太阳能光伏发电综合设计性实验教学探索

高惠平，田建军，张振龙，毛艳丽

(河南大学 物理与电子学院， 河南 开封 475004)

太阳能光伏发电综合设计性实验教学探索

高惠平，田建军，张振龙，毛艳丽

(河南大学 物理与电子学院， 河南 开封 475004)

为了培养学生的综合设计能力，使学生更好地掌握太阳能光伏发电的原理和技术，进行了太阳能光伏发电综合设计实验教学探索。以自动控制太阳能路灯的设计实现为例，介绍了在综合性、设计性实验中，如何引导学生综合运用理论知识，设计并搭建太阳能利用系统，培养学生面向工程的应用能力和创新能力。

太阳能；光伏发电；综合设计性实验

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，世界各国均致力于太阳能等可再生能源的开发与利用，特别是太阳能光伏发电的应用已经拓展到电力、建筑、通信、交通等各个领域[1-4]。太阳能电池是太阳能光伏发电的核心器件，太阳能电池器件性能及应用的研究得到了学术界和工业界的广泛关注。国内诸多高校已开设了与太阳能电池相关的理论课或实验课。近几年来，为了改进和提升教学效果，与太阳能电池相关的实验教学改革得以不断推进[5-9]。改变单一的、以演示和验证为主的传统实验教学模式，给学生开发出新颖、难度适中、面向应用的综合性、设计性实验项目，是新时期实验教学发展的必由之路，也是提高教学质量的关键所在[10]。为此，我们进行了太阳能光伏发电综合设计性实验教学的探索。

1 综合设计性实验项目的开发设计

综合设计性实验项目必须具备科学性、综合性和探索性，要求学生能综合运用所学知识及多种实验技能解决有一定难度的实验问题。实验过程中，学生自行设计实验方案，探索实验条件，分析和解决实验问题。经过综合设计性实验的训练，学生能够理论联系实际，使所学知识得以升华，创新能力得以提高。这些项目的设计应注意以下三个问题：(1)现有实验室的资源条件要能基本保证实验项目的实施；(2)要考虑学生的知识水平和操作技能，使项目难度适中、可扩宽、可深入、可提高，满足不同层次学生的需求；(3)项目要面向科技前沿、工程或实际应用，从而激发学生的学习兴趣和积极性[10-13]。

太阳能光伏发电综合设计性实验旨在以太阳能驱动为主题，通过多种实验技术，实现一个小型、完整的太阳能光伏发电应用系统。该项目是在河南大学开发的近代物理实验——“太阳能硅电池基本特性测定实验”基础上进行的，学生通过该项目可以了解光伏产业的行业背景和科技前沿。项目涵盖物理学多个领域，包括光学、力学、电学、自动控制等，不同层次的学生都可以找到各自的切入点和深入的方向。项目的实施既有可参考的原型，又允许学生加入自己的创新思维，例如：添加新功能、尝试新方法和设计新结构等。依照实验设定的框架，学生提出了许多太阳能驱动的方案，例如：“太阳能驱动带风扇的太阳帽”“太阳能驱动报警器”“自动控制太阳能路灯”与“太阳能手机充电器”等。下面以“自动控制太阳能路灯”为例，介绍太阳能光伏发电综合设计性实验如何开展。

2 综合设计性实验开展的步骤

2.1 提出设计方案

在方案设计阶段，教师只需给出方案的基本要求，具体方案的设计和实施要求学生自己动手、动脑，既要留给学生足够的探索空间，又要求不能偏离主题。“自动控制太阳能路灯系统”的基本要求是：(1)以太阳能电池为电源；(2)实现路灯的自动开启和关闭。

学生通过文献调研和资料收集整理，总结出自动控制太阳能路灯系统的结构与其他太阳能产品的结构相差不大，主要区别在于：太阳能电池和用电器的工作时间不一致，在阳光充足的白天，太阳能电池输出的电能必须被存储起来，等到晚上或光线不足的时候供给路灯，即系统需要一个储能元件；要实现路灯的自动开关，系统需要一个控制路灯开关的控制器。

根据太阳能路灯的工作特点，学生设计了自动控制太阳能路灯的主要组成部分，包括：太阳能电池板、储能元件、充/放电控制器、路灯控制器、灯具。系统的结构框图如图1所示。其工作原理为：白天，太阳能电池板将太阳辐射转换为电能输出，并通过充/放电控制器给储能元件充电；晚上，储能元件通过路灯开关控制器给路灯供电，同时通过充/放电控制器防止储能元件给太阳能电池板充电。图2是学生绘制的实现自动控制太阳能路灯的基本电路图。

2.2 实施设计方案

方案的实施过程是培养学生理论联系实际能力的集中体现。方案的实施首先要求学生根据设计方案，细化出每一小单元具体需要的材料和元件，并根据电路图计算出各元件的具体参数。在选择实验材料时，要求学生调研资料并根据所学相关理论知识给出材料选择的依据。在调研和论证的过程中，学生加深了对涉及的理论知识的理解。实验室提供常用的光学元件、电学元件、测量及焊接工具等，如学生提出能体现其创新思维和创新能力的原材料购买需求，可与指导教师研讨、论证后报实验室购买。自动控制太阳能路灯的材料选择分为以下几个部分：

图1 自动控制太阳能路灯系统示意图

图2 自动控制太阳能路灯电路图

1)太阳能电池板的选择

太阳能电池板的分类有很多种[14]，学生通过了解不同类型电池板的优缺点，选择合适的电池板。实验室提供市场占有率高、光电转换效率高和使用寿命长的晶体硅太阳能电池板作为路灯的电源，学生可以根据实际需要进行串/并联设计。电池板具体参数为：65 mm×74 mm，电压3.5 V，电流155 mA，功率0.532 5 W。

2)储能元件的选择

储能元件有电感型、电容型、化学蓄电池和超导储能等。实验室一般提供聚合物锂蓄电池，具有循环寿命长、放电平台平缓、单个电池的电压高、能量密度高等优点。蓄电池具体参数为：电压3.7 V，容量300 mAh。

3)路灯的选择

路灯有高压钠灯、金属卤化物灯、汞灯、节能灯、LED灯等可供选择。根据太阳能电池板产生直流电的特性，学生选择LED灯作为负载。 LED灯具有体积小、耗电量小和寿命长的优点。若选择节能灯等，学生还需考虑设计DC/AC转换及升压模块等[15]。LED灯具体参数为：功率0.064 W，电压3.2 V，电流20 mA。

4)充/放电控制器的选择

太阳能充/放电控制器的主要作用是保护蓄电池。因选择的蓄电池带防过充和防过放保护电路，因此，一般学生只需考虑防倒充，即采用二极管防止蓄电池给太阳能电池板充电。工程用控制器基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时空防反接等。实验过程中，一些能力强且兴趣高的学生可尝试采用单片机控制或者采用比较器控制。

5)路灯开关控制器的选择

目前，常用的开关控制器有光控控制器、时钟控制器、经纬型控制器等，不同的控制器有不同的控制原理和各自的优缺点。例如，相对简单地可利用光敏电阻、变阻器和三极管实现LED灯亮度的调节及开关。

选择合适的元件和材料后，就可以进行组装和调试了。图3是学生们组装出来的自动控制太阳能路灯模型。该模型在夜晚无光照条件下可以通过光控开关自动发亮，而且LED灯根据环境光的强弱可自动调节发光亮度，通过光功率测试发现，在暗室环境下LED灯的发光量最大。在实验组装、调试过程中，学生们不断发现新的问题，并积极寻找解决问题的途径，同时，实验方案被不断地修改和完善。通过设计方案的实施，学生的综合实验技能和创新能力得到了有效地提高。

图3 自动控制太阳能路灯模型

2.3 撰写实验报告

世界著名物理学家和化学家法拉第指出，“科学研究有三个阶段，首先是开拓，其次是完成，第三是发表”。实验项目完成后，要求学生认真撰写实验报告。在报告中要充分体现自己对项目的理解和认识，对实验过程中的各个步骤进行思考：出现过什么问题？解决的方法和策略是什么？对实验设计细节进行反思：是否存在不足之处？如何进行改进？能否进一步拓展？对实验结果进行总结：是否完成了预设目标？自己有哪些新的认识？项目有哪些创新之处？此外，还可以模仿或参考数据库中科研论文的范例，结合自己的实验项目，撰写小论文。实验报告的撰写，不但锻炼学生的科学思维能力，也能锻炼文字表达能力，为学生申报各类创新项目和撰写毕业论文奠定良好的基础。

3 教学效果

太阳能光伏发电综合设计性实验的开设收到了良好的教学效果。学生普遍认为题目贴近现实生活，学习兴趣显著增强，参与实验的主动性明显提高；项目的实施培养了学生理论联系实际的能力、面向工程的应用能力和创新能力，真正做到学以致用。学生在调研资料、设计方案、不同项目小组进行交流学习的过程中，分析问题和解决问题的能力得到了提升，知识面也得到了扩展。项目完成后，学生看着自己的设计成果，成就感和自豪感油然而生。此外，综合设计性实验的相对复杂性也培养了学生团结协作的团队意识和严谨求实的科学态度。

4 结束语

太阳能光伏发电是新能源利用的重要方式之一。本文以自动控制太阳能路灯为例，介绍了如何开展太阳能光伏发电综合设计性实验教学。太阳能光伏发电综合设计性实验项目中涉及光学、电学、力学、自动控制等知识，不仅培养了学生理论联系实际的能力，还拓宽了学生的知识面和科技视野，锻炼和提升了学生的综合实验技能和创新能力。

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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，主要从事光电功能材料和近代物理实验教学与研究工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.031