師青梅，皮 偉

（華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京 102206）

虛擬儀器是20世紀90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，是在通用計算機平臺上，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)功能軟件化，通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器，已廣泛應(yīng)用于理論教學(xué)、原理研究、工程設(shè)計等領(lǐng)域。

將虛擬儀器的強大功能應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)中，不僅可以變抽象思維為形象思維，還可以給學(xué)生一個充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力和展現(xiàn)才能的空間，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［1］。本文介紹虛擬儀器技術(shù)在太陽能電池基本特性測量實驗中的創(chuàng)新應(yīng)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(fā)，在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)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(shù)據(jù)采集板和軟件可以構(gòu)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)的實驗室建設(shè)已成為實驗室建設(shè)的重要組成部分。

虛擬儀器的硬件分為基礎(chǔ)硬件平臺和外圍硬件設(shè)備?；A(chǔ)硬件平臺選用計算機；外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計算機外置測試設(shè)備和內(nèi)置模塊，主要是數(shù)據(jù)采集板及其附件。虛擬軟件與通用計算機軟件構(gòu)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(wù)，其中應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必需的軟件工具與環(huán)境。

目前，有2類較流行的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境：一是用傳統(tǒng)的編程語言設(shè)計虛擬儀器，如Labwindows等；二是圖形編程語言設(shè)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(fā)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(fēng)格［4－5］。

2 技術(shù)研發(fā)

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(huán)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(yīng)用研究得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)諸多高校在大學(xué)物理實驗中也先后開設(shè)了太陽能電池特性研究實驗［9－14］。然而，常規(guī)的太陽能電池基本特性測量實驗是用萬用表作為數(shù)據(jù)測量儀器的，只能獲取有限的離散數(shù)據(jù)，不具備全面、直觀的動態(tài)展示功能，不利于學(xué)生對太陽能電池光電特性的理解。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池實驗教學(xué)是提高實驗教學(xué)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(yīng)，將吸收的光能轉(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)體材料的禁帶寬度，則光子將被太陽能電池吸收而產(chǎn)生電子－空穴對，以恒定速率產(chǎn)生的電子－空穴對提供通過PN 結(jié)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(shù)。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(shù)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(shù)據(jù)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(guān)k，開通40W 白光源，調(diào)節(jié)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(tǒng)軟件，閉合開關(guān)k，連續(xù)慢速從大到小調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值，直至滑動變阻器阻值為0；實驗中動態(tài)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(guān)按鈕，計算太陽能電池板基本特性參數(shù)。

2.3 軟件系統(tǒng)功能與實驗結(jié)果示例

U－I 曲線和P－R 曲線動態(tài)繪制及Pmax程序如圖3所示。

圖3 U－I 曲線、P－R 曲線動態(tài)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(jié)果如圖6所示。

本實驗系統(tǒng)除能完成實驗大綱要求的內(nèi)容外，還支持對實驗內(nèi)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(shù)據(jù)曲線及結(jié)果截屏圖

3 應(yīng)用及效果

太陽能電池基本特性測量實驗主要面對大學(xué)理工科專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)，測量太陽能電池伏安特性、光電流與負載關(guān)系、最大輸出功率以及填充因子等幾個基本特性和參數(shù)，是目前國內(nèi)很多高校大學(xué)物理實驗課程開設(shè)的一個非常重要的實驗項目。大學(xué)物理實驗課程通常開在理工科學(xué)生專業(yè)實驗之前，是學(xué)生進入大學(xué)以后接受的第一個系統(tǒng)的實驗教學(xué)課程，也是培養(yǎng)該學(xué)習(xí)階段學(xué)生的操作技能和實驗素養(yǎng)的重要課程。由于該學(xué)習(xí)階段學(xué)生的實驗判斷能力和分析總結(jié)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(shù)的變化，迅速、直觀地觀測到不同實驗條件對測量結(jié)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(shù)據(jù)點，然后采用坐標紙作圖法繪出實驗曲線，擬合出特性參數(shù)。這種方法遺漏了很多數(shù)據(jù)點，無法實現(xiàn)連續(xù)實時測量，實驗形式也過于單一，不能滿足學(xué)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(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)采集和描繪，讓學(xué)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(shù)。另外，學(xué)生可以在有限的時間內(nèi)重復(fù)多次測量，加深和鞏固對太陽能電池基本特性和基本參數(shù)的理解，充實實驗教學(xué)內(nèi)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(xiàn)有的太陽能電池基本特性測量實驗中，學(xué)生反映良好，增加了學(xué)生對科學(xué)實驗的好奇心，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了良好的教學(xué)效果。

以上實驗是虛擬儀器技術(shù)在太陽能電池實驗教學(xué)中的創(chuàng)新和實踐，該技術(shù)還可應(yīng)用于霍爾元件測磁場、普朗克常數(shù)的測定、光敏元件特性的測量、光纖特性測量等大學(xué)物理實驗教學(xué)中，以實現(xiàn)實驗過程和數(shù)據(jù)處理的圖示化和可視化，提高物理實驗教學(xué)的效果。

4 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)的太陽能電池實驗教學(xué)具有數(shù)據(jù)記錄精度高、實驗效率高的特點，能實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)測量的實時、動態(tài)采集和描繪，有助于學(xué)生對物理實驗內(nèi)容及結(jié)果的理解。

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