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1、太阳能的开发潜力原文作者：王洪四 用途广泛的太阳能电池所谓太阳能电池，实质上就是一种把光能变换成电能的能量转换器。这种电 池是利用“光生伏打效应”的原理制造出来的。所谓光生伏打效应，是指当某些 物质受到光的照射时，物质内部会出现电动势或电流的现象。例如，当阳光照射 半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的两边出现电压。如果我们用导线把 PN 结连接 起来，就会出现电流。所谓半导体，是指那些导电能力介乎导体（如银、铜、铝等各种金属）和不导 电的绝缘体（如橡胶、塑料等）之间的物质，如硅、锗等元素的晶体，都是半导体。 两种不同类型的半导体结合在一起，在其结合界面处就形成了 PN结。我们知道，一切物质
2、的原子，都是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组 成的。电子循着一定的轨道围绕着原子核旋转，就像行星围绕着太阳旋转一样。 硅原子的外层有4 个电子。它们都受到原子核引力的约束，每个电子都有其固定 的旋转轨道。但是，当太阳光照射在硅原子上时，其外层电子在外来能量的激发之下，就 会摆脱原子核引力的束缚而离开原有的旋转轨道，成为自由电子，并且同时在它 原来所在的部位留出一个空位，科学家称之为“空穴”。正因为电子是带负电的， 所以空穴就表现为带正电的。在纯净的硅晶体内，自由电子和空穴在数目上是相 等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、镓、铝等杂质元素，那么它就变成 了“空穴型的”半导体,用符号P表
3、示;如果在硅晶体中掺入能够施放电子的磷、 砷、锑等杂质元素，那么它就变成了“电子型的”半导体，用符号N表示。若是 把这两种半导体结合在一起，则会由于电子和空穴的相互扩散而在交界面处形成 PN 结，同时在结的两边形成“内建电场”。由于这里的电阻值特别高，所以也 称之为“阻挡层”。当阳光照射PN结时，半导体的原子由于获得了光能而释放出电子，从而出 现了电子一空穴时对，并在内建电场的作用下而将电子驱向N型区，同时将空穴 驱向P型区。这样，在N型区便有过剩的电子，而在P型区则有过剩的空穴。在 这种情况下，就在 PN 结的附近形成了与原来的内建电场方向相反的“光生电 场”。这个光生电场除了抵消原来内建电
4、场的作用以外，还使P型区带正电，N 型区带负电。于是，在N型区和P型区之间就产生了电动势，从而出现了 “光生 伏打效应”。此时若是将外电路接通，便会有电能输出。单个太阳能电池不能直接作为电源来使用。在实际应用中，是将几片或几十 片单个的太阳能电池串联或并联起来，组成太阳能方阵，这样便能获得相当大的 电能。目前实际使用的太阳能电池，大多是在N型硅单晶体的小片上用扩散法渗进 一层硼，以得到 PN 结，然后再加上电极便成了太阳能电池。这种硅太阳能电池 的光电转换效率约为 18。大批量生产时的太阳能电池，其效率只有 10左右。 虽然太阳能电池的效率较低，其成本也较高，但这种电池的可靠性好，使用寿命 长
5、，没有转动部件，使用维护方便，所以得到了广泛应用。太阳能电池起初主要应用于空间技术领域，后来才扩展到其它领域。据统计， 世界上 90以上的人造卫星和宇宙飞行器都是采用太阳能电池供电的。美国近 些年来研制的新型太阳能电池，在地面上的光电转换率为，在宇宙空间为。 澳大利亚利用激光技术研制的太阳能电池，在不聚焦的条件下其光电转换率可 达，成本只相当于柴油发电的水平。单晶硅太阳能电池是目前所用太阳能电池的典型代表，它的光电转换效率较 高，工作性能稳定可靠，可进行批量生产，应用较为普遍。在太阳能电池方阵中，通常还装有蓄电池，这是为了保证在夜晚及阴雨天能 够连续供电的一种储能装置。当太阳光照射的时候，太阳
6、能电池所产生的电能除 了满足当时的需要之外，还把多余的电能储存于蓄电池内。太阳能电池为人造卫星和宇宙飞行器提供了方便而可靠的能源。1954 年美 国人皮尔逊等在贝尔实验室制成了世界上第一个硅太阳能电池以后， 1958 年美 国就发射了第一颗用太阳能供电的“先锋”1号卫星。现在，在各式各样的人造 卫星和宇宙飞行器上都安设了布满太阳能电池的铁翅膀，使它们得以在浩瀚无际 的宇宙空间远航高飞。论文人造卫星和宇宙飞行器上的电子仪器设备很多，对电源的要求比较苛刻：要 求电源的重量轻；使用寿命长；能连续不断地进行工作；并能承受各种冲击、碰 撞和振动的影响。太阳能电池完全能够满足这些要求，是人造卫星和宇宙飞行
7、器 的理想能源。根据人造卫星对电源的特殊要求，通常将太阳能电池整齐地排列在电池板 上，组成太阳能电池方阵。当人造卫星向着太阳运行时，电池方阵受太阳光照射 而产生电能，给卫星供电，并且同时给卫星上的蓄电池充电；当人造卫星背着太 阳运行时，蓄电池放电，以确保卫星上的仪器设备能够连续地进行工作。我国早在1958 年就着手于太阳能电池的研制工作，并于 1971 年将我国自制 的太阳能电池用在我国发射的第二颗人造卫星上。这颗人造卫星在太空中正常运 行了8 年多。太阳能电池还代替燃油而应用于飞机上。世界上第一架完全利用太阳能电池 作动力的“太阳挑战者”号飞机，已经在国外试飞成功，其飞行时间长达小时， 飞行
8、高度达4000 米，飞行速度为 60 千米小时。在这架飞机的尾翼和水平翼表 面上，装有万多个太阳能电池，其最大能量输出为千瓦。它是将太阳能变成电能， 用电能来驱动单叶螺旋桨旋转，使飞机在空中飞行。以太阳能电池为动力的小型汽车，已经在墨西哥试制成功。这种汽车的外形 像一辆三轮摩托车，其车顶上架设了一个装有太阳能电池的大蓬。在阳光照射下， 汽车以太阳能电池作为动力，以 40 千米小时的速度向前行驶。不过，这辆汽 车每天所获得的电能只能供它行驶 40 分钟，所以它还不能投入正常运行。这是 有待于进一步改进之处。1984 年 9 月，我国也成功地试制成“太阳”号太阳能汽车。这标志着我国 太阳能电池的研
9、制工作已达到国际先进水平。此外我国还把太阳能电池用于给小 型电台的通信机充电。当在野外使用小型电台而无交流电源可供利用时，便可启 用这种太阳能电池小型电台充电器。这种充电器使用起来极为方便，深受用户欢 迎。太阳能电池也可以应用于。有的国家在公路旁边的每一根电线杆的顶端安装 一块太阳能电池板，将阳光变成电能，然后给蓄电池充电，供机连续使用。蓄电 池每充一次电可连续使用 36个小时。由于太阳能安装起来较为简便，成本低廉， 能实现无人管理，还能避免雷击，所以有不少国家，都在山区、边远地带、沙漠 地带以及其它能源缺乏的地区，大力发展以太阳能电池为电源的。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，它是
10、通过安装在房屋顶上 的太阳能电池板来提供电能的。同样也可以将一部分电能储存于蓄电池内，供夜 晚及阴雨天使用。太阳能电池也可作为电视差转机的电源。电视差转机是既能接收来自主台的 电视信号，又能将这种信号经过变频、放大之后再发射出去的一种电视转播装置。我国地域辽阔，一些远离电视发射台的边远城镇、山区和海岛等，往往收不到电视节目，需要设置电视差转输 电线路来进行供电，则势必投资很大，因而采用太阳能电池来供电是最合适的。 电视差转机使用太阳能电池作电源，可以做到建台快而投资省，并且使用维护方 便，可以实行无人看守管理。目前我国已经建成了一些用太阳能电池作电源的电 视差转台，很受用户欢迎。太阳能的应用越
11、来越广泛。今天，只要是太阳光能够照射到的地方，就可以 利用太阳能。尤其是那些能源短缺的孤岛、山区和沙漠地带，更是可以利用太阳 能电池来进行照明、抽水以及海水淡化等，此外对于灯塔照明、航标灯、铁路信 号灯、畜牧用的电围栏、杀灭害虫的黑光灯、机场跑道识别灯、太阳能手术灯、 气象站电源、河流监测和森林火灾预报等等，太阳能电池都大有用武之地。五 池塘也可用来发电谁能相信，小小的池塘居然也可以用来发电!从原理上说，只要池塘中有水， 那么它在阳光的照射下，就可以用来进行发电。人们把这种发电方式叫做“太阳 池发电”。所谓太阳池，就是利用太阳光来使水池中的水变热，以便将太阳能收 集并贮存起来。这种太阳能集热方
12、法，与太阳能热水器的原理颇为相似。不过， 用太阳能热水器来贮存大量的热能，需要另设蓄热槽，而太阳池则不同，它本身 就可以充当贮存热能的蓄热槽。一般的水池，当阳光照射时，池水就会变热，并引起水的对流，即热水上升 而冷水下沉。在温度较高的水不断地从池塘底部升到池面的过程中，便通过蒸发 和反射而将热能释放到空气中，这样就使得池中的水温大体上保持不变。但无论 天气多么热，也无论经过的时间多么长，水温总是比周围的气温要低。为了提高 池中的水温，人们想过许多办法，其中，利用盐水蓄热的办法是最行之有效的。 这种利用盐水蓄热来提高水温的办法，最初是受到一种自然现象的启示而产生 的。那是在1902 年，科学家们
13、在考察罗马尼亚的一个浅水湖的时候无意中发现， 越是靠近湖底其水温就越高。即便是在夏末秋初的时候，湖底的水温有时也高达 70C。后来在其它一些湖泊中人们也看到了类似的现象。人们在惊异之余，很自 然地提出了这样的问题：为什么会出现这种现象呢?经过一段时间的分析研究之后，人们终于揭开了这个奥秘。原来，湖底水温 之所以升高，正是由于湖水中含有盐分，而且是越近湖底处的水所含盐分的浓度 就越大。如果湖水不含盐分，那么湖底处的热水本应该往上升（因为热水的比重 比冷水的小）而形成上下对流。但是，正由于湖水中含有盐分，而当其所含盐分 的浓度较大时，水的比重也较大，因而湖底含盐浓度较大的热水自然就难以上升， 这样
14、一来就打乱了湖水的“热升冷降”的循环过程。当湖水无法形成对流时，热 量便在湖底处蓄积起来，并且越积越多，而湖面比重较小的一层水，就如同“锅 盖”那样，将湖底的热能严严实实地封住。于是乎，湖底的水温就会越来越高， 可用来进行发电。在上个世纪50年代，以色列的科学家们就曾提出过建造太阳池电站的设想。70 年代初，在以色列的特尔阿比卜市郊建造了第一座太阳池电站的实验设备。这座电站的水池面积为 1250平方米，其最大发电能力为 6千瓦。在 70 年代末， 以色列又在死海西南岸附近开辟了一个面积达 7000 平方米的水池，并进行了发 电试验，其最高输出功率可达150千瓦，而池底的水温最高可达80C。以色
15、列后来又在死海北岸附近的沙漠中建造了一座大型太阳池电站。这座电 站拥有两个太阳池：其中一个是由人工挖成的，池水面积约200平方米；另一个 是利用天然洼地建造的，其池水面积达万平方米。两个太阳池的水深均为 4 米。 为防止池水渗入池底沙层中，在池底铺设了一层聚乙烯薄膜。太阳池中的水可分 为三层：最底层是蓄热层，里面注入的是含盐浓度为的死海海水（一般海水的 平均含盐浓度只有）。这种高浓度的盐水吸收阳光热能后蓄存起来，其水温有 时可达90C以上。中间层是被称做“心脏部位”的盐水层，它是由多种不同浓 度的盐水一层层地依次重叠在一起而构成的，越是往上其盐分浓度就越低，比重 也越小。这一层盐水的主要作用在
16、于防止上下对流，同时吸收来自蓄热层的红外 线。最上面一层池水为覆盖层，它由淡水（从地下抽上来的）组成，其作用是防止 在刮风、下雨或起浪的情况下盐水层（中间层）遭到破坏；它同时又像一个巨大的 “罩子”，用以阻止热量的散失。对于这种大面积的太阳池，为了确保其水面不 起浪，以色列人还在水面上设置了一层用塑料制成的“防浪”。美国一所大学做过类似的实验：他们向一个小而浅的池塘里加进一些盐，在 阳光的照射下，池塘里的水上下翻动，到后来水面不断地冒小泡，用温度计一量， 水温高达90C,快要达到沸腾了！可以将这种热水抽出来供取暖和工农业生产使 用，也可以用它来进行发电。如何将盐水池的热能转换成电能?这正是太阳池电站所要完成的任务。发电所用的热能来自盐水池的蓄热层（下层）的热水。当这种热水的温度达到 一定的数值后，用水泵将它抽出池外，然后送进蒸发器的螺旋管里，利用热水的 热能将环绕蒸发器的低沸点有机液体（如沸点只有40C左右的氟利
