郭山河 田云霞 何 越 王志軍

(吉林大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130025)

開設(shè)太陽(yáng)能電池板室外特性研究性實(shí)驗(yàn)的嘗試

郭山河 田云霞 何 越 王志軍

(吉林大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130025)

探索適應(yīng)時(shí)代要求的教學(xué)模式、研究設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容與方法,是物理實(shí)驗(yàn)課程改革的一項(xiàng)重要的工作.本文將介紹通過自組搭建,開設(shè)太陽(yáng)能電池板室外特性研究性實(shí)驗(yàn)的嘗試.

研究性實(shí)驗(yàn);太陽(yáng)能電池;輸出特性

1 引言

根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)課程改革的要求,各校普遍實(shí)行了分層次的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,適當(dāng)增加了應(yīng)用性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在其他類型實(shí)驗(yàn)中的比例.這是實(shí)行課程改革的重要一環(huán),也是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要措施.因?yàn)樽鳛橐婚T基礎(chǔ)課程,我們的目的不單是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握基本知識(shí)與技能,更重要的是希望通過提出問題、解決問題能力的培養(yǎng),使學(xué)生具備終身學(xué)習(xí)的能力.而研究性實(shí)驗(yàn)的開出,正是彌補(bǔ)傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在教學(xué)效果上不足的嘗試.

研究性實(shí)驗(yàn)的定位是:在內(nèi)容安排上要結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)課程的基本要求;在教學(xué)要求上要結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有基本素質(zhì)的平均水平;硬件配置上要結(jié)合學(xué)校專業(yè)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源這三方面來進(jìn)行.可以說正是由于上述原因,在現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器市場(chǎng)上很難買到適應(yīng)本校的研究性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置.也正因如此,開發(fā)研究性實(shí)驗(yàn)的嘗試,成為我們物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員必須面對(duì)的一項(xiàng)工作.

2 太陽(yáng)能電池室外特性的研究實(shí)驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,人類生存對(duì)環(huán)保提出了更高的要求.清潔能源的利用已成為一種趨勢(shì).作為未來高等科學(xué)技術(shù)人才的培養(yǎng),開出此實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生從現(xiàn)在開始了解太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)、生活方面的應(yīng)用,以及在其他領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用,積累相關(guān)知識(shí),對(duì)今后清潔能源的使用與開發(fā)也是非常必要的.

作為室外特性研究,我們可以不考慮有關(guān)光譜特性和時(shí)間響應(yīng)特性,將以光照引起的輸出特性為重點(diǎn),從以下幾方面加以討論:

(1)了解在最大光照下所獲得的最大輸出,即它的伏安特性.

(2)在不同日照角度下輸出電壓與輸出電流的變化關(guān)系.

(3)負(fù)載特性.即負(fù)載電阻與輸出電流的變化關(guān)系.

(4)串并聯(lián)特性.了解在照射條件不同時(shí),對(duì)電池串并聯(lián)結(jié)果的影響.

實(shí)驗(yàn)方式是根據(jù)課堂要求及實(shí)驗(yàn)室提供的提綱,通過在室外的實(shí)際測(cè)試,以定量和定性的形式了解太陽(yáng)能電池板室外特性.通過對(duì)所得數(shù)據(jù)的處理與分析,以小論文的形式提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

3 太陽(yáng)能電池板室外特性實(shí)驗(yàn)提綱

實(shí)驗(yàn)提綱:(實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)記下室外的天氣情況)

1)找到光強(qiáng)最大的方位.將電池板大致對(duì)向太陽(yáng),由于光強(qiáng)變化時(shí)電流變化比電壓變化明顯(做2、3步驟時(shí)即可看出),所以將萬用表調(diào)到電流檔10A處,調(diào)整電池板左右與俯仰,使電流值最大.用量角器量出電池板面與垂直間角度值并定義為θ=0°.在其他俯仰角度上,光強(qiáng)按余弦規(guī)律減小.

2)測(cè)量太陽(yáng)能電池板的開路電壓Vmax;沿俯仰方向調(diào)節(jié)光照接收的角度θ,Δ θ=10°即可.觀察變化與否,記下相對(duì)應(yīng)的Vθ,作圖并說明原因.

3)測(cè)量太陽(yáng)能電池板的短路電流 Imax;沿俯仰方向調(diào)節(jié)光照接收的角度θ,Δ θ=10°即可.觀察變化與否,記下相對(duì)應(yīng)的 Iθ,作圖并說明原因.

4)若在北方冬季與夏季間日照角約有40°的變化,通過實(shí)驗(yàn),你認(rèn)為太陽(yáng)能電池板接收光照的方向,至少多長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整一次(比如可使輸出功率有10%的增加)?

5)你觀察后會(huì)發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)能電池板為一組P-N結(jié)的串并聯(lián).因此,當(dāng)你沿橫向、縱向分別遮擋約三分之一電池板的面積時(shí),其短路電流是否也有相應(yīng)大小的變化?說明原因.這對(duì)于你正確使用有何幫助?

6)測(cè)量電池板輸出電流 I在負(fù)載電阻R較小時(shí)(小于200Ω)的變化關(guān)系,并畫出 I—R關(guān)系曲線(ΔR取20Ω).

7)若用太陽(yáng)能電池板對(duì)可充電電池充電時(shí),可在接收光強(qiáng)最大處,使可調(diào)電位器阻值將充電電流減小至電池上標(biāo)稱的 Imax,在 I≤Imax的條件下進(jìn)行.

實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求:

1)可參考上述提綱,根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板的室外特性作綜合評(píng)述.

2)鼓勵(lì)參與或收集其他同學(xué)在其他實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(比如晴天、多云、陰天等)作為參考,以豐富自己對(duì)該實(shí)驗(yàn)的深入了解.

實(shí)驗(yàn)器件配置:

3W太陽(yáng)能電池板1塊,元件插板1塊,小直流電機(jī)1個(gè),LED發(fā)光管(1W)1個(gè),200Ω多圈可調(diào)電位器1個(gè),可充電電池2節(jié),數(shù)字萬用表1塊,量角器1個(gè),短路連接塊2個(gè).

附:實(shí)驗(yàn)的元件與成本

實(shí)驗(yàn)組成(如圖所示)太陽(yáng)能電池:為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯,選功率3W,Vmax約為11V,Imax約400mA的電池板(帶框及輸出線盒約70元/塊),通過外加工將板置于一俯仰角度可調(diào)的底座上(約70～80元/個(gè));負(fù)載元件:一個(gè) 11V直流電機(jī)(輸出軸上裝一圓盤,便于觀察轉(zhuǎn)動(dòng))也可買小軸流風(fēng)機(jī)(10～20元);一個(gè)1W的LED紅光發(fā)光管(約5元/個(gè))(可加一個(gè)配套的恒流源防止L ED被燒,約 10元/個(gè));200Ω 的 10圈電位器(約5元/個(gè))(研究輸出電流與負(fù)載電阻變化時(shí)可按20Ω/圈來考慮);1.2V可充電電池(7元/節(jié)).為實(shí)驗(yàn)組合的方便,我們把元件裝在相應(yīng)大小的元件盒里,可插在與之配套的元件插板上(為上海寶徠公司的產(chǎn)品).

4 結(jié)束語(yǔ)

作為工科類的物理實(shí)驗(yàn)課程,在順應(yīng)教學(xué)改革與發(fā)展需要的變革中,其成功與否的標(biāo)志應(yīng)體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式的逐步創(chuàng)新上,體現(xiàn)在自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)所占總實(shí)驗(yàn)的比例上,體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式的不斷科學(xué)完善上.研究性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域是教學(xué)改革給我們提供的一片天地,我們?cè)敢馔ㄟ^借鑒國(guó)內(nèi)外兄弟院校的經(jīng)驗(yàn),相互學(xué)習(xí)、相互交流、相互提高,共同做好這項(xiàng)工作.

ATTEMPT OF SETTING UP SOLAR BATTERY BOARD OUTDOOR CHARACTERISTIC RESEARCHING EXPERIMENT

Guo Shanhe Tian Yunxia He Yue Wang Zhijun
(College of Physics,Jilin University,Changchun,Jilin 130025)

Exploring the teaching pattern which is meeting requirements of the times and researching the teaching contents and methods of the designing experiments are important works of the physics experiment curriculum reform.This paper introduced the attempt of setting up solar battery board outdoor characteristic researching experiment,which was self-constructed.

researching experiment;solar battery;output characteristics

2010-08-05)