开设太阳能电池板室外特性研究性实验的尝试

郭山河 田云霞 何 越 王志军

(吉林大学物理学院,吉林长春 130025)

开设太阳能电池板室外特性研究性实验的尝试

郭山河 田云霞 何 越 王志军

(吉林大学物理学院,吉林长春 130025)

探索适应时代要求的教学模式、研究设计性实验的教学内容与方法,是物理实验课程改革的一项重要的工作.本文将介绍通过自组搭建,开设太阳能电池板室外特性研究性实验的尝试.

研究性实验;太阳能电池;输出特性

1 引言

根据物理实验课程改革的要求,各校普遍实行了分层次的物理实验教学模式,适当增加了应用性、设计性实验在其他类型实验中的比例.这是实行课程改革的重要一环,也是提高实验教学质量的重要措施.因为作为一门基础课程,我们的目的不单是培养学生学习掌握基本知识与技能,更重要的是希望通过提出问题、解决问题能力的培养,使学生具备终身学习的能力.而研究性实验的开出,正是弥补传统验证性实验在教学效果上不足的尝试.

研究性实验的定位是:在内容安排上要结合物理实验课程的基本要求;在教学要求上要结合学生现有基本素质的平均水平;硬件配置上要结合学校专业设置与实验室现有资源这三方面来进行.可以说正是由于上述原因,在现有物理实验教学仪器市场上很难买到适应本校的研究性、设计性实验装置.也正因如此,开发研究性实验的尝试,成为我们物理实验教学人员必须面对的一项工作.

2 太阳能电池室外特性的研究实验

随着经济的发展、社会的进步,人类生存对环保提出了更高的要求.清洁能源的利用已成为一种趋势.作为未来高等科学技术人才的培养,开出此实验,让学生从现在开始了解太阳能电池在生产、生活方面的应用,以及在其他领域的推广和应用,积累相关知识,对今后清洁能源的使用与开发也是非常必要的.

作为室外特性研究,我们可以不考虑有关光谱特性和时间响应特性,将以光照引起的输出特性为重点,从以下几方面加以讨论:

(1)了解在最大光照下所获得的最大输出,即它的伏安特性.

(2)在不同日照角度下输出电压与输出电流的变化关系.

(3)负载特性.即负载电阻与输出电流的变化关系.

(4)串并联特性.了解在照射条件不同时,对电池串并联结果的影响.

实验方式是根据课堂要求及实验室提供的提纲,通过在室外的实际测试,以定量和定性的形式了解太阳能电池板室外特性.通过对所得数据的处理与分析,以小论文的形式提交实验报告.

3 太阳能电池板室外特性实验提纲

实验提纲:(实验时请记下室外的天气情况)

1)找到光强最大的方位.将电池板大致对向太阳,由于光强变化时电流变化比电压变化明显(做2、3步骤时即可看出),所以将万用表调到电流档10A处,调整电池板左右与俯仰,使电流值最大.用量角器量出电池板面与垂直间角度值并定义为θ=0°.在其他俯仰角度上,光强按余弦规律减小.

2)测量太阳能电池板的开路电压Vmax;沿俯仰方向调节光照接收的角度θ,Δ θ=10°即可.观察变化与否,记下相对应的Vθ,作图并说明原因.

3)测量太阳能电池板的短路电流 Imax;沿俯仰方向调节光照接收的角度θ,Δ θ=10°即可.观察变化与否,记下相对应的 Iθ,作图并说明原因.

4)若在北方冬季与夏季间日照角约有40°的变化,通过实验,你认为太阳能电池板接收光照的方向,至少多长时间调整一次(比如可使输出功率有10%的增加)?

5)你观察后会发现,太阳能电池板为一组P-N结的串并联.因此,当你沿横向、纵向分别遮挡约三分之一电池板的面积时,其短路电流是否也有相应大小的变化?说明原因.这对于你正确使用有何帮助?

6)测量电池板输出电流 I在负载电阻R较小时(小于200Ω)的变化关系,并画出 I—R关系曲线(ΔR取20Ω).

7)若用太阳能电池板对可充电电池充电时,可在接收光强最大处,使可调电位器阻值将充电电流减小至电池上标称的 Imax,在 I≤Imax的条件下进行.

实验报告要求:

1)可参考上述提纲,根据实验对太阳能电池板的室外特性作综合评述.

2)鼓励参与或收集其他同学在其他实验环境下的实验数据(比如晴天、多云、阴天等)作为参考,以丰富自己对该实验的深入了解.

实验器件配置:

3W太阳能电池板1块,元件插板1块,小直流电机1个,LED发光管(1W)1个,200Ω多圈可调电位器1个,可充电电池2节,数字万用表1块,量角器1个,短路连接块2个.

附:实验的元件与成本

实验组成(如图所示)太阳能电池:为使实验现象较为明显,选功率3W,Vmax约为11V,Imax约400mA的电池板(带框及输出线盒约70元/块),通过外加工将板置于一俯仰角度可调的底座上(约70～80元/个);负载元件:一个 11V直流电机(输出轴上装一圆盘,便于观察转动)也可买小轴流风机(10～20元);一个1W的LED红光发光管(约5元/个)(可加一个配套的恒流源防止L ED被烧,约 10元/个);200Ω 的 10圈电位器(约5元/个)(研究输出电流与负载电阻变化时可按20Ω/圈来考虑);1.2V可充电电池(7元/节).为实验组合的方便,我们把元件装在相应大小的元件盒里,可插在与之配套的元件插板上(为上海宝徕公司的产品).

4 结束语

作为工科类的物理实验课程,在顺应教学改革与发展需要的变革中,其成功与否的标志应体现在教学内容与教学形式的逐步创新上,体现在自行开发实验所占总实验的比例上,体现在实验教学管理模式的不断科学完善上.研究性、应用性实验领域是教学改革给我们提供的一片天地,我们愿意通过借鉴国内外兄弟院校的经验,相互学习、相互交流、相互提高,共同做好这项工作.

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)