太陽能的開發(fā)潛力（二）

王 洪 郝 梅

四 用途廣泛的太陽能電池

所謂太陽能電池，實(shí)質(zhì)上就是一種把光能變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。這種電池是利用“光生伏打效應(yīng)”的原理制造出來的。所謂光生伏打效應(yīng)，是指當(dāng)某些物質(zhì)受到光的照射時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)或電流的現(xiàn)象。例如，當(dāng)陽光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓。如果我們用導(dǎo)線把PN結(jié)連接起來，就會(huì)出現(xiàn)電流。

所謂半導(dǎo)體，是指那些導(dǎo)電能力介乎導(dǎo)體(如銀、銅、鋁等各種金屬)和不導(dǎo)電的絕緣體(如橡膠、塑料等)之間的物質(zhì)，如硅、鍺等元素的晶體，都是半導(dǎo)體。兩種不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其結(jié)合界面處就形成了PN結(jié)。

我們知道，一切物質(zhì)的原子，都是由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成的。電子循著一定的軌道圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，就像行星圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。硅原子的外層有4個(gè)電子。它們都受到原子核引力的約束，每個(gè)電子都有其固定的旋轉(zhuǎn)軌道。

2011年9月29日發(fā)射的“天宮一號(hào)”衛(wèi)星太陽能電池板打開飛行測(cè)控示意圖。 攝影/張波/FOTOE

但是，當(dāng)太陽光照射在硅原子上時(shí)，其外層電子在外來能量的激發(fā)之下，就會(huì)擺脫原子核引力的束縛而離開原有的旋轉(zhuǎn)軌道，成為自由電子，并且同時(shí)在它原來所在的部位留出一個(gè)空位，科學(xué)家稱之為“空穴”。正因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的，所以空穴就表現(xiàn)為帶正電的。在純凈的硅晶體內(nèi)，自由電子和空穴在數(shù)目上是相等的。

如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、鎵、鋁等雜質(zhì)元素，那么它就變成了“空穴型的”半導(dǎo)體，用符號(hào)P表示；如果在硅晶體中摻入能夠施放電子的磷、砷、銻等雜質(zhì)元素，那么它就變成了“電子型的”半導(dǎo)體，用符號(hào)N表示。若是把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，則會(huì)由于電子和空穴的相互擴(kuò)散而在交界面處形成PN結(jié)，同時(shí)在結(jié)的兩邊形成“內(nèi)建電場(chǎng)”。由于這里的電阻值特別高，所以也稱之為“阻擋層”。

當(dāng)陽光照射PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體的原子由于獲得了光能而釋放出電子，從而出現(xiàn)了電子-空穴時(shí)對(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下而將電子驅(qū)向N型區(qū)，同時(shí)將空穴驅(qū)向P型區(qū)。這樣，在N型區(qū)便有過剩的電子，而在P型區(qū)則有過剩的空穴。在這種情況下，就在PN結(jié)的附近形成了與原來的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的“光生電場(chǎng)”。這個(gè)光生電場(chǎng)除了抵消原來內(nèi)建電場(chǎng)的作用以外，還使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電。于是，在N型區(qū)和P型區(qū)之間就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，從而出現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”。此時(shí)若是將外電路接通，便會(huì)有電能輸出。

隨著太陽能的不斷開發(fā)利用，新疆首個(gè)百萬千瓦級(jí)光伏發(fā)電園區(qū)雛形漸顯，天山腳下的戈壁上一排排整齊碧藍(lán)色的太陽能發(fā)電板顯得格外耀眼，讓往日戈壁不再荒涼。攝影/cfp

單個(gè)太陽能電池不能直接作為電源來使用。在實(shí)際應(yīng)用中，是將幾片或幾十片單個(gè)的太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來，組成太陽能方陣，這樣便能獲得相當(dāng)大的電能。

目前實(shí)際使用的太陽能電池，大多是在N型硅單晶體的小片上用擴(kuò)散法滲進(jìn)一層硼，以得到PN結(jié)，然后再加上電極便成了太陽能電池。這種硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為18%。大批量生產(chǎn)時(shí)的太陽能電池，其效率只有10%左右。雖然太陽能電池的效率較低，其成本也較高，但這種電池的可靠性好，使用壽命長(zhǎng)，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使用維護(hù)方便，所以得到了廣泛應(yīng)用。

太陽能電池起初主要應(yīng)用于空間技術(shù)領(lǐng)域，后來才擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上90%以上的人造衛(wèi)星和宇宙飛行器都是采用太陽能電池供電的。美國近些年來研制的新型太陽能電池，在地面上的光電轉(zhuǎn)換率為35.6%，在宇宙空間為30.8%。澳大利亞利用激光技術(shù)研制的太陽能電池，在不聚焦的條件下其光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)24.2%，成本只相當(dāng)于柴油發(fā)電的水平。

單晶硅太陽能電池是目前所用太陽能電池的典型代表，它的光電轉(zhuǎn)換效率較高，工作性能穩(wěn)定可靠，可進(jìn)行批量生產(chǎn)，應(yīng)用較為普遍。

在太陽能電池方陣中，通常還裝有蓄電池，這是為了保證在夜晚及陰雨天能夠連續(xù)供電的一種儲(chǔ)能裝置。當(dāng)太陽光照射的時(shí)候，太陽能電池所產(chǎn)生的電能除了滿足當(dāng)時(shí)的需要之外，還把多余的電能儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)。

太陽能電池為人造衛(wèi)星和宇宙飛行器提供了方便而可靠的能源。1954年美國人皮爾遜等在貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)硅太陽能電池以后，1958年美國就發(fā)射了第一顆用太陽能供電的“先鋒”1號(hào)衛(wèi)星?，F(xiàn)在，在各式各樣的人造衛(wèi)星和宇宙飛行器上都安設(shè)了布滿太陽能電池的鐵翅膀，使它們得以在浩瀚無際的宇宙空間遠(yuǎn)航高飛。

人造衛(wèi)星和宇宙飛行器上的電子儀器設(shè)備很多，對(duì)電源的要求比較苛刻：要求電源的重量輕；使用壽命長(zhǎng)；能連續(xù)不斷地進(jìn)行工作；并能承受各種沖擊、碰撞和振動(dòng)的影響。太陽能電池完全能夠滿足這些要求，是人造衛(wèi)星和宇宙飛行器的理想能源。

根據(jù)人造衛(wèi)星對(duì)電源的特殊要求，通常將太陽能電池整齊地排列在電池板上，組成太陽能電池方陣。當(dāng)人造衛(wèi)星向著太陽運(yùn)行時(shí)，電池方陣受太陽光照射而產(chǎn)生電能，給衛(wèi)星供電，并且同時(shí)給衛(wèi)星上的蓄電池充電；當(dāng)人造衛(wèi)星背著太陽運(yùn)行時(shí)，蓄電池放電，以確保衛(wèi)星上的儀器設(shè)備能夠連續(xù)地進(jìn)行工作。

我國早在1958年就著手于太陽能電池的研制工作，并于1971年將我國自制的太陽能電池用在我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上。這顆人造衛(wèi)星在太空中正常運(yùn)行了8年多。

太陽能電池還代替燃油而應(yīng)用于飛機(jī)上。世界上第一架完全利用太陽能電池作動(dòng)力的“太陽挑戰(zhàn)者”號(hào)飛機(jī)，已經(jīng)在國外試飛成功，其飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4.5小時(shí)，飛行高度達(dá)4000米，飛行速度為60千米／小時(shí)。在這架飛機(jī)的尾翼和水平翼表面上，裝有1.6萬多個(gè)太陽能電池，其最大能量輸出為2.67千瓦。它是將太陽能變成電能，用電能來驅(qū)動(dòng)單葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)，使飛機(jī)在空中飛行。

以太陽能電池為動(dòng)力的小型汽車，已經(jīng)在墨西哥試制成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，其車頂上架設(shè)了一個(gè)裝有太陽能電池的大蓬。在陽光照射下，汽車以太陽能電池作為動(dòng)力，以40千米／小時(shí)的速度向前行駛。不過，這輛汽車每天所獲得的電能只能供它行駛40分鐘，所以它還不能投入正常運(yùn)行。這是有待于進(jìn)一步改進(jìn)之處。

1984年9月，我國也成功地試制成“太陽”號(hào)太陽能汽車。這標(biāo)志著我國太陽能電池的研制工作已達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外我國還把太陽能電池用于給小型電臺(tái)的通信機(jī)充電。當(dāng)在野外使用小型電臺(tái)而無交流電源可供利用時(shí)，便可啟用這種太陽能電池小型電臺(tái)充電器。這種充電器使用起來極為方便，深受用戶歡迎。

太陽能電池也可以應(yīng)用于電話。有的國家在公路旁邊的每一根電線桿的頂端安裝一塊太陽能電池板，將陽光變成電能，然后給蓄電池充電，供電話機(jī)連續(xù)使用。蓄電池每充一次電可連續(xù)使用36個(gè)小時(shí)。由于太陽能電話安裝起來較為簡(jiǎn)便，成本低廉，能實(shí)現(xiàn)無人管理，還能避免雷擊，所以有不少國家，都在山區(qū)、邊遠(yuǎn)地帶、沙漠地帶以及其它能源缺乏的地區(qū)，大力發(fā)展以太陽能電池為電源的電話。

芬蘭制成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機(jī)，它是通過安裝在房屋頂上的太陽能電池板來提供電能的。同樣也可以將一部分電能儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)，供夜晚及陰雨天使用。

太陽能電池也可作為電視差轉(zhuǎn)機(jī)的電源。電視差轉(zhuǎn)機(jī)是既能接收來自主臺(tái)的電視信號(hào)，又能將這種信號(hào)經(jīng)過變頻、放大之后再發(fā)射出去的一種電視轉(zhuǎn)播裝置。

我國地域遼闊，一些遠(yuǎn)離電視發(fā)射臺(tái)的邊遠(yuǎn)城鎮(zhèn)、山區(qū)和海島等，往往收不到電視節(jié)目，需要設(shè)置電視差轉(zhuǎn)輸電線路來進(jìn)行供電，則勢(shì)必投資很大，因而采用太陽能電池來供電是最合適的。電視差轉(zhuǎn)機(jī)使用太陽能電池作電源，可以做到建臺(tái)快而投資省，并且使用維護(hù)方便，可以實(shí)行無人看守管理。目前我國已經(jīng)建成了一些用太陽能電池作電源的電視差轉(zhuǎn)臺(tái)，很受用戶歡迎。

太陽能的應(yīng)用越來越廣泛。今天，只要是太陽光能夠照射到的地方，就可以利用太陽能。尤其是那些能源短缺的孤島、山區(qū)和沙漠地帶，更是可以利用太陽能電池來進(jìn)行照明、抽水以及海水淡化等，此外對(duì)于燈塔照明、航標(biāo)燈、鐵路信號(hào)燈、畜牧用的電圍欄、殺滅害蟲的黑光燈、機(jī)場(chǎng)跑道識(shí)別燈、太陽能手術(shù)燈、氣象站電源、河流監(jiān)測(cè)和森林火災(zāi)預(yù)報(bào)等等，太陽能電池都大有用武之地。

五 池塘也可用來發(fā)電

新疆伊犁哈薩克族牧民在轉(zhuǎn)場(chǎng)途中使用的太陽能電池板。這種太陽能電池板主要解決牧民聽收音機(jī)的電源問題。 攝影/杜殿文/FOTOE

誰能相信，小小的池塘居然也可以用來發(fā)電!從原理上說，只要池塘中有水，那么它在陽光的照射下，就可以用來進(jìn)行發(fā)電。人們把這種發(fā)電方式叫做“太陽池發(fā)電”。所謂太陽池，就是利用太陽光來使水池中的水變熱，以便將太陽能收集并貯存起來。這種太陽能集熱方法，與太陽能熱水器的原理頗為相似。不過，用太陽能熱水器來貯存大量的熱能，需要另設(shè)蓄熱槽，而太陽池則不同，它本身就可以充當(dāng)貯存熱能的蓄熱槽。

一般的水池，當(dāng)陽光照射時(shí)，池水就會(huì)變熱，并引起水的對(duì)流，即熱水上升而冷水下沉。在溫度較高的水不斷地從池塘底部升到池面的過程中，便通過蒸發(fā)和反射而將熱能釋放到空氣中，這樣就使得池中的水溫大體上保持不變。但無論天氣多么熱，也無論經(jīng)過的時(shí)間多么長(zhǎng)，水溫總是比周圍的氣溫要低。為了提高池中的水溫，人們想過許多辦法，其中，利用鹽水蓄熱的辦法是最行之有效的。這種利用鹽水蓄熱來提高水溫的辦法，最初是受到一種自然現(xiàn)象的啟示而產(chǎn)生的。那是在1902年，科學(xué)家們?cè)诳疾炝_馬尼亞的一個(gè)淺水湖的時(shí)候無意中發(fā)現(xiàn)，越是靠近湖底其水溫就越高。即便是在夏末秋初的時(shí)候，湖底的水溫有時(shí)也高達(dá)70℃。后來在其它一些湖泊中人們也看到了類似的現(xiàn)象。人們?cè)隗@異之余，很自然地提出了這樣的問題：為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?

經(jīng)過一段時(shí)間的分析研究之后，人們終于揭開了這個(gè)奧秘。原來，湖底水溫之所以升高，正是由于湖水中含有鹽分，而且是越近湖底處的水所含鹽分的濃度就越大。如果湖水不含鹽分，那么湖底處的熱水本應(yīng)該往上升(因?yàn)闊崴谋戎乇壤渌男?而形成上下對(duì)流。但是，正由于湖水中含有鹽分，而當(dāng)其所含鹽分的濃度較大時(shí)，水的比重也較大，因而湖底含鹽濃度較大的熱水自然就難以上升，這樣一來就打亂了湖水的“熱升冷降”的循環(huán)過程。當(dāng)湖水無法形成對(duì)流時(shí)，熱量便在湖底處蓄積起來，并且越積越多，而湖面比重較小的一層水，就如同“鍋蓋”那樣，將湖底的熱能嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地封住。于是乎，湖底的水溫就會(huì)越來越高，可用來進(jìn)行發(fā)電。

在上個(gè)世紀(jì)50年代，以色列的科學(xué)家們就曾提出過建造太陽池電站的設(shè)想。70年代初，在以色列的特爾阿比卜市郊建造了第一座太陽池電站的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這座電站的水池面積為1250平方米，其最大發(fā)電能力為6千瓦。在70年代末，以色列又在死海西南岸附近開辟了一個(gè)面積達(dá)7000平方米的水池，并進(jìn)行了發(fā)電試驗(yàn)，其最高輸出功率可達(dá)150千瓦，而池底的水溫最高可達(dá)80℃。

以色列后來又在死海北岸附近的沙漠中建造了一座大型太陽池電站。這座電站擁有兩個(gè)太陽池：其中一個(gè)是由人工挖成的，池水面積約200平方米；另一個(gè)是利用天然洼地建造的，其池水面積達(dá)21.5萬平方米。兩個(gè)太陽池的水深均為4米。為防止池水滲入池底沙層中，在池底鋪設(shè)了一層聚乙烯薄膜。太陽池中的水可分為三層：最底層是蓄熱層，里面注入的是含鹽濃度為27.5%的死海海水(一般海水的平均含鹽濃度只有3.5%)。這種高濃度的鹽水吸收陽光熱能后蓄存起來，其水溫有時(shí)可達(dá)90℃以上。中間層是被稱做“心臟部位”的鹽水層，它是由多種不同濃度的鹽水一層層地依次重疊在一起而構(gòu)成的，越是往上其鹽分濃度就越低，比重也越小。這一層鹽水的主要作用在于防止上下對(duì)流，同時(shí)吸收來自蓄熱層的紅外線。最上面一層池水為覆蓋層，它由淡水(從地下抽上來的)組成，其作用是防止在刮風(fēng)、下雨或起浪的情況下鹽水層(中間層)遭到破壞；它同時(shí)又像一個(gè)巨大的“罩子”，用以阻止熱量的散失。對(duì)于這種大面積的太陽池，為了確保其水面不起浪，以色列人還在水面上設(shè)置了一層用塑料制成的“防浪網(wǎng)”。

美國一所大學(xué)做過類似的實(shí)驗(yàn)：他們向一個(gè)小而淺的池塘里加進(jìn)一些鹽，在陽光的照射下，池塘里的水上下翻動(dòng)，到后來水面不斷地冒小泡，用溫度計(jì)一量，水溫高達(dá)90℃，快要達(dá)到沸騰了!可以將這種熱水抽出來供取暖和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用，也可以用它來進(jìn)行發(fā)電。

如何將鹽水池的熱能轉(zhuǎn)換成電能?這正是太陽池電站所要完成的任務(wù)。

發(fā)電所用的熱能來自鹽水池的蓄熱層(下層)的熱水。當(dāng)這種熱水的溫度達(dá)到一定的數(shù)值后，用水泵將它抽出池外，然后送進(jìn)蒸發(fā)器的螺旋管里，利用熱水的熱能將環(huán)繞蒸發(fā)器的低沸點(diǎn)有機(jī)液體(如沸點(diǎn)只有40℃左右的氟利昂)加熱，使其氣化，再利用這種氣體驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。

從氣輪機(jī)出來的氟利昂氣體，通過冷凝器之后就變成了液體，然后再被送回蒸發(fā)器。至于通過蒸發(fā)器而被降溫以后的熱水，則通過專門的管道被送回蓄熱層的底部。以色列建造的死海太陽池電站，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，并創(chuàng)造了發(fā)電能力高達(dá)2500千瓦的好成績(jī)，這也為它實(shí)施宏偉的“地中海-死海發(fā)電計(jì)劃”創(chuàng)造了有利條件。死海的水位比地中海的水面低400米左右，如果從地中海挖一條通向死海的水渠，那么地中海的海水就會(huì)流入死海。而地中海海水的鹽分濃度約為3.5%，這比死海海水的鹽分濃度低得多。這樣，在通過適當(dāng)調(diào)節(jié)之后，便可形成太陽池發(fā)電所需要的不同濃度的鹽水層。這樣一來，就把整個(gè)死海都變成了用來發(fā)電的“大太陽池”，估計(jì)其發(fā)電能力可高達(dá)150萬千瓦。以色列計(jì)劃在本世紀(jì)末或下一世紀(jì)之初，使太陽發(fā)電能力達(dá)到200萬千瓦的水平。

太陽池發(fā)電為進(jìn)一步開發(fā)利用太陽能開辟了新的途徑。同太陽能熱發(fā)電、太陽光發(fā)電等發(fā)電方式比較起來，太陽池發(fā)電的突出優(yōu)點(diǎn)是：①建造發(fā)電站的成本較低，幾乎不需要使用價(jià)格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑料一類的材料，只要有一處淺水池和發(fā)電的設(shè)備就行了。②它能夠?qū)⒋罅康臒崃抠A存起來，可以常年不斷地利用陽光進(jìn)行發(fā)電，即便是在夜晚和陰雨天也能照常進(jìn)行。③發(fā)電成本低。

專家們認(rèn)為，太陽池發(fā)電是所有太陽能應(yīng)用技術(shù)中最為廉價(jià)和最便于推廣的一種新技術(shù)。

在美國，一個(gè)由政府資助的科學(xué)家組織對(duì)全國進(jìn)行了調(diào)查，以確定太陽池發(fā)電計(jì)劃和建造這種發(fā)電站的地址。美國已開辟了10個(gè)太陽池，供研究試驗(yàn)之用，以大發(fā)明家愛迪生的姓氏命名的一家美國電力公司，在加利福尼亞的薩爾頓湖建造了一座發(fā)電能力為5000千瓦的太陽池電站。美國還計(jì)劃把洛杉磯西部的一個(gè)湖泊變成太陽池，建造一座太陽池電站，預(yù)計(jì)其發(fā)電能力可達(dá)60萬千瓦，能滿足35萬人生活用電的需要。

還可以利用太陽池來供應(yīng)熱水和取暖。美國在俄亥俄州的邁阿密斯堡，開辟了一個(gè)面積為2000平方米的太陽池，專門為一幢大樓和一家游泳場(chǎng)供應(yīng)熱水。

澳大利亞開辟了一個(gè)面積為3000平方米的太陽池。利用它來進(jìn)行發(fā)電，以便為偏僻地區(qū)供電，并用于進(jìn)行海水淡化和溫室供暖等。

日本農(nóng)林水產(chǎn)省土木試驗(yàn)場(chǎng)開辟了四個(gè)8米見方而深度為2.5～3米的太陽池，用以為溫室栽培和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供熱能。東京工業(yè)大學(xué)和名古屋工業(yè)試驗(yàn)所等單位都在加緊對(duì)太陽池發(fā)電的研究試驗(yàn)，太陽池的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。

在太陽池的推廣應(yīng)用中，科學(xué)家們也對(duì)它可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究。就當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用情況來看，太陽池在發(fā)電和供熱方面都還存在某些不足之處。例如，僅為一個(gè)3500人口的居民區(qū)供應(yīng)5000千瓦的電力，所需要的水池面積就達(dá)0.65平方千米，而且還要求池水中的含鹽濃度達(dá)13.5%以上。這個(gè)含鹽濃度幾乎接近海水平均含鹽量的4倍。