運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器研究太陽(yáng)電池伏-安特性

章國(guó)榮 秦艷芬 王洪濤

（寧波工程學(xué)院 理學(xué)院，浙江 寧波 315016）

1 問(wèn)題的提出

太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)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(mén)，也是目前倡導(dǎo)環(huán)保的新能源。隨著現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中有廣泛的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)適應(yīng)科學(xué)的發(fā)展，要在教學(xué)中始終與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同步，使學(xué)生對(duì)這一領(lǐng)域有一定的了解和熟悉，因此，筆者所在學(xué)校于2008年開(kāi)始開(kāi)設(shè)了太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)使學(xué)生對(duì)太陽(yáng)電池技術(shù)和對(duì)太陽(yáng)電池特征參量的應(yīng)用有了認(rèn)識(shí)。這種通用知識(shí)受到學(xué)生歡迎。但該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)多，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生忙于測(cè)量記錄，實(shí)驗(yàn)的觀察分析訓(xùn)練不足。

針對(duì)這種情況，實(shí)施應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究“太陽(yáng)電池伏-安特性曲線(xiàn)測(cè)量”實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用通用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集可快速完成，同時(shí)計(jì)算機(jī)可以物理規(guī)律的演變過(guò)程形象化。便于學(xué)生更專(zhuān)注于具體物理問(wèn)題，觀察和解釋實(shí)驗(yàn)物理過(guò)程，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。本文就是對(duì)太陽(yáng)電池伏-安特性研究的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施全過(guò)程進(jìn)行闡述。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

太陽(yáng)能電池伏特性理論圖和實(shí)驗(yàn)原理圖如下圖1、2.

圖1

圖2

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過(guò)程中，需要測(cè)量幾百個(gè)數(shù)據(jù)，這往往導(dǎo)致學(xué)生忙于應(yīng)付做實(shí)驗(yàn)，而忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的思考；同時(shí)所做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致學(xué)生拖課現(xiàn)象。

2.2 通用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器主要參數(shù)及特點(diǎn)

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

模擬信號(hào)輸入通道CH1，量程（－5伏~+5伏）。

模擬信號(hào)輸入通道CH 2，量程（－5伏~+5伏）。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集器特點(diǎn)。特點(diǎn)包括：（1）所采集的數(shù)據(jù)以EXCEL形式輸出，便于進(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)要解決的主要問(wèn)題及問(wèn)題解決方案

應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，要解決的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是電流的采集；一個(gè)是太陽(yáng)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(duì)電流進(jìn)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(wèn)題。

那么，我們必須對(duì)傳統(tǒng)的電路進(jìn)行改進(jìn)，以便數(shù)據(jù)采集器的使用。電路改進(jìn)過(guò)程中原則上不能改變?cè)瓉?lái)電路的特性。

首先對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)做一分析，實(shí)驗(yàn)是通過(guò)改變負(fù)載電阻R1、R2（為可變電阻），測(cè)量流經(jīng)負(fù)載的電流I和負(fù)載上的電壓V，得到該太陽(yáng)電池伏-安特性曲線(xiàn)。圖中安培表是對(duì)電流的測(cè)量，伏特表是對(duì)電壓的測(cè)量。

應(yīng)用通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電流采集的設(shè)計(jì)：在傳統(tǒng)太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路中安培表處設(shè)計(jì)電流采集接口，原安培表處設(shè)計(jì)一采樣電阻RA，從電阻RA兩端引線(xiàn)至通用數(shù)據(jù)采集器CH2接口，此時(shí)采集數(shù)據(jù)自然是電壓，但是通過(guò)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(mǎn)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(yáng)電池輸出電壓達(dá)到20伏左右，在電路設(shè)計(jì)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(jìn)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(guò)的電流幾乎不影響原來(lái)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(jí)應(yīng)是兆歐。

傳統(tǒng)太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路中伏特表是測(cè)量太陽(yáng)電池的輸出電壓，太陽(yáng)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?cè)陔娐犯倪M(jìn)中把兆歐級(jí)的二個(gè)電阻串聯(lián)，并于太陽(yáng)電池二端，這二個(gè)兆歐級(jí)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(yáng)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(jìn)后，采集器所采到的數(shù)據(jù)已不是真實(shí)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中我們必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。

2.4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

由以上分析設(shè)計(jì)自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和自組電路如下圖3、4：

圖3

圖4

2．5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理結(jié)果

圖5

實(shí)驗(yàn)中選擇CH2接口為Y通道，CH1接口為X通道。通過(guò)改變負(fù)載電阻R，流經(jīng)負(fù)這里只例舉輻射光源與太陽(yáng)電池組件的距離為60cm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

負(fù)載RA的電流I和負(fù)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(yáng)電池的伏-安特性曲線(xiàn)；②太陽(yáng)電池的輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化；③太陽(yáng)電池的輸出功率P隨負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值有很好的符合。按此平臺(tái)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究“太陽(yáng)電池伏-安特性研究”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jì)，用戶(hù)無(wú)法改變的模式。實(shí)驗(yàn)課上測(cè)試儀器由學(xué)生自搭完成；學(xué)生用自搭的實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量；既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，又訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維，同時(shí)增加了知識(shí)技能的通用性，提供一種以學(xué)生為主體，教學(xué)互動(dòng)式的教學(xué)模式。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接由計(jì)算機(jī)顯示，實(shí)驗(yàn)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(cè)量手段的自動(dòng)采集、顯示、分析功能，較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式靈活方便，且接近現(xiàn)代科研生產(chǎn)需要，培養(yǎng)學(xué)生把多種物理知識(shí)交叉使用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)手能力。

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