師青梅，皮 偉

（華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京 102206）

虛擬儀器是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)功能軟件化，通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器，已廣泛應(yīng)用于理論教學(xué)、原理研究、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

將虛擬儀器的強(qiáng)大功能應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以變抽象思維為形象思維，還可以給學(xué)生一個(gè)充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力和展現(xiàn)才能的空間，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［1］。本文介紹虛擬儀器技術(shù)在太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 虛擬儀器

虛擬儀器（virtual instrument）是指以通用計(jì)算機(jī)作為核心的硬件平臺(tái)，配以具有測(cè)試功能的硬件作為信號(hào)輸入／輸出的接口，利用儀器軟件開(kāi)發(fā)，在計(jì)算機(jī)的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能，然后通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作的儀器。通過(guò)一塊通用的數(shù)據(jù)采集板和軟件可以構(gòu)造多種功能的儀器，可以是電壓表、示波器、頻譜分析儀等。虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了測(cè)量?jī)x器的模塊化、智能化、多樣化［2－3］。在相同的硬件平臺(tái)下，虛擬儀器完全由用戶自己定義。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器儀表，虛擬儀器資金投入雖少，但功能多，基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要組成部分。

虛擬儀器的硬件分為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)和外圍硬件設(shè)備。基礎(chǔ)硬件平臺(tái)選用計(jì)算機(jī)；外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)外置測(cè)試設(shè)備和內(nèi)置模塊，主要是數(shù)據(jù)采集板及其附件。虛擬軟件與通用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成虛擬儀器的軟件，用于直接控制各種硬件接口，并通過(guò)軟件完成測(cè)試任務(wù)，其中應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為用戶開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了必需的軟件工具與環(huán)境。

目前，有2類較流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境：一是用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如Labwindows等；二是圖形編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如HPVEE，Lab－VIEW 等。其中LabVIEW 是美國(guó)NI公司推出的一種基于G 語(yǔ)言（graphics language，圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，它具有直觀、明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格［4－5］。

2 技術(shù)研發(fā)

太陽(yáng)能的高效率利用可以部分解決人類對(duì)能源的需求問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能的主要利用方式之一［6－8］，其特性及應(yīng)用研究得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)諸多高校在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中也先后開(kāi)設(shè)了太陽(yáng)能電池特性研究實(shí)驗(yàn)［9－14］。然而，常規(guī)的太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)是用萬(wàn)用表作為數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器的，只能獲取有限的離散數(shù)據(jù)，不具備全面、直觀的動(dòng)態(tài)展示功能，不利于學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能電池光電特性的理解。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的有效途徑。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

太陽(yáng)能電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)，將吸收的光能轉(zhuǎn)換為電能。在沒(méi)有光照時(shí)，其特性可等效為二極管，其正向偏壓U 與通過(guò)電流I 的關(guān)系為

式中Io和β為常量，取決于太陽(yáng)能電池的材料及工作溫度。當(dāng)光照射在太陽(yáng)能電池表面時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則光子將被太陽(yáng)能電池吸收而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，以恒定速率產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)提供通過(guò)PN 結(jié)的電流。太陽(yáng)能電池等效電路如圖1所示，它由一個(gè)理想電流源和一個(gè)理想二極管組成。

圖1 太陽(yáng)能電池的等效電路圖

太陽(yáng)能電池輸出電流為

式中，I為太陽(yáng)能電池的輸出電流，U 為輸出電壓。

當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出短路時(shí)，U＝0，此時(shí)輸出電流即為短路電流Isc，由（2）可得Isc＝Iph。

當(dāng)輸出端開(kāi)路時(shí)，I＝0，由（2）可得開(kāi)路電壓

太陽(yáng)能電池的基本特性參量除了短路電流Isc和開(kāi)路電壓Uoc外，還有最大輸出功率Pmax和填充因子Ff。最大輸出功率Pmax就是P＝UI 的最大值，填充因子Ff定義為

填充因子是表征太陽(yáng)能電池性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。填充因子越大，說(shuō)明太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率越高。

2.2 實(shí)驗(yàn)電路與步驟

太陽(yáng)能電池的基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)短路電流、開(kāi)路電壓、最大輸出功率以及填充因子等基本參數(shù)的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能電池基本特性的虛擬實(shí)驗(yàn)電路圖

實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)能電池板輸出端電壓使用數(shù)據(jù)采集卡直接測(cè)量，輸出電流使用微安級(jí)霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，負(fù)載使用25kΩ 的滑動(dòng)變阻器。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一步，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)k，開(kāi)通40W 白光源，調(diào)節(jié)白光源照射太陽(yáng)能電池板的角度和距離，使電池板的開(kāi)路輸出電壓為4.0V，將滑動(dòng)變阻器保持在最大阻值；

第二步，開(kāi)始測(cè)量，啟動(dòng)基于Labview 編制的測(cè)量與分析系統(tǒng)軟件，閉合開(kāi)關(guān)k，連續(xù)慢速?gòu)拇蟮叫≌{(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值，直至滑動(dòng)變阻器阻值為0；實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)生成U－I 曲線和P－R 曲線；

第三步，點(diǎn)擊測(cè)量與分析軟件相關(guān)按鈕，計(jì)算太陽(yáng)能電池板基本特性參數(shù)。

2.3 軟件系統(tǒng)功能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例

U－I 曲線和P－R 曲線動(dòng)態(tài)繪制及Pmax程序如圖3所示。

圖3 U－I 曲線、P－R 曲線動(dòng)態(tài)繪制及Pmax程序

短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc計(jì)算程序如圖4所示。

填充因子Ff的計(jì)算程序如圖5所示。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除能完成實(shí)驗(yàn)大綱要求的內(nèi)容外，還支持對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展（如改變實(shí)驗(yàn)中的照射光強(qiáng)）。

圖4 短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc計(jì)算程序

圖5 填充因子Ff 計(jì)算程序

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線及結(jié)果截屏圖

3 應(yīng)用及效果

太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)主要面對(duì)大學(xué)理工科專業(yè)本科學(xué)生開(kāi)設(shè)，測(cè)量太陽(yáng)能電池伏安特性、光電流與負(fù)載關(guān)系、最大輸出功率以及填充因子等幾個(gè)基本特性和參數(shù)，是目前國(guó)內(nèi)很多高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程通常開(kāi)在理工科學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)之前，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)以后接受的第一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，也是培養(yǎng)該學(xué)習(xí)階段學(xué)生的操作技能和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的重要課程。由于該學(xué)習(xí)階段學(xué)生的實(shí)驗(yàn)判斷能力和分析總結(jié)能力尚不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中總希望能夠以圖像的形式實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的變化，迅速、直觀地觀測(cè)到不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。而目前太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)通常采用的方法，是間斷地改變光照強(qiáng)度和負(fù)載電阻，記錄幾個(gè)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后采用坐標(biāo)紙作圖法繪出實(shí)驗(yàn)曲線，擬合出特性參數(shù)。這種方法遺漏了很多數(shù)據(jù)點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)形式也過(guò)于單一，不能滿足學(xué)生的上述需求。

基于LabVIEW 編寫(xiě)的太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)試軟件可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集和描繪，讓學(xué)生直觀、形象、實(shí)時(shí)地觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程，立刻得到所需的特性參數(shù)。另外，學(xué)生可以在有限的時(shí)間內(nèi)重復(fù)多次測(cè)量，加深和鞏固對(duì)太陽(yáng)能電池基本特性和基本參數(shù)的理解，充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。筆者試探性地將上述基于LabVIEW 編寫(xiě)的太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)試軟件加入到現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生反映良好，增加了學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的好奇心，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了良好的教學(xué)效果。

以上實(shí)驗(yàn)是虛擬儀器技術(shù)在太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新和實(shí)踐，該技術(shù)還可應(yīng)用于霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)、普朗克常數(shù)的測(cè)定、光敏元件特性的測(cè)量、光纖特性測(cè)量等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理的圖示化和可視化，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)的太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有數(shù)據(jù)記錄精度高、實(shí)驗(yàn)效率高的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集和描繪，有助于學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果的理解。

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