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蝙蝠|国产火星车安装四块太阳能电池板，背后是核能与太阳能的抉择( 二 )


四个“大翅膀” ， 载着中国梦在中国首辆火星车四周 ， 装有四块太阳能电池板 ， 它们将负责此次火星表面巡测任务的能源供应 。 而几天后将要发射的隶属于美国国家航空航天局的毅力号 ， 将使用一个原本作为好奇号备用能源的放射性同位素热电机为火星车提供能源 。
火星车使用的太阳能板与生活中见到的太阳能板别无两样 ， 如果非要找不同 ， 无非就是用料更讲究、坚固耐用 ， 进行防尘涂层处理 ， 防止太阳能板被沙尘覆盖 ， 降低光线透过率 ， 导致电池输出功率下降 ， 同时影响电池的热性能 ， 导致电池温度升高 ， 性能降低 。
但总的来说 ， 发电原理基本相同 ， 都是吸收太阳光 ， 部分光子被光伏材料吸收 ， 晶体内部发生定向电子跃迁 ， 形成电位差在外电路中产生电流 ， 达到发电的目的 。
太阳能板发电原理与其它类型的能源相比 ， 太阳能具有永久性、清洁性和灵活性三大优点 ， 只要有足够的太阳光就有充足的能量 ， 但在距离太阳亿万公里外的火星 ， 太阳光强度小且火星大气对太阳光有削减作用 。
【蝙蝠|国产火星车安装四块太阳能电池板，背后是核能与太阳能的抉择】根据已有的信息 ， 在不考虑沙尘暴的影响下 ， 火星表面不同纬度的太阳能密度如下图：
此次我国火星车着陆区域为20°W—50°W ， 20°N—30°N ， 每个火星公转周期每平方米吸收能量对应图中3.0-3.5 ， 以中间值3.25为例 。 外太空的太阳电池板采用的是已批量生产的美国光谱实验室研发的三结太阳电池 (UJT)该电池的最高功率点平均效率为28% 经计算：若火星车的功率为100瓦 ， 则需要太阳能板的面积约为0.38㎡ 。
而为了满足火星车夜间用电需求 ， 还需加装蓄电池 ， 这些装置在无形之中增加了火星车的负重 。 如果用核电池会不会有所改观？
早在1959年 ， 世界上第一个放射性同位素电池就由美国人研制出来 ， 轻质稳定、工作寿命长、环境耐受性好等特点立即吸引了航天工作者的目光 ， 并在后来的太空探索中广泛应用 ， 从阿波罗11号登月飞船到旅行者一号 ， 再到“好奇号”火星车 ， 核电池在美国人的太空探索事业中逐步有了举足轻重的位置 。
一个小圆柱 ， 满是高科技
尾部的RTG就是核电池虽然都是利用核能 ， 但同位素温差电池与核电站的发电原理却大相径庭 。 核电站利用核燃料裂变释放的能量加热工作介质——水 ， 生成水蒸气推动汽轮机转子转动 ， 进而带动发电机转子转动 ， 完成核能-热能-机械能-电能的能量转变 。
与之相比 ， 核电池则基于核衰变反应制成 。 按照工作原理 ， 核电池可分为两种：热转换型核电池和非热转换型核电池 。 热转换型吸收α射线 ， 借助热电效应或光电效应 ， 在热电元件中发生热电转换；非热转换型则吸收β射线 ， 即电子 ， 直接发电 。
温差电池结构应用最广泛的放射性同位素温差电池 ， 属于热转换型核电池 ， 利用热电偶阵列（应用了西贝克效应）接收放射性同位素在衰变时放出的热量将其转化成电能 。
放射性同位素温差电池和普通电池形状相似 ， 常被做成圆柱形 ， 热源放射性同位素放在中心 ， 四周裹着热电材料 ， 如碲化铋、碲化铅、锗硅合金等 ， 两种不同电导体或半导体因温度差异发生载流子移动现象 ， 在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势 ， 不同热电材料温差电动势取向不同 ， 这取决于Seebeck系数 ， 系数大于零 ， 由高温端指向低温段 ， 小于零 ， 则相反 。
热电效应原理图使用Seebeck系数一正一负的两种材料即可在外电路中产生电流 ， 且电流稳定 ， 不受外界环境影响 。
众多优点下 ， 仍然难以掩盖核电池的缺点 ， 如能量利用率低、制造成本高且有技术壁垒等 。 目前各国制造的核电池只有10%-20% ， 其余的热能要么流失 ， 要么用来给装置保温加热 ， 以至于在严寒中仍能保证仪器正常运转 ， 比如阿波罗11号和“嫦娥三号”月球探测器中使用的同位素温差电池产生的额外热量就用来给仪器加热 。


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