鄭揚威

(廣州市第二中學(xué) 廣東 廣州 510530)

1 電池的參數(shù)

高中物理教材人教版選修3-1研究過干電池的伏安特性曲線，即外電壓U與干路電流I的關(guān)系，從中得到電池的電動勢E與內(nèi)阻r.E和r是電池性能的兩個重要參數(shù).對于干電池來說，其電動勢和內(nèi)阻一般保持不變(除非用久了或者化學(xué)物質(zhì)“變質(zhì)”了).那么，今天我們來研究一下太陽能電池片的電動勢與內(nèi)阻的影響因素.

2 測量原理介紹

根據(jù)所學(xué)知識，電動勢等于電路斷開時電池兩端的電壓，即開路電壓.電池內(nèi)阻等于電動勢與短路電流的比值.我們設(shè)計如圖1和圖2所示的電路圖，在圖1中電壓表的讀數(shù)U=E，圖2中電流表讀數(shù)I為短路電流，則電池片內(nèi)阻為

圖1 開路電壓測量

圖2 短路電流測量

為實現(xiàn)在一個電路圖中能測到電流和電壓，我們采用單刀雙擲開關(guān)設(shè)計.圖3為優(yōu)化后的電路圖設(shè)計.當開關(guān)接觸a端，測量開路電壓；接觸b端，測量短路電流.

圖3 優(yōu)化后的電路圖

電池的輸出功率P等于路端電壓U與干路電流I的乘積，即P=UI.我們設(shè)計如圖4所示的電路圖研究電池片的輸出功率問題.在穩(wěn)定亮度的光源下，改變電阻箱阻值，測出路端電壓和干路電流，分析U-I曲線并計算輸出功率.由閉合電路歐姆定律

E=U+Ir

得到

U=E-Ir

可知U-I曲線的截距為電動勢E，斜率的絕對值為內(nèi)阻r.同時由理論分析可知當外電阻等于內(nèi)阻時，電源輸出功率最大.

圖4 電池片輸出功率研究電路

3 探究太陽能電池片的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)太陽能電池片的特點，我們猜想電動勢可能與光照強度(W/m2)、光照面積等有關(guān)系.由于電池本身是半導(dǎo)體材料制作的，因此電池片內(nèi)阻可能也受溫度影響.

活動1:在室外粗略研究光照強度和光照面積對電動勢的影響.

器材：太陽能電池板、數(shù)字化多用電表、導(dǎo)線若干.

活動1如圖5所示.

圖5 活動1

活動2:在室內(nèi)研究光照強度和溫度對電池電動勢和內(nèi)阻的影響,如圖6所示.

圖6 活動2

方法：采用控制變量法；

器材：亮度可調(diào)的光源、電池板、數(shù)字多用電表、多用電表(mA擋)、開關(guān)、導(dǎo)線若干；

電路：按圖3實驗電路圖進行測量；

記錄：電壓表讀數(shù)(E)、干路電流(I)見表1.

實驗一結(jié)論：溫度不變時，亮度越大，電動勢越大，內(nèi)阻越小.

實驗二結(jié)論：亮度不變時，溫度越高，電動勢越小，內(nèi)阻也越小.同時短路電流，即電池片的輸出電流幾乎不變.

由于太陽能電池片由半導(dǎo)體材料制成，因此溫度越高，電池片內(nèi)阻越小.至于亮度影響內(nèi)阻以及亮度不變時，輸出電流幾乎不變，則需要在大學(xué)物理繼續(xù)深入學(xué)習，在這里不做贅述.

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄

活動3:在室內(nèi)探究太陽能電池片的輸出功率問題.

器材：可改變光照強度的光源、電池板一塊、數(shù)字多用電表一臺(測電壓)、電阻箱、指針多用電表(mA擋)、開關(guān)、導(dǎo)線若干.

注意：為避免光照強度對電池板溫度的影響，每測量一組數(shù)據(jù)迅速記錄并關(guān)燈.

實驗電路圖與學(xué)生實驗過程如圖7和圖8所示.

圖7 實驗電路圖

圖8 學(xué)生實驗

實驗數(shù)據(jù)記錄如表2所示.

表2 實驗數(shù)據(jù)記錄

從圖9可知，電池板輸出功率隨負載電阻變化而變化，且先增大后減小，存在一個最大值；從圖線和表格中可以看出，當負載的阻值與電池板內(nèi)阻接近時，電池板的輸出功率趨于最大.這個結(jié)果與理論推導(dǎo)的結(jié)論吻合.

圖9 P-R曲線

如圖10所示，I-U圖的斜率代表太陽能電池片的“等效內(nèi)阻”.從I-U圖可以看出，電壓在某個值前后，圖線基本是直線，說明“等效內(nèi)阻”不變.但當電壓達到某一個值時，“等效內(nèi)阻”突然改變.過某點做I軸與U軸的垂線，此時圍成的面積表示輸出功率.顯然，在拐角處的輸出功率最大.實驗中的拐角處剛好是表格數(shù)據(jù)中的U=16.87 V，I=0.014 A這個點，通過表格可以看出這個點的輸出功率最大.

圖10 I-U曲線

由于數(shù)據(jù)不夠多，實驗結(jié)果可能存在些許誤差.但實驗結(jié)果總體上與理論分析吻合，即當外電阻與內(nèi)電阻相等時，電源輸出功率最大.

同時測量過程發(fā)現(xiàn)兩個電流表示數(shù)始終相同，說明數(shù)字電表電壓擋的內(nèi)阻幾乎無窮大.筆者猜想，數(shù)字電表的電流擋內(nèi)阻應(yīng)該幾乎為零，暫時沒去驗證.

對太陽能電池片而言，轉(zhuǎn)化效率才是太陽能電池片性能最重要的參數(shù)，轉(zhuǎn)化效率等于輸出功率與入射光功率的比值.轉(zhuǎn)化效率越高，說明一定量的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的比率越大，如何提高轉(zhuǎn)化效率是太陽能電池研究的重要內(nèi)容，后續(xù)將繼續(xù)研究這個內(nèi)容.