基于虛擬儀器技術的太陽能電池實驗教學創新

師青梅，皮 偉

（華北電力大學數理學院，北京 102206）

虛擬儀器是20世紀90年代初期出現的一種新型儀器，是在通用計算機平臺上，把傳統儀器的專業功能軟件化，通過增加相關硬件和軟件構建而成的、具有可視化界面的儀器，已廣泛應用于理論教學、原理研究、工程設計等領域。

將虛擬儀器的強大功能應用于大學物理實驗教學中，不僅可以變抽象思維為形象思維，還可以給學生一個充分發揮想象力、創造力和展現才能的空間，有利于提高學生的綜合素質［1］。本文介紹虛擬儀器技術在太陽能電池基本特性測量實驗中的創新應用。

1 虛擬儀器

虛擬儀器（virtual instrument）是指以通用計算機作為核心的硬件平臺，配以具有測試功能的硬件作為信號輸入／輸出的接口，利用儀器軟件開發，在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能，然后通過鼠標或鍵盤操作的儀器。通過一塊通用的數據采集板和軟件可以構造多種功能的儀器，可以是電壓表、示波器、頻譜分析儀等。虛擬儀器實現了測量儀器的模塊化、智能化、多樣化［2－3］。在相同的硬件平臺下，虛擬儀器完全由用戶自己定義。相對于傳統儀器儀表，虛擬儀器資金投入雖少，但功能多，基于虛擬儀器技術的實驗室建設已成為實驗室建設的重要組成部分。

虛擬儀器的硬件分為基礎硬件平臺和外圍硬件設備。基礎硬件平臺選用計算機；外圍硬件設備則主要包括各種計算機外置測試設備和內置模塊，主要是數據采集板及其附件。虛擬軟件與通用計算機軟件構成虛擬儀器的軟件，用于直接控制各種硬件接口，并通過軟件完成測試任務，其中應用軟件開發環境為用戶開發虛擬儀器提供了必需的軟件工具與環境。

目前，有2類較流行的虛擬儀器開發環境：一是用傳統的編程語言設計虛擬儀器，如Labwindows等；二是圖形編程語言設計虛擬儀器，如HPVEE，Lab－VIEW 等。其中LabVIEW 是美國NI公司推出的一種基于G 語言（graphics language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發工具，它具有直觀、明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格［4－5］。

2 技術研發

太陽能的高效率利用可以部分解決人類對能源的需求問題和環境問題。太陽能電池是太陽能的主要利用方式之一［6－8］，其特性及應用研究得到了學術界和工業界的廣泛關注。國內諸多高校在大學物理實驗中也先后開設了太陽能電池特性研究實驗［9－14］。然而，常規的太陽能電池基本特性測量實驗是用萬用表作為數據測量儀器的，只能獲取有限的離散數據，不具備全面、直觀的動態展示功能，不利于學生對太陽能電池光電特性的理解。將虛擬儀器技術應用于太陽能電池實驗教學是提高實驗教學效果的有效途徑。

2.1 實驗原理

太陽能電池的工作原理是基于光伏效應，將吸收的光能轉換為電能。在沒有光照時，其特性可等效為二極管，其正向偏壓U 與通過電流I 的關系為

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

圖1 太陽能電池的等效電路圖

太陽能電池輸出電流為

式中，I為太陽能電池的輸出電流，U 為輸出電壓。

當太陽能電池輸出短路時，U＝0，此時輸出電流即為短路電流Isc，由（2）可得Isc＝Iph。

當輸出端開路時，I＝0，由（2）可得開路電壓

太陽能電池的基本特性參量除了短路電流Isc和開路電壓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能電池性能好壞的一個重要參數。填充因子越大，說明太陽能電池對光的利用率越高。

2.2 實驗電路與步驟

太陽能電池的基本特性測定實驗主要是對短路電流、開路電壓、最大輸出功率以及填充因子等基本參數的測量。實驗測量電路如圖2所示。

圖2 太陽能電池基本特性的虛擬實驗電路圖

實驗中，太陽能電池板輸出端電壓使用數據采集卡直接測量，輸出電流使用微安級霍爾電流傳感器進行測量，負載使用25kΩ 的滑動變阻器。實驗步驟如下：

第一步，斷開開關k，開通40W 白光源，調節白光源照射太陽能電池板的角度和距離，使電池板的開路輸出電壓為4.0V，將滑動變阻器保持在最大阻值；

第二步，開始測量，啟動基于Labview 編制的測量與分析系統軟件，閉合開關k，連續慢速從大到小調節滑動變阻器阻值，直至滑動變阻器阻值為0；實驗中動態生成U－I 曲線和P－R 曲線；

第三步，點擊測量與分析軟件相關按鈕，計算太陽能電池板基本特性參數。

2.3 軟件系統功能與實驗結果示例

U－I 曲線和P－R 曲線動態繪制及Pmax程序如圖3所示。

圖3 U－I 曲線、P－R 曲線動態繪制及Pmax程序

短路電流Isc、開路電壓Uoc計算程序如圖4所示。

填充因子Ff的計算程序如圖5所示。

測試結果如圖6所示。

本實驗系統除能完成實驗大綱要求的內容外，還支持對實驗內容的擴展（如改變實驗中的照射光強）。

圖4 短路電流Isc、開路電壓Uoc計算程序

圖5 填充因子Ff 計算程序

圖6 實驗數據曲線及結果截屏圖

3 應用及效果

太陽能電池基本特性測量實驗主要面對大學理工科專業本科學生開設，測量太陽能電池伏安特性、光電流與負載關系、最大輸出功率以及填充因子等幾個基本特性和參數，是目前國內很多高校大學物理實驗課程開設的一個非常重要的實驗項目。大學物理實驗課程通常開在理工科學生專業實驗之前，是學生進入大學以后接受的第一個系統的實驗教學課程，也是培養該學習階段學生的操作技能和實驗素養的重要課程。由于該學習階段學生的實驗判斷能力和分析總結能力尚不強，實驗當中總希望能夠以圖像的形式實時、準確地觀察到實驗過程中參數的變化，迅速、直觀地觀測到不同實驗條件對測量結果的影響。而目前太陽能電池基本特性測量實驗通常采用的方法，是間斷地改變光照強度和負載電阻，記錄幾個離散的數據點，然后采用坐標紙作圖法繪出實驗曲線，擬合出特性參數。這種方法遺漏了很多數據點，無法實現連續實時測量，實驗形式也過于單一，不能滿足學生的上述需求。

基于LabVIEW 編寫的太陽能電池基本特性測試軟件可以實現測量數據的實時、動態采集和描繪，讓學生直觀、形象、實時地觀察到實驗過程，立刻得到所需的特性參數。另外，學生可以在有限的時間內重復多次測量，加深和鞏固對太陽能電池基本特性和基本參數的理解，充實實驗教學內容。筆者試探性地將上述基于LabVIEW 編寫的太陽能電池基本特性測試軟件加入到現有的太陽能電池基本特性測量實驗中，學生反映良好，增加了學生對科學實驗的好奇心，激發了學生的學習興趣，收到了良好的教學效果。

以上實驗是虛擬儀器技術在太陽能電池實驗教學中的創新和實踐，該技術還可應用于霍爾元件測磁場、普朗克常數的測定、光敏元件特性的測量、光纖特性測量等大學物理實驗教學中，以實現實驗過程和數據處理的圖示化和可視化，提高物理實驗教學的效果。

4 結束語

基于虛擬儀器技術的太陽能電池實驗教學具有數據記錄精度高、實驗效率高的特點，能實現實驗數據測量的實時、動態采集和描繪，有助于學生對物理實驗內容及結果的理解。

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