，馬特達(dá)蒙就是帶著太陽能板，它的陣列板可以在陽光下獲取能源的同時給鋰離子電池充電。給改裝了的火星車充電，穿越3200公里到達(dá)救援地。而在沒有陽光的位置，電池也能為飛船運行提供足夠的能源。

硅基薄膜太陽電池主要有非晶硅薄膜太陽電池、微晶硅薄膜太陽電池、納米硅薄膜太陽電池，以及它們相互組合成的疊層電池——雙結(jié)構(gòu)或者三結(jié)構(gòu)的薄膜電池集成起來構(gòu)成集成薄膜太陽電池。

 

硅基薄膜電池制造工藝流程為SnO2導(dǎo)電玻璃——SnO2膜切割——清洗——預(yù)熱——非晶硅沉積（PIN）——冷卻——非晶硅切割——掩膜鍍鋁——老化——UV保護(hù)層——封裝——成品測試——分類包裝。

 

• 聚光光伏技術(shù)

從太陽直接到達(dá)地面的太陽能密度很低，其峰值不超過lkW m²，為了提高太陽能利用效率，可采用聚光光伏技術(shù)。一方面將太陽光會聚到面積很小的高性能聚光電池上，提高太陽光輻照能量密度；另一方面用相對便宜的聚光器部分代替昂貴的太陽電池，從而達(dá)到降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的目。

聚光器是聚光光伏系統(tǒng)的主要組成部分，根據(jù)光學(xué)原理可分為：折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、熱光伏聚光器、熒光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和內(nèi)部反射達(dá)到聚光。熱光伏聚光器工作原理是，太陽把輻射器加熱到高溫，完成光熱轉(zhuǎn)換;輻射器再發(fā)出輻射到太陽電池上，完成光電轉(zhuǎn)換。

• 光伏陣列的最大功率跟蹤技術(shù)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，光伏陣列功率輸出特性具有非線性特征，并受太陽輻射照度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的影響。為了使太陽能電池在供電系統(tǒng)中充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換能力，就需要實時控制光伏電池陣列的工作點以獲得最大的功率輸出。

最大功率跟蹤的實現(xiàn)實質(zhì)上是一個動態(tài)尋優(yōu)的過程，通過對光伏電池陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前光伏電池陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時刻功率相比較，舍小取大，再檢測，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池陣列動態(tài)的工作在最大功率點上。

• 孤島效應(yīng)檢測技術(shù)

孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或停電維修等原因造成中斷供電時，各個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍在運行，并向周圍的負(fù)載供電，而構(gòu)成一個電力公司無法控制的自給供電的孤島。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會對用戶的設(shè)備造成損壞，甚至危及維修人員生命安全等。

 

孤島效應(yīng)檢查方法在并網(wǎng)逆變器側(cè)可分為被動式和主動式。

被動式檢測方法是利用電網(wǎng)斷電時逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島檢測，該方法適用于負(fù)載功率變化不大，且與逆變器的輸出不匹配的場合。

主動式檢測方法是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網(wǎng)正常運行時，由于電網(wǎng)鎖相環(huán)的平衡作用，檢測不到這些擾動，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出允許范圍，便可觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測電路。主動式檢測方法目前主要有：阻抗測量法、輸出功率擾動法、主動頻率偏移法及滑動頻率移相法等。其中頻率偏移法及頻率移相法具有易于實現(xiàn)、實用性強等特點，在應(yīng)用中更為廣泛。

核電池

核電池是將放射性同位素（電影中的核電池用的是钚）衰變放出的載能粒子所蘊含的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。

舉例來說，美國的好奇號火星車的動力是由一臺多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器供給能源。

這臺發(fā)電機本質(zhì)上是一塊核電池，它可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能。它主要包括兩個組成部分：一個裝填钚-238二氧化物的熱源，以及一組固體熱電偶，它們可以將“钚-238”產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電力。

 

（好奇號的核電池）

核電池在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質(zhì)大得多的能量。

這個過程有兩個特點：一是蛻變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，因此，核電池抗干擾性強，工作準(zhǔn)確可靠；另一個特點是蛻變時間很長，這決定了核電池可長期使用。

核電池可分為高電壓型和低電壓型兩種類型。高壓型核電池利用發(fā)射源發(fā)射的帶點粒子產(chǎn)生的電勢差產(chǎn)生電流，雖然這種核電池的電壓可以高達(dá)150千伏，但電流最大只有10A。因此，低電壓型核電池使用的更為廣泛，比如溫差式核電池。

溫差核電池也被叫做“放射性同位素溫差發(fā)電器”，它是同位素放射出的載能粒子直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料制成，將這些材料串聯(lián)起來組成，再加上一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。

溫差發(fā)電的原理是熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，該效應(yīng)于1821年由德國科學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，因此也被稱為塞貝克效應(yīng)——由兩種材料組成的回路，當(dāng)接點溫度不同時，電路中會產(chǎn)生電流。

那熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的原因還在呢？

熱端金屬中的自由電子的平均動能是高于冷端的，因此，相對于冷端的自由電子流向熱端的速度，熱端的自由電子會以更高的速度流向冷端，從而產(chǎn)生從熱端流向冷端的凈電子流，導(dǎo)致冷端的電子積累，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)建電場，阻礙電子進(jìn)一步積累，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

核電池的核心是換能器。

目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，利用在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。在外形上，核電池雖有多種形狀，但最外面部分大都由合金制成，起保護(hù)電池和散熱的作用；次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來；第三層是換能器，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能；最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生蛻變并放出熱量。

大型的核電池，主要用于軍事、工業(yè)、深海設(shè)施和航天。在軍事上，核電池已經(jīng)為一些裝備提供能源，比如海下聲納、水下監(jiān)聽器的電源。在航天領(lǐng)域，陽光太弱、宇宙射線過強會導(dǎo)致太陽電池失效，只有核電池能長期可靠的工作。在工業(yè)上，核電池可以在終年積雪的高山、遙遠(yuǎn)荒涼的孤島、荒無人煙的沙漠等地區(qū)使用。在深海設(shè)施方面，如各種海下科學(xué)儀器與海底油井閥門的開關(guān)和海底電纜中繼器等，核電池不僅能耐5-6km深海的高壓，安全可靠地工作，而且可以幾十年不跟換。

如果解決了安全、能源轉(zhuǎn)換效率和成本方面的問題，那核電池微型化將不再是夢想，就一個微型核電池所需要氚的量來說，因在海水中儲量巨大以及是核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品，在技術(shù)成熟后其成本將會非常低，而當(dāng)微型核電池技術(shù)成熟時，從充滿科幻色彩的單兵動力盔甲，到日常生活中飽受電池續(xù)航力差困擾的手機，都將獲得充足的能源。

【創(chuàng)馬“火星救援”專場開啟招募】

在未來三個月內(nèi)的某個時間點（我們希望在2015年農(nóng)歷春節(jié)之前），雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)邦將在北上深三大城市選擇一個地點，讓所有學(xué)者、創(chuàng)客、科幻愛好者一起，動用力所能及的工具，包括開源開發(fā)板、3d打印機等，為六千萬公里外火星上人類的生存出謀劃策并開發(fā)出產(chǎn)品。

活動接受團隊、個人參賽，參賽團隊以“3-5人”為小組，需要在48小時內(nèi)完成最終的產(chǎn)品開發(fā)。優(yōu)勝團隊將獲得兩萬元獎金和其他獎品?；鹦蔷仍銜韱?？

報名地址：http://www.ozgbdpf.cn/events/index/unqiue/24.html

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。