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阳光动力2号:单晶电池 更高电力输出

导读: 众所周知,目前实现成熟产业化应用的太阳能电池技术包括单晶、多晶、薄膜等多种类别,那么,阳光动力2号为什么选择单晶电池呢?这要从各种电池的发电能力、物理特征和使用寿命寻找答案。

  2015年3月,阳光动力2号从阿联酋首都阿布扎比起飞,自西向东飞行。截止2015年4月21日,它已完成了第六段航程,从重庆直飞南京,在经过20天的停留和参观访问活动后继续飞越太平洋前往美国,它将成为世界上首架环球航行的太阳能飞机,向世界传播“未来属于清洁技术和可再生能源”的理念。

  这架全程依靠太阳能电池提供动力的飞机重量约2.3吨,翼展长72米,机翼面积269平方米,配备17248块高效单晶电池、四台17.5马力的电动机,可提供13KW的功率输出,最高时速143公里,巡航速度90公里/小时。另外,飞机上还载有633公斤的锂电池储存电力以供夜间飞行使用。

  众所周知,目前实现成熟产业化应用的太阳能电池技术包括单晶、多晶、薄膜等多种类别,那么,阳光动力2号为什么选择单晶电池呢?这要从各种电池的发电能力、物理特征和使用寿命寻找答案。

阳光动力2号:单晶电池 更高电力输出

  发电能力就是将光能转换为电能的效率,它是太阳能电池的核心技术指标。阳光动力2号的电力供应所采用的单晶硅太阳能电池光电转换效率高达23%,远高于多晶硅太阳能电池18.5%以及薄膜太阳能电池13%的转换效率,这意味着在有限的面积下,单晶电池能提供更高的电力输出。在阳光动力2号机身上配备的单晶电池功率为65千瓦,如果替换成多晶电池,仅能提供49千瓦的功率,薄膜电池仅为38千瓦。也就是说,如果采用多晶或薄膜电池带动阳光动力2号,就需要在机身重量不变的条件下将电池分布面积扩大30%-70%,或者以牺牲巡航速度和续航时间为代价,无论如何,都会对飞行的稳定性和持续性造成显著不利影响。

  从物理特征分析,阳光动力2号飞机的电池主要分布在机翼、水平尾翼和机身上,其中机翼分布数量占比在90%以上。机翼表面并非水平构造,而是呈明显的弧度结构,这要求电池片具备一定的柔韧性。薄膜电池柔韧性最好,但发电能力太低;多晶电池厚度通常在200微米左右,且很难减薄,完全不具备柔韧性,在弧度表面安装会导致电池破裂而失去发电能力;单晶电池由于晶格结构有序,其产品厚度可以在80-200微米之间选择,而150微米以下厚度的单晶电池就具备了柔韧性特征。阳光动力2号飞机此次采用了135微米厚度的单晶电池,完美解决了对高输出功率与适度柔韧性的双重要求。不仅如此,单晶电池超薄特性使其相对200微米的多晶电池而言减少了30%的重量,有效降低了对机身负载的压力。

阳光动力2号:单晶电池 更高电力输出

  科学家曾计划以柔韧性更强的特种薄膜电池代替单晶电池用于飞机供电,但发现其寿命存在显著缺陷,在飞行日照环境中有限发电年限仅7年左右,约为单晶电池的1/4,考虑到电池更换难度和成本问题,单晶电池仍具有最高的性价比优势。在光伏制造产业界,单晶电池和多晶电池、薄膜电池的成本差距不断缩小,其中单晶和多晶电池成本有望在1-2年内持平,而单晶电池25-30年的使用寿命和持续稳定的发电能力则是决定其广泛应用的突出优势。

  利用光伏发电产生的电能驱动飞机进行环球飞行对于光伏发电技术提出了很高的要求。由于太阳光能的能量密度低,同时受限于飞机有限的受光面积及轻质化的要求,光伏发电必须具有高转换效率、高可靠性、优异的弱光响应、稳定的电力输出等特性。

  乐叶光伏电池技术总监朴松源先生指出,“目前,可供选择的产业化太阳能电池主要可以分为单晶硅、多晶硅以及薄膜太阳能电池三大类。其中,单晶硅太阳能电池用硅片晶格完整、纯度高、缺陷密度低、少子寿命高、可靠性高,另一方面,还具备弱光响应好、温度系数低、机械强度高、综合发电能力强等优点,相比其他两类电池更适合作为太阳能飞机的电能提供解决方案。”

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