太阳电池(站)

太阳能电池阵列

20世纪70年代，发生了世界性的“能源危机”，为了消除这种“危机”，人们将目光转向了太阳能，并大大加强了对太阳能的研究与应用。据专家的看法，在利用太阳能的3种方式中，利用光电池直接将光能转换为电能是最有前途的技术。现在，许多国家在边远地区采用太阳能，为信号灯、电话等少量电能消耗的装置提供能量。近年来，科学家们正大力研究新的光电池，美国已经研制成新一代的光电池，可利用太阳光能量的20%，效率提高了大约1倍。日本科学家甚至在实验室中还开发出光电转换效率达30%的光电池。

光电转换的发现

1839年，著名的法国物理学家A．C．贝克勒尔发现了光生伏打现象，这是人们最早认识到的光电转换现象。1876年，A．C．贝克勒尔的儿子、法国科学院院士A．E．贝克勒尔开始研究光生伏打现象。当20世纪初建立起原子结构和电子理论之后，人们才认识到，在光子的照射下，物体中原子外层的电子发生移动。由于光是一种电磁波，并具有一定的能量，当光子的能量足够大时，物体内部会产生电动势和电流效应。经过科学家的不懈努力，到20世纪50年代，美国著名贝尔实验室的两位科学家利用半导体制成了光电池。1954年，他们试制成功单晶硅太阳电池。这是人类首次从技术上实现光电转换。这时的高纯度硅材料非常昂贵，而且光电池的光电转换率只有6%。1958年3月17日，美国发射成功“先锋Ⅰ”号人造卫星，其中的电源是由硅太阳电池充当的。40年来，许多航天器都以太阳电池作主要电源。

比起化学电池，太阳电池是一种物理电池。它不消耗电解质，只要有光，通过光电转换就可以得到电能。由于太空的太阳辐射十分强烈，且没有昼夜的区分，这就为太阳电池的工作提供了良好的条件。我国于1970年发射的“东方红一”号卫星就使用了国产的单晶硅太阳电池。

贝克勒尔

太阳电池的种类

据有关人士估计。目前全世界有30家企业生产太阳能光电池，建成的光电池太阳能电站已超过20座。但是，工业化生产的太阳电池仍以硅材料为主。这包括单晶硅、多晶硅和非晶硅三类。所谓单晶硅和多晶硅都是晶体，非晶硅则是非晶体。单晶硅与多晶硅的区别主要在于，整个物体是一个大晶体，则为单晶体;整个物体由若干小晶体构成则为多晶体。它们用于制作太阳电池是有一些不同的。

单晶硅太阳电池的生产技术比较成熟，生产历史也比较长。这种电池的性能稳定，光电转换率较高。一般单晶硅太阳电池光电转换率可达15%，用于航天器上的太阳电池光电转换率则要高得多，最高的达25%。

单晶硅太阳电池的成本较高，并且单晶硅为圆柱棒，作成方片状的电池时浪费较大。相比较而言，多晶硅电池的制作比较省钱和省时。目前多晶硅太阳电池的光电转换率为12%，略低于单晶硅太阳电池。

非晶硅太阳电池是一种新型薄膜式太阳电池，产生于20世纪70年代。这种电池对硅材料消耗少，电能消耗也比较低，可以大面积地连续生产。目前，非晶硅太阳电池最高的光电转换率为10%，是人们期望的廉价太阳电池的品种。

除了研制和生产硅材料的太阳电池外，科学家还在研究其他半导体材料的太阳电池，如硫化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池等。

太阳能电池的应用

由于太阳能所具有的多种优点，特别是太阳电池所具有的优良性能，人们对太阳电池的应用越来越重视，并大大加快了它应用和推广的步伐。

信号灯电源由于太阳电池成本较高，所以开始时，太阳电池主要应用在航天器上。随着太阳电池生产工艺的不断改进，成本不断降低，太阳电池在地面的设施中也开始应用。最早的应用是为一些信号灯提供电源，例如，海上的航标灯，公路和铁路上的信号灯等。

在过去，海上航标灯的电源是由蓄电池提供的，管理工作非常麻烦。在航标灯座上安装太阳电池，可以直接为蓄电池供电。一般情况下，太阳电池白天给蓄电池充电，夜间由蓄电池给航标灯供电。这样，航标灯的管理就可以实现自动化，可以不用人值守了。除了海上航标灯使用太阳电池供电之外，后来又发展到有些内河和湖泊也安装上太阳电池为航标灯供电。

在交通道口，通常是由工人来值班，管理信号灯的开启。随着交通流量的不断增加，人工管理就越来越跟不上交通现代化的步伐了。用太阳电池为信号灯供电十分方便，大大提高了信号管理的自动化程度。特别是在一些偏远地区的小车站，不仅信号灯可以用太阳电池供电，而且站上照明和自动道岔也可以用太阳电池供电。这样还可以节省大量的经费。因为按照老办法，为了用电，往往要架设输电线，或者使用柴油发电机，所需经费较多。

由于太阳电池成本大大降低，使太阳电池的应用更加普及。现在，甚至在一些公路道口也安装了太阳电池，如北京长安街的安全信号灯就是用太阳电池供电的。日本的交通道口使用太阳电池更多，这对于一个地震多发地区实在是非常有用的。

在发达国家，太阳电池也作为路灯和路牌广告的电源，还为一些应急灯提供电源。在一些私人别墅中，庭院灯也用太阳电池供电。

现在，在野外设置的观测站点也大量应用太阳电池，如有固定地点的地震、水文、气象工作站点，流动的测绘、地质勘探、考察队的野外作业地点，等等。地震台的监测仪器要自动地、不间断地作记录，太阳电池是理想的电源;地质勘探往往是流动作业，用太阳电池供电非常方便;登山队队员使用报话机和手表，由于功率要求不高，太阳电池也是很好的电源。其他像边远山村、海岛上安装的电视差转台(一种电视转接设备)，用太阳电池供电就非常方便，甚至可以实现无人值守，自动转播。

太阳能汽车在交通工具的动力装置上，最大的改进是用太阳能取代燃油和燃气。从技术上说，太阳能汽车是使用太阳能的电动汽车。一些发达国家正在加紧进行这种研制工作。为了相互交流和相互观摩，国际上每年都要举行太阳能汽车比赛。例如，1996年在澳大利亚举行的太阳能汽车拉力赛，全程3010千米。在赛场，我们可以看到形状各异的汽车。尽管它们浑身“披挂”模样有些怪异，但开动起来时，由于不需要燃油，不排除废气，却是很“绿色”、很“环保”的。赛后统计表明，太阳能汽车的平均时速达90千米。夺冠的是日本本田的“梦幻”赛车，能达到每小时140千米的速度。

我国也开始对太阳能汽车进行研制。1996年，我国研制成功第一辆太阳能电动轿车“中国1”号。这辆车长4．65米，宽1．55米，高1．7米。外形呈牛背形，车上装有4平方米的太阳电池板，全车由光电转换、电子调速、电控显示和机械传动四大系统程序控制。这辆车实行无级变速，可连续行驶150～160千米，最高时速可达80千米。1997年，清华大学汽车工程系的20余名大学生利用业余时间，集体设计制作太阳能赛车。他们研制的赛车名为“追日”，“追日”采用了多项高新技术。“追日”的造型为流线型平板座舱式，风阻系数低于目前最好的轿车。车体还采用了飞机尾翼技术，使用蜂窝夹层复合材料，薄膜与蜂窝的“三明治”结构轻巧坚固。太阳电池板包含近万片单晶硅卫星电池单体，光电效率达14%，可提供800瓦的功率。它的巡航速度达每小时60千米。他们的太阳能汽车参加了在日本举行的国际太阳能汽车拉力赛，并获得第13名的好成绩。从此我们看到了中国太阳能汽车的希望。

除了太阳能汽车，人们也研制了太阳能游艇和飞机。太阳能游艇也具有很好的性能，像日本研制的太阳能游艇已经可以横渡太平洋了。太阳能飞机也正在研制。不过，这些车船和飞机的功率太低、太阳电池的成本比较高，这使以太阳能为动力的车船和飞机目前还难于普及。

光伏电站这是以太阳电池组成的电站，这也是开发太阳能的主要途径。特别是在全世界的边远地区还生活着20亿人，缺乏电力和其他现代能源，发展太阳能是一条可行的途径，也是一条便宜的途径。像墨西哥、肯尼亚、斯里兰卡的农民家庭每年都有几万户人家安装了太阳电池板，直接将太阳光转变为电能。巴西也在难以架设电线的丛林地区推广太阳能。像欧洲、美国和日本也积极开展利用太阳能的计划，并逐渐提高太阳能的竞争能力，使之最终能与传统电力相竞争。目前，太阳能电池的成本，即每千瓦时的费用已由20世纪70年代的70多美元降到现在的4美元;太阳电池的发电能力也发展到90兆瓦(1995年)。

太阳能电池

我国为了解决西藏的用电的问题，经过长时间的论证，专家认为，建立光伏电站最为适宜。为此，我国决定在西藏实施“阳光计划”。但总的来看，我国的光伏电站的研究和发展还只是刚刚起步，水平也比较低。

今天，世界上的光伏电站已建成不少，其中美国的最多，规模也最大。从下列的表中就可以看出来。

世界各国光伏电站规模

在地面建立太阳能电站，管理比较容易，但由于地面上光照比较分散，加上昼夜、晴雨和季节的影响，还有大容量贮能技术问题等，限制了它的发展。因此，人们将太阳能电站建在太空。

空间太阳能发电的方案主要有两种:建立太阳能发电卫星，在卫星上用太阳能发电;在月球上建立基地，建设太阳能电站。这两种方案都在地球外层利用太阳能发电，而后通过微波或激光将电能传回地面，再将接收的微波或激光转换为电能。这大致是一个“太阳能——电能微波或激光——电能”的过程。

在1968年，美国的格拉泽博士提出在太空建造光伏电站的设想。20世纪70年代，美国宇航局曾耗资2000万美元进行论证，并引起前苏联、日本和西欧的建在太空的太阳能发电站注意。1991年8月，在法国巴黎又对这一设想进行了讨论。太空光伏电站是在距地球35860千米高空的轨道上建立的太阳能电站。它由长100千米，宽50千米的太阳电池阵列组成。它将太阳光转换成电能，再借助微波发生器将直流电转换成微波，经微波天线传送至地球接收站。地面接收站再将微波转换成交流电，供地球用户使用。光伏电站设计功率为5000兆瓦，它几乎可以连续地向地球输送电能。

这种宇宙光伏电站的质量可达万吨，运送电站的构件不是一件容易的事。建成电站之后，还有技术维修和保养的问题。不过，我们有理由相信，随着科学技术和经济的不断发展，这些问题是可以解决的，建设宇宙光伏电站的目标是可以实现的。