太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗教學(xué)探索

高惠平，田建軍，張振龍，毛艷麗

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封 475004)

太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗教學(xué)探索

高惠平，田建軍，張振龍，毛艷麗

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封 475004)

為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力，使學(xué)生更好地掌握太陽能光伏發(fā)電的原理和技術(shù)，進行了太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計實驗教學(xué)探索。以自動控制太陽能路燈的設(shè)計實現(xiàn)為例，介紹了在綜合性、設(shè)計性實驗中，如何引導(dǎo)學(xué)生綜合運用理論知識，設(shè)計并搭建太陽能利用系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

太陽能；光伏發(fā)電；綜合設(shè)計性實驗

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，世界各國均致力于太陽能等可再生能源的開發(fā)與利用，特別是太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用已經(jīng)拓展到電力、建筑、通信、交通等各個領(lǐng)域[1-4]。太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電的核心器件，太陽能電池器件性能及應(yīng)用的研究得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)諸多高校已開設(shè)了與太陽能電池相關(guān)的理論課或?qū)嶒炚n。近幾年來，為了改進和提升教學(xué)效果，與太陽能電池相關(guān)的實驗教學(xué)改革得以不斷推進[5-9]。改變單一的、以演示和驗證為主的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，給學(xué)生開發(fā)出新穎、難度適中、面向應(yīng)用的綜合性、設(shè)計性實驗項目，是新時期實驗教學(xué)發(fā)展的必由之路，也是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在[10]。為此，我們進行了太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗教學(xué)的探索。

1 綜合設(shè)計性實驗項目的開發(fā)設(shè)計

綜合設(shè)計性實驗項目必須具備科學(xué)性、綜合性和探索性，要求學(xué)生能綜合運用所學(xué)知識及多種實驗技能解決有一定難度的實驗問題。實驗過程中，學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，探索實驗條件，分析和解決實驗問題。經(jīng)過綜合設(shè)計性實驗的訓(xùn)練，學(xué)生能夠理論聯(lián)系實際，使所學(xué)知識得以升華，創(chuàng)新能力得以提高。這些項目的設(shè)計應(yīng)注意以下三個問題：(1)現(xiàn)有實驗室的資源條件要能基本保證實驗項目的實施；(2)要考慮學(xué)生的知識水平和操作技能，使項目難度適中、可擴寬、可深入、可提高，滿足不同層次學(xué)生的需求；(3)項目要面向科技前沿、工程或?qū)嶋H應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性[10-13]。

太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗旨在以太陽能驅(qū)動為主題，通過多種實驗技術(shù)，實現(xiàn)一個小型、完整的太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)。該項目是在河南大學(xué)開發(fā)的近代物理實驗——“太陽能硅電池基本特性測定實驗”基礎(chǔ)上進行的，學(xué)生通過該項目可以了解光伏產(chǎn)業(yè)的行業(yè)背景和科技前沿。項目涵蓋物理學(xué)多個領(lǐng)域，包括光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、自動控制等，不同層次的學(xué)生都可以找到各自的切入點和深入的方向。項目的實施既有可參考的原型，又允許學(xué)生加入自己的創(chuàng)新思維，例如：添加新功能、嘗試新方法和設(shè)計新結(jié)構(gòu)等。依照實驗設(shè)定的框架，學(xué)生提出了許多太陽能驅(qū)動的方案，例如：“太陽能驅(qū)動帶風(fēng)扇的太陽帽”“太陽能驅(qū)動報警器”“自動控制太陽能路燈”與“太陽能手機充電器”等。下面以“自動控制太陽能路燈”為例，介紹太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗如何開展。

2 綜合設(shè)計性實驗開展的步驟

2.1 提出設(shè)計方案

在方案設(shè)計階段，教師只需給出方案的基本要求，具體方案的設(shè)計和實施要求學(xué)生自己動手、動腦，既要留給學(xué)生足夠的探索空間，又要求不能偏離主題?！白詣涌刂铺柲苈窡粝到y(tǒng)”的基本要求是：(1)以太陽能電池為電源；(2)實現(xiàn)路燈的自動開啟和關(guān)閉。

學(xué)生通過文獻調(diào)研和資料收集整理，總結(jié)出自動控制太陽能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其他太陽能產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相差不大，主要區(qū)別在于：太陽能電池和用電器的工作時間不一致，在陽光充足的白天，太陽能電池輸出的電能必須被存儲起來，等到晚上或光線不足的時候供給路燈，即系統(tǒng)需要一個儲能元件；要實現(xiàn)路燈的自動開關(guān)，系統(tǒng)需要一個控制路燈開關(guān)的控制器。

根據(jù)太陽能路燈的工作特點，學(xué)生設(shè)計了自動控制太陽能路燈的主要組成部分，包括：太陽能電池板、儲能元件、充/放電控制器、路燈控制器、燈具。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其工作原理為：白天，太陽能電池板將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能輸出，并通過充/放電控制器給儲能元件充電；晚上，儲能元件通過路燈開關(guān)控制器給路燈供電，同時通過充/放電控制器防止儲能元件給太陽能電池板充電。圖2是學(xué)生繪制的實現(xiàn)自動控制太陽能路燈的基本電路圖。

2.2 實施設(shè)計方案

方案的實施過程是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力的集中體現(xiàn)。方案的實施首先要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計方案，細化出每一小單元具體需要的材料和元件，并根據(jù)電路圖計算出各元件的具體參數(shù)。在選擇實驗材料時，要求學(xué)生調(diào)研資料并根據(jù)所學(xué)相關(guān)理論知識給出材料選擇的依據(jù)。在調(diào)研和論證的過程中，學(xué)生加深了對涉及的理論知識的理解。實驗室提供常用的光學(xué)元件、電學(xué)元件、測量及焊接工具等，如學(xué)生提出能體現(xiàn)其創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的原材料購買需求，可與指導(dǎo)教師研討、論證后報實驗室購買。自動控制太陽能路燈的材料選擇分為以下幾個部分：

圖1 自動控制太陽能路燈系統(tǒng)示意圖

圖2 自動控制太陽能路燈電路圖

1)太陽能電池板的選擇

太陽能電池板的分類有很多種[14]，學(xué)生通過了解不同類型電池板的優(yōu)缺點，選擇合適的電池板。實驗室提供市場占有率高、光電轉(zhuǎn)換效率高和使用壽命長的晶體硅太陽能電池板作為路燈的電源，學(xué)生可以根據(jù)實際需要進行串/并聯(lián)設(shè)計。電池板具體參數(shù)為：65 mm×74 mm，電壓3.5 V，電流155 mA，功率0.532 5 W。

2)儲能元件的選擇

儲能元件有電感型、電容型、化學(xué)蓄電池和超導(dǎo)儲能等。實驗室一般提供聚合物鋰蓄電池，具有循環(huán)壽命長、放電平臺平緩、單個電池的電壓高、能量密度高等優(yōu)點。蓄電池具體參數(shù)為：電壓3.7 V，容量300 mAh。

3)路燈的選擇

路燈有高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、汞燈、節(jié)能燈、LED燈等可供選擇。根據(jù)太陽能電池板產(chǎn)生直流電的特性，學(xué)生選擇LED燈作為負載。 LED燈具有體積小、耗電量小和壽命長的優(yōu)點。若選擇節(jié)能燈等，學(xué)生還需考慮設(shè)計DC/AC轉(zhuǎn)換及升壓模塊等[15]。LED燈具體參數(shù)為：功率0.064 W，電壓3.2 V，電流20 mA。

4)充/放電控制器的選擇

太陽能充/放電控制器的主要作用是保護蓄電池。因選擇的蓄電池帶防過充和防過放保護電路，因此，一般學(xué)生只需考慮防倒充，即采用二極管防止蓄電池給太陽能電池板充電。工程用控制器基本功能必須具備過充保護、過放保護、光控、時空防反接等。實驗過程中，一些能力強且興趣高的學(xué)生可嘗試采用單片機控制或者采用比較器控制。

5)路燈開關(guān)控制器的選擇

目前，常用的開關(guān)控制器有光控控制器、時鐘控制器、經(jīng)緯型控制器等，不同的控制器有不同的控制原理和各自的優(yōu)缺點。例如，相對簡單地可利用光敏電阻、變阻器和三極管實現(xiàn)LED燈亮度的調(diào)節(jié)及開關(guān)。

選擇合適的元件和材料后，就可以進行組裝和調(diào)試了。圖3是學(xué)生們組裝出來的自動控制太陽能路燈模型。該模型在夜晚無光照條件下可以通過光控開關(guān)自動發(fā)亮，而且LED燈根據(jù)環(huán)境光的強弱可自動調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，通過光功率測試發(fā)現(xiàn)，在暗室環(huán)境下LED燈的發(fā)光量最大。在實驗組裝、調(diào)試過程中，學(xué)生們不斷發(fā)現(xiàn)新的問題，并積極尋找解決問題的途徑，同時，實驗方案被不斷地修改和完善。通過設(shè)計方案的實施，學(xué)生的綜合實驗技能和創(chuàng)新能力得到了有效地提高。

圖3 自動控制太陽能路燈模型

2.3 撰寫實驗報告

世界著名物理學(xué)家和化學(xué)家法拉第指出，“科學(xué)研究有三個階段，首先是開拓，其次是完成，第三是發(fā)表”。實驗項目完成后，要求學(xué)生認真撰寫實驗報告。在報告中要充分體現(xiàn)自己對項目的理解和認識，對實驗過程中的各個步驟進行思考：出現(xiàn)過什么問題？解決的方法和策略是什么？對實驗設(shè)計細節(jié)進行反思：是否存在不足之處？如何進行改進？能否進一步拓展？對實驗結(jié)果進行總結(jié)：是否完成了預(yù)設(shè)目標？自己有哪些新的認識？項目有哪些創(chuàng)新之處？此外，還可以模仿或參考數(shù)據(jù)庫中科研論文的范例，結(jié)合自己的實驗項目，撰寫小論文。實驗報告的撰寫，不但鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力，也能鍛煉文字表達能力，為學(xué)生申報各類創(chuàng)新項目和撰寫畢業(yè)論文奠定良好的基礎(chǔ)。

3 教學(xué)效果

太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗的開設(shè)收到了良好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍認為題目貼近現(xiàn)實生活，學(xué)習(xí)興趣顯著增強，參與實驗的主動性明顯提高；項目的實施培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，真正做到學(xué)以致用。學(xué)生在調(diào)研資料、設(shè)計方案、不同項目小組進行交流學(xué)習(xí)的過程中，分析問題和解決問題的能力得到了提升，知識面也得到了擴展。項目完成后，學(xué)生看著自己的設(shè)計成果，成就感和自豪感油然而生。此外，綜合設(shè)計性實驗的相對復(fù)雜性也培養(yǎng)了學(xué)生團結(jié)協(xié)作的團隊意識和嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。

4 結(jié)束語

太陽能光伏發(fā)電是新能源利用的重要方式之一。本文以自動控制太陽能路燈為例，介紹了如何開展太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗教學(xué)。太陽能光伏發(fā)電綜合設(shè)計性實驗項目中涉及光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、自動控制等知識，不僅培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，還拓寬了學(xué)生的知識面和科技視野，鍛煉和提升了學(xué)生的綜合實驗技能和創(chuàng)新能力。

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Teaching Exploration of Comprehensive Design Experiments Based on Solar Photovoltaic System

GAO Huiping，TIAN Jianjun，ZHANG Zhenlong，MAO Yanli

(School of Physics and Electronics, He’nan University, Kaifeng 475004, China)

In order to cultivate the students’ comprehensive design ability, make students better grasp the principle and technology of solar photovoltaic, teaching exploration of comprehensive design experiments based on solar photovoltaic system have been made. Take “the design of automatically control solar street lights” for an example, this paper discussed how to carry out a comprehensive design experiment. We guided students to design and build a system of solar energy utilization, and cultivated their engineering oriented application ability and innovation ability.

solar energy; photovoltaic; comprehensive design experiments

2014-07-24

高惠平(1979-)，女，博士，副教授，主要從事光電功能材料和近代物理實驗教學(xué)與研究工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.031