章國榮 秦艷芬 王洪濤

（寧波工程學院 理學院，浙江 寧波 315016）

1 問題的提出

太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，也是目前倡導(dǎo)環(huán)保的新能源。隨著現(xiàn)代物理實驗技術(shù)在現(xiàn)代社會中有廣泛的應(yīng)用，實驗教學也應(yīng)適應(yīng)科學的發(fā)展，要在教學中始終與科學技術(shù)的發(fā)展同步，使學生對這一領(lǐng)域有一定的了解和熟悉，因此，筆者所在學校于2008年開始開設(shè)了太陽電池伏安特性測量實驗。通過實驗的教學使學生對太陽電池技術(shù)和對太陽電池特征參量的應(yīng)用有了認識。這種通用知識受到學生歡迎。但該實驗的測量數(shù)據(jù)多，實驗課上學生忙于測量記錄，實驗的觀察分析訓練不足。

針對這種情況，實施應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺研究“太陽電池伏-安特性曲線測量”實驗，應(yīng)用通用計算機數(shù)據(jù)采集器進行該實驗，數(shù)據(jù)采集可快速完成，同時計算機可以物理規(guī)律的演變過程形象化。便于學生更專注于具體物理問題，觀察和解釋實驗物理過程，分析實驗數(shù)據(jù)，研究實驗中的問題。本文就是對太陽電池伏-安特性研究的計算機數(shù)據(jù)采集實驗的設(shè)計和實施全過程進行闡述。

2 實驗設(shè)計及實施

2.1 傳統(tǒng)實驗

太陽能電池伏特性理論圖和實驗原理圖如下圖1、2.

圖1

圖2

傳統(tǒng)實驗在實施過程中，需要測量幾百個數(shù)據(jù)，這往往導(dǎo)致學生忙于應(yīng)付做實驗，而忽略了對實驗本身的思考；同時所做實驗的時間較長，導(dǎo)致學生拖課現(xiàn)象。

2.2 通用計算機數(shù)據(jù)采集器主要參數(shù)及特點

2.2.1 X（CH1）、Y（CH2）軸設(shè)置。該輸入口用于設(shè)置曲線X軸及Y軸的數(shù)據(jù)來源。x-y函數(shù)關(guān)系記錄特有。

模擬信號輸入通道CH1，量程（－5伏~+5伏）。

模擬信號輸入通道CH 2，量程（－5伏~+5伏）。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集器特點。特點包括：（1）所采集的數(shù)據(jù)以EXCEL形式輸出，便于進行數(shù)據(jù)處理；（2）采集的數(shù)據(jù)能在電腦顯示屏上以圖像形式直接顯示出二個物理量的函數(shù)關(guān)系；（3）采集的圖像可以10倍、100倍、1000倍放大。

2．3 實驗要解決的主要問題及問題解決方案

應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺，要解決的主要問題有兩個：一個是電流的采集；一個是太陽電池輸出電壓的采集。

2.3.1 電流采集的方案

通用數(shù)據(jù)采集器兩通道 X（CH1）、Y（CH2）都是采集電壓，不能對電流進行直接的采集，我們要做的是把我們所需的電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，這樣就可以解決電流采集的問題。

那么，我們必須對傳統(tǒng)的電路進行改進，以便數(shù)據(jù)采集器的使用。電路改進過程中原則上不能改變原來電路的特性。

首先對傳統(tǒng)太陽電池伏安特性測量實驗做一分析，實驗是通過改變負載電阻R1、R2（為可變電阻），測量流經(jīng)負載的電流I和負載上的電壓V，得到該太陽電池伏-安特性曲線。圖中安培表是對電流的測量，伏特表是對電壓的測量。

應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺，電流采集的設(shè)計：在傳統(tǒng)太陽電池伏安特性測量實驗電路中安培表處設(shè)計電流采集接口，原安培表處設(shè)計一采樣電阻RA，從電阻RA兩端引線至通用數(shù)據(jù)采集器CH2接口，此時采集數(shù)據(jù)自然是電壓，但是通過一段電路歐姆定律I=U/RA即可求出電流，從轉(zhuǎn)換方便和滿足通用數(shù)據(jù)采集器量程兩方面出發(fā)，設(shè)定采樣電阻RA=10歐姆。

2.3.2 電壓采集的方案

通用數(shù)據(jù)采集器兩通道 X（CH1）、Y（CH2）采集最大量都是5伏，而太陽電池輸出電壓達到20伏左右，在電路設(shè)計中除了不能改變電路本身特征的情況下，還應(yīng)將20伏的電壓改變成5伏以下，這是改進電路的關(guān)鍵所在。

在傳統(tǒng)電路中并一路電路，要求所并的電路其通過的電流幾乎不影響原來電路的電流大小，因此，所并的電路其電阻應(yīng)很大，其數(shù)量級應(yīng)是兆歐。

傳統(tǒng)太陽電池伏安特性測量實驗電路中伏特表是測量太陽電池的輸出電壓，太陽電池輸出電壓是20伏，為適應(yīng)通用數(shù)據(jù)采集器的采集，我們在電路改進中把兆歐級的二個電阻串聯(lián)，并于太陽電池二端，這二個兆歐級的電阻大小可以是 5－10 倍的關(guān)系，即 R4＝（5－10）R3，這樣在 R3的二端電壓為5伏以下，符合數(shù)據(jù)采集器的要求，太陽電池的輸出電壓可在R3二端上獲得。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

電路改進后，采集器所采到的數(shù)據(jù)已不是真實的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中我們必須對采集的數(shù)據(jù)進行還原。

2.4 實驗實施

由以上分析設(shè)計自組實驗平臺和自組電路如下圖3、4：

圖3

圖4

2．5 實驗數(shù)據(jù)采集及處理結(jié)果

圖5

實驗中選擇CH2接口為Y通道，CH1接口為X通道。通過改變負載電阻R，流經(jīng)負這里只例舉輻射光源與太陽電池組件的距離為60cm的實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

負載RA的電流I和負載R3上的電壓V被采集，采集結(jié)果如上圖5。

通用數(shù)據(jù)采集器控制面板有數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，數(shù)據(jù)導(dǎo)出即為excel格式，數(shù)據(jù)處理如圖6。①太陽電池的伏-安特性曲線；②太陽電池的輸出功率P隨負載電壓V的變化；③太陽電池的輸出功率P隨負載電阻R的變化。其中電流 I=UR0/10Ω；U=11 U3；R=U/I；P=U I.

圖6

實驗結(jié)果與理論值有很好的符合。按此平臺還可完成電池串、并聯(lián)的伏-安特性研究，這里，不在累述。

3 結(jié)論

用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺研究“太陽電池伏-安特性研究”實驗，實驗中所用設(shè)備都為傳統(tǒng)通用設(shè)備。也打破了儀器由廠家設(shè)計，用戶無法改變的模式。實驗課上測試儀器由學生自搭完成；學生用自搭的實驗儀器完成實驗中的測量；既培養(yǎng)了學生的動手能力，又訓練學生的科學實驗思維，同時增加了知識技能的通用性，提供一種以學生為主體，教學互動式的教學模式。

實驗現(xiàn)象直接由計算機顯示，實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出為excel文檔，利于數(shù)據(jù)處理、分析。既保留了傳統(tǒng)儀器的所有功能，又增加了現(xiàn)代測量手段的自動采集、顯示、分析功能，較傳統(tǒng)實驗方式靈活方便，且接近現(xiàn)代科研生產(chǎn)需要，培養(yǎng)學生把多種物理知識交叉使用來解決實際問題的動手能力。

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