浅谈电路课程教学与科研案例的结合

李玉玲，王晓坤，储江龙

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

“电路原理”课程是我国高校电气和电子信息类专业的一门专业基础课程。在该课程教学过程中，培养学生的工程观念和研究能力业已形成共识，并通过各种教学方法和教学手段来实现这一目标［1-4］。然而令人不尽如意的是:由于“电路原理”课程内容的基础性较强，很难将教学内容与前沿的科学研究相结合，这对开拓学生的学术视眼、培养学生的研究兴趣和创新意识是不利的。

笔者在“电路原理”课程教学中，尝试将电路原理基础知识与工程应用和科研相结合，并通过简单的科研案例对学生进行科研思路和方法训练，使学生深刻理解电路的基础知识和实用价值，掌握科学研究的基本方法，提高研究能力和研究兴趣，拓宽视野，培养创新意识。

太阳能技术是目前世界研究和开发的热点之一［5，6］。笔者通过在“电路原理”教学中引入一个示例——光伏电池的建模和仿真，来介绍“电路原理”教学与前沿科研案例结合这一思路的应用。

1 教学与科研案例结合示例

在实际工程应用和研究中，为了对工程问题进行分析，首先需要对此工程问题建模，以某一电路分析为例，根据该电路所含元件的主要物理性质，抽象成理想化的电路模型。

在传统“电路原理”教材和教学中，我们只强调对电路的基本分析方法和求解，而学生对电路模型的来源和应用并不理解，也没有深入到电路模型的抽象建模概念。

笔者在“电路原理”教学中，从光伏电池板的建模出发，引入电路模型的概念，说明工程问题中电路模型的建立过程和方法。并要求学生在课后对建立的电路模型利用软件Matlab仿真验证。

1.1 光伏电池板电路模型的建立

光伏电池本身是一个PN结，基本特性与二极管类似，其等效电路由光生电流源及一系列电阻(内部并联电阻和串联电阻)组成。光伏电池输出伏安特性可表示为［5］:

式中，Iph为光电流;I0为二极管的反向饱和电流;n为二极管因子，q为电子电荷常数 (1.6*10-19C)。k为玻耳兹曼常数 (1.38*10-23J/K);T为电池板温度(开尔文);Rs为串联电阻;Rsh为并联电阻;I为光伏电池板输出电流;U为光伏电池板输出电压。

我们可由式(1)所表达的电压电流关系，引导学生建立其电路模型。通过几轮讨论和修正，可以得出光伏电池板的等效电路模型如图1所示。

图1 光伏电池板的等效电路模型

在图1中，Id为流过二极管的电流，Ish为流过内部并联电阻RSh的电流。

该模型是否正确，要求学生课后阅读一些参考文献，并且进行下一步的Matlab仿真验证。

1.2 光伏电池板电路模型的仿真验证

为了验证图1所示光伏电池板等效电路模型的正确性，选择 Suntech公司生产的光伏电池板STP170-24/Ab-1的参数作为仿真模型，其给定的电压电流关系如图2所示。在光照为1000W/m2，温度为25°C的标准条件下的具体参数为:最大工作功率为170W，开路电压为43.8V，短路电流为5.14A，最大工作点电压为35.2V，电流为4.83A。要求学生按照上述参数作为课后练习完成光伏电池板的Matlab仿真。通过该仿真训练，既让学生学习和应用了先进的计算机软件，又学会了研究工程问题的基本方法和基本工具。

图2 光伏电池板的电压电流功率特性曲线

经过一周的课后实践，笔者组织学生讨论的仿真结果和心得，大部分学生都能顺利完成。未完成的学生则可以在讲解之后继续完成。

1.3 光伏电池板电路模型的验证结果

通过对图1电路的仿真验证，可得图3的仿真结果。其中图3(a)表示在不同的光照下，光伏电池板电压和电流的关系曲线，图3(b)表示在不同的光照下，光伏电池板功率和电压的关系曲线。从图3可以看出，在不同的光照下，电流随电压的变化规律，功率随电压的变化规律都与图2给定的光伏电池板STP170-24/Ab-1的变化规律基本一致。从图3(a)可见，在光照为1000W/m2，温度为25°C的标准条件下，仿真所得的开路电压为Uoc=43.8V，短路电流为Isc=5.14A，与图2光伏电池板STP170-24/Ab-1给定的开路电压和短路电流完全吻合;图3(b)给出了仿真所得最大功率为Pmax=170.3W，最大功率点对应电压 Um=35.8V，电流 Im=4.75A，也与STP170-24/Ab-1光伏电池板给定参数基本一致。证明了仿真方法的正确性，说明所建立的电路模型是正确的。

图3 光伏电池板验证结果曲线

2 教学与科研案例结合的启示

通过上述光伏电池板的建模和仿真，学生学会了查阅文献，阅读科研资料，也了解了更多的有关光伏发电的知识。因此在学习到“电路原理”课程中的最大功率传输定理时，学生可能就会对光伏发电系统的最大功率跟踪及实现等问题产生兴趣。

从图3可以看出，在特定的光照和温度条件下，光伏电池板的输出功率有最大值。为充分利用光伏电池板所产生的电能，在光伏发电系统中，必须进行最大功率跟踪。而在实际的光伏发电系统中，如何实现最大功率跟踪呢?这和“电路原理”课中的最大功率传输定理有什么区别和联系?

我们可以对学生的这些问题进行引导，如给出一个如图4所示最简单的独立光伏发电系统原理。图中PV部分表示光伏电池板，其等效电路如图1所示。我们可以让学生通过阅读文献找到问题的答案。有的学生还会继续深入研究，对学到的方法进行仿真验证，还有学生会要求搭建具体的实验电路来验证。

图4 独立光伏发电系统主电路

3 结语

通过教学与科研案例结合，学生收获的知识远远超出了“电路原理”课程的范围。既让学生了解电路原理基本方法在工程实际、科学前沿研究中的应用，也掌握了研究实际工程科研问题的基本思路，培养了研究兴趣。

我们通过引入实际的工程研究案例——光伏电池板的建模和仿真验证，展示了教学与科研案例结合法的优越性。

因此，在“电路原理”课堂教学中，淡化电路分析方法和计算技巧方面的内容，增加教学与前沿科研案例相结合的内容，从实际工程的需要提出理论和分析的必要性，将有利拓宽学生视野，提高学习的兴趣，增强学习的积极性和主动性，培养学生分析问题和解决问题的综合研究能力，这对应用型人才和创新型人才的培养都将是非常有益的。

［1］ 于歆杰，朱桂平，陆文娟，刘秀成等.“电路原理”课程教学改革的理念与实践［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(1)

［2］ 龚绍文，郑君里，于歆杰.电路课程的历史、现状和前景［J］.南京:电气电子教学学报，2011，33(6):5-12

［3］ 肖冬萍，李新，李春燕.在“电路原理”教学中培养学生的工程观念［J］.南京:电气电子教学学报，2008，30(1):115-117

［4］ 于歆杰，陆文娟，王树民.专业基础课中的研究型教学——清华大学电路原理课案例研究［J］.武汉:高等工程教育研究，2006，(1):118-121

［5］ 吴海涛，孔 娟，夏东伟.基于MATLAB/Simulink的光伏电池建模与仿真［J］.青岛:青岛大学学报(工程技术版).2006，21(4):74-77

［6］ 黄克亚.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究［J］.苏州:电工电气.2011(2):22-25