太阳能电池与卫星能源

3.3.2　太阳能电池与卫星能源

早期卫星工作能源的供给主要采用化学电池，但由于化学电池贮能有限，极大地影响了卫星的工作寿命。上世纪70年代，苏联曾经设计过用于卫星的核能电池，但限于电池的体积和安全性，后来未能成功。

最终科学家们把目光集中到太阳能上，太阳能电池时代来临了。太阳能电池又称光电池，在1954年诞生于美国贝尔实验室，随后在1958年用作“先锋1号”人造卫星的电源上天。太阳能电池大大地延长了人造卫星工作的时间，它使卫星电源的工作年限长达20年之久，从而取代了只能连续工作数天的化学电池，成为了航天卫星与飞船的重要能源（见图3－8）。

图3－8　神舟七号太阳能电池板

太阳能电池工作原理，主要是基于光电效应与光伏效应。光电效应是指：一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上产生的效果截然不同。由于金属内有大量自由电子，这些自由电子很晚才能被激发。绝缘体即使在很高温度下也不能激发出更多的自由电子参与导电。而半导体内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能量就可以把它从束缚状态激发到自由导电状态，这就是半导体的光电效应。

光伏效应是指当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将会积累。和没有电场时不同的是：电场两侧由于电荷的积累而产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。^[3]

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，自由电子在半导体材料的PN结两侧集聚形成电势差。当外部接通电路时，在该电压作用下，会有电流流过外部电路产生一定的输出功率，这实际是将光子能量转换为电能的过程。人们利用这一原理将单晶硅等半导体材料制成太阳能电池。根据用电负载的大小，可以将多块太阳能电池进行组合使用。

太阳能电池对不同波长的太阳光有不同的“反应”。如单晶硅太阳能电池主要吸收可见光部分的能量，并将其转换为电能，将红外区域的太阳光转换为热能。波长越短的太阳光，其能量更容易转化为电能。

常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池等。“希望一号”卫星使用的是砷化镓电池片，它具有26.0%光电转换效率。“神舟七号”飞船使用的光电池高达一万一千多片，光电转换效率和布片系数已达到国际同类产品的先进水平（见图3－9）。

太阳电池的优点是重量轻，无活动部件，使用安全可靠。缺点是光电转换率一般还不算高，大多使用昂贵的半导体硅材料，因此生产成本较高。随着科学技术与研究的不断进步，通过新技术可以大量减少使用半导体硅材料，单位质量的太阳能电池的输出功率与光电转换率也在不断提高，目前有的产品的光电转换率已经可以达到35%。

太阳能光电池既可作为小型电源，也可组合成为大型电站。目前它的应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户。太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机相继问世。

图3－9　工程技术人员正在安装飞船太阳能电池板

思考与实践

1.“希望一号”卫星的高度为1 200 Km，地球直径为6.4×10⁶ m，地球质量M取6.0×10²⁴ Kg，根据本节和上一节相关知识，推算卫星通信覆盖的范围与卫星的飞行速度；并算出地面站可使用该卫星通信的最长时间。

2.思考：“希望一号”卫星的锂电池容量为15 Ah，卫星设备电压设为12 V，最大功率为21W。在没有阳光对太阳能板充电的情况下，如果卫星以最大功率运行，锂电池最多能维持多久？[注：电池容量一般采用Ah（安培小时）计算，而Ah（安培小时）是指放电电流（恒流）I×放电时间（小时）T。如7 Ah电池是指如果连续放电电流为0.35 A，那么放电时间可持续20小时]。

【注释】

[1]徐坚、郑维强编译：《JARL业余无线电手册》，人民邮电出版社1995年8月版，第152页—153页。

[2]徐坚、郑维强编译：《JARL业余无线电手册》，人民邮电出版社1995年8月版，第153页。

[3]静安区教育局：静安区中小学生科普读物《节能减排与新能源》，第118页，2009年9月。