美國(guó)太空科幻大片《火星救援》終于登陸中國(guó)，總體上說(shuō)，相對(duì)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(wú)傷大雅。

在太空中生存除了水、氧氣、食物外，還有一個(gè)很重要的因素就是能源。

除了生存需要，不管是太空探測(cè)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(gè)救援地。而當(dāng)時(shí)，要跨越3200公里，沒有任何現(xiàn)成的能源補(bǔ)給站（那個(gè)幾近蠻荒的火星上沒有加油站、充電站），電力來(lái)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(guò)太陽(yáng)能和核電池的電能在火星上掙扎求生，本文就來(lái)說(shuō)說(shuō)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(yáng)能光伏發(fā)電利用了太陽(yáng)能電池的光生伏打效應(yīng)，是一種直接將太陽(yáng)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(guó)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(lái)被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池直到1954年才在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功，從此誕生了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)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(yùn)行，在大氣中的運(yùn)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(gè)外層電子，若在純硅中摻入有5個(gè)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(gè)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(kuò)散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)w，建立自建電場(chǎng)Ei。它對(duì)兩邊多數(shù)載流子是勢(shì)壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但它對(duì)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(duì)方區(qū)域。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，W區(qū)就是一個(gè)調(diào)節(jié)電勢(shì)平衡、合理分配（靠牽引作用）載流子的區(qū)域。

穩(wěn)定平衡時(shí)，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(yáng)光照射到PN結(jié)時(shí)，以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價(jià)電子碰撞，產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對(duì)，其中的光生非平衡少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)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(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴。這樣在PN結(jié)附近就形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)Eph。光生電場(chǎng)除一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)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(dòng)勢(shì)。當(dāng)接通外部電路時(shí)，就會(huì)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(yáng)能光伏電池單元通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起構(gòu)成光伏陣列，就會(huì)在太陽(yáng)能作用下輸出足夠大的電能。

• 太陽(yáng)能電池技術(shù)

光伏電池是太陽(yáng)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。基于薄膜技術(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(dòng)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(yáng)能板，它的陣列板可以在陽(yáng)光下獲取能源的同時(shí)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(yáng)光的位置，電池也能為飛船運(yùn)行提供足夠的能源。

硅基薄膜太陽(yáng)電池主要有非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、微晶硅薄膜太陽(yáng)電池、納米硅薄膜太陽(yáng)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(lái)構(gòu)成集成薄膜太陽(yáng)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(cè)試——分類包裝。

 

• 聚光光伏技術(shù)

從太陽(yáng)直接到達(dá)地面的太陽(yáng)能密度很低，其峰值不超過(guò)lkW m²，為了提高太陽(yáng)能利用效率，可采用聚光光伏技術(shù)。一方面將太陽(yáng)光會(huì)聚到面積很小的高性能聚光電池上，提高太陽(yáng)光輻照能量密度；另一方面用相對(duì)便宜的聚光器部分代替昂貴的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射照度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的影響。為了使太陽(yáng)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(shí)時(shí)控制光伏電池陣列的工作點(diǎn)以獲得最大的功率輸出。

最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過(guò)程，通過(guò)對(duì)光伏電池陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前光伏電池陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較，舍小取大，再檢測(cè)，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。

• 孤島效應(yīng)檢測(cè)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(shí)，各個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍在運(yùn)行，并向周圍的負(fù)載供電，而構(gòu)成一個(gè)電力公司無(wú)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(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如孤島中的電壓和頻率無(wú)法控制，可能會(huì)對(duì)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(dòng)式和主動(dòng)式。

被動(dòng)式檢測(cè)方法是利用電網(wǎng)斷電時(shí)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(cè)，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(chǎng)合。

主動(dòng)式檢測(cè)方法是指通過(guò)控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)鎖相環(huán)的平衡作用，檢測(cè)不到這些擾動(dòng)，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍，便可觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測(cè)電路。主動(dòng)式檢測(cè)方法目前主要有：阻抗測(cè)量法、輸出功率擾動(dòng)法、主動(dòng)頻率偏移法及滑動(dòng)頻率移相法等。其中頻率偏移法及頻率移相法具有易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(yùn)含的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。

舉例來(lái)說(shuō)，美國(guó)的好奇號(hào)火星車的動(dòng)力是由一臺(tái)多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器供給能源。

這臺(tái)發(fā)電機(jī)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(gè)組成部分：一個(gè)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(hào)的核電池）

核電池在蛻變過(guò)程中會(huì)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(gè)過(guò)程有兩個(gè)特點(diǎn)：一是蛻變時(shí)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(chǎng)的影響，因此，核電池抗干擾性強(qiáng)，工作準(zhǔn)確可靠；另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了核電池可長(zhǎng)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(diǎn)粒子產(chǎn)生的電勢(shì)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(lái)組成，再加上一個(gè)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(guó)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(diǎn)溫度不同時(shí)，電路中會(huì)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(dòng)能是高于冷端的，因此，相對(duì)于冷端的自由電子流向熱端的速度，熱端的自由電子會(huì)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(chǎng)，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(lái)；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(yáng)光太弱、宇宙射線過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池失效，只有核電池能長(zhǎng)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(wú)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(mèng)想，就一個(gè)微型核電池所需要氚的量來(lái)說(shuō)，因在海水中儲(chǔ)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(huì)非常低，而當(dāng)微型核電池技術(shù)成熟時(shí)，從充滿科幻色彩的單兵動(dòng)力盔甲，到日常生活中飽受電池續(xù)航力差困擾的手機(jī)，都將獲得充足的能源。

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在未來(lái)三個(gè)月內(nèi)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)（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(gè)地點(diǎn)，讓所有學(xué)者、創(chuàng)客、科幻愛好者一起，動(dòng)用力所能及的工具，包括開源開發(fā)板、3d打印機(jī)等，為六千萬(wàn)公里外火星上人類的生存出謀劃策并開發(fā)出產(chǎn)品。

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