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《火星救援》生存指南:电力问题如何解决?

发布时间:2015-11-30 19:14

《火星救援》生存指南:电力问题如何解决?

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3200公里到达指定的火星上另一个救援地。而当时,要跨越3200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?

《火星救援》生存指南:电力问题如何解决?

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1839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,第一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3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。

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(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。

太阳能电池技术

光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件。

光伏电池的大规模应用需要解决两大难题:一是提高光电转换效率;二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池,其技术虽已经发展成熟,但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中,很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上,大大减少了半导体材料的消耗,且易于批量自动化生产,从而大大降低光伏电池的成本。

片中,马特达蒙就是带着太阳能板,它的阵列板可以在阳光下获取能源的同时给锂离子电池充电。给改装了的火星车充电,穿越3200公里到达救援地。而在没有阳光的位置,电池也能为飞船运行提供足够的能源。

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硅基薄膜太阳电池主要有非晶硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、纳米硅薄膜太阳电池,以及它们相互组合成的叠层电池——双结构或者三结构的薄膜电池集成起来构成集成薄膜太阳电池。

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硅基薄膜电池制造工艺流程为SnO2导电玻璃——SnO2膜切割——清洗——预热——非晶硅沉积(PIN)——冷却——非晶硅切割——掩膜镀铝——老化——UV保护层——封装——成品测试——分类包装。

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聚光光伏技术

从太阳直接到达地面的太阳能密度很低,其峰值不超过lkW m2,为了提高太阳能利用效率,可采用聚光光伏技术。一方面将太阳光会聚到面积很小的高性能聚光电池上,提高太阳光辐照能量密度;另一方面用相对便宜的聚光器部分代替昂贵的太阳电池,从而达到降低光伏发电系统成本的目。

聚光器是聚光光伏系统的主要组成部分,根据光学原理可分为:折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、热光伏聚光器、荧光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和内部反射达到聚光。热光伏聚光器工作原理是,太阳把辐射器加热到高温,完成光热转换;辐射器再发出辐射到太阳电池上,完成光电转换。

光伏阵列的最大功率跟踪技术

经研究发现,光伏阵列功率输出特性具有非线性特征,并受太阳辐射照度、环境温度和负载情况的影响。为了使太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力,就需要实时控制光伏电池阵列的工作点以获得最大的功率输出。

最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程,通过对光伏电池阵列当前输出电压与电流的检测,得到当前光伏电池阵列输出功率,再与已被存储的前一时刻功率相比较,舍小取大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,便可使光伏电池阵列动态的工作在最大功率点上。

孤岛效应检测技术

孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或停电维修等原因造成中断供电时,各个光伏并网发电系统仍在运行,并向周围的负载供电,而构成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛。当光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果,如孤岛中的电压和频率无法控制,可能会对用户的设备造成损坏,甚至危及维修人员生命安全等。

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孤岛效应检查方法在并网逆变器侧可分为被动式和主动式。

被动式检测方法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛检测,该方法适用于负载功率变化不大,且与逆变器的输出不匹配的场合。

主动式检测方法是指通过控制逆变器,使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常运行时,由于电网锁相环的平衡作用,检测不到这些扰动,一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围,便可触发孤岛效应检测电路。主动式检测方法目前主要有:阻抗测量法、输出功率扰动法、主动频率偏移法及滑动频率移相法等。其中频率偏移法及频率移相法具有易于实现、实用性强等特点,在应用中更为广泛。

核电池

核电池是将放射性同位素(电影中的核电池用的是钚)衰变放出的载能粒子所蕴含的能量转变为电能的装置。

举例来说,美国的好奇号火星车的动力是由一台多任务放射性同位素热电发生器供给能源。

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这台发电机本质上是一块核电池,它可以将热能转化为电能。它主要包括两个组成部分:一个装填钚-238二氧化物的热源,以及一组固体热电偶,它们可以将“钚-238”产生的热能转化为电力。

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(好奇号的核电池)

核电池在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式,向外放出比一般物质大得多的能量。

这个过程有两个特点:一是蜕变时放出的能量大小、速度,不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,因此,核电池抗干扰性强,工作准确可靠;另一个特点是蜕变时间很长,这决定了核电池可长期使用。

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核电池可分为高电压型和低电压型两种类型。高压型核电池利用发射源发射的带点粒子产生的电势差产生电流,虽然这种核电池的电压可以高达150千伏,但电流最大只有10A。因此,低电压型核电池使用的更为广泛,比如温差式核电池。

温差核电池也被叫做“放射性同位素温差发电器”,它是同位素放射出的载能粒子直接转变为电能的装置,是由一些性能优异的半导体材料制成,将这些材料串联起来组成,再加上一个合适的热源和换能器,在热源和换能器之间形成温差才可发电。

温差发电的原理是热电转换效应,该效应于1821年由德国科学家塞贝克发现,因此也被称为塞贝克效应——由两种材料组成的回路,当接点温度不同时,电路中会产生电流。

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那热电转换效应的原因还在呢?

热端金属中的自由电子的平均动能是高于冷端的,因此,相对于冷端的自由电子流向热端的速度,热端的自由电子会以更高的速度流向冷端,从而产生从热端流向冷端的净电子流,导致冷端的电子积累,进而产生内建电场,阻碍电子进一步积累,并最终达到平衡状态。

核电池的核心是换能器。

目前常用的换能器叫静态热电换能器,利用在不同的金属中产生电位差,从而发电。在外形上,核电池虽有多种形状,但最外面部分大都由合金制成,起保护电池和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层,防止辐射线泄漏出来;第三层是换能器,在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分,放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。

大型的核电池,主要用于军事、工业、深海设施和航天。在军事上,核电池已经为一些装备提供能源,比如海下声纳、水下监听器的电源。在航天领域,阳光太弱、宇宙射线过强会导致太阳电池失效,只有核电池能长期可靠的工作。在工业上,核电池可以在终年积雪的高山、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠等地区使用。在深海设施方面,如各种海下科学仪器与海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等,核电池不仅能耐5-6km深海的高压,安全可靠地工作,而且可以几十年不跟换。

如果解决了安全、能源转换效率和成本方面的问题,那核电池微型化将不再是梦想,就一个微型核电池所需要氚的量来说,因在海水中储量巨大以及是核反应堆的副产品,在技术成熟后其成本将会非常低,而当微型核电池技术成熟时,从充满科幻色彩的单兵动力盔甲,到日常生活中饱受电池续航力差困扰的手机,都将获得充足的能源。

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