太阳能光伏应用创新性实验的实践

2013-09-08杨宏伟

实验技术与管理 2013年9期

杨宏伟

（南京农业大学理学院物理系，江苏南京 210095）

大学是青年人成长的重要基地，上大学是大部分青年人的梦想和理想。经过小学和中学的艰苦努力和层层选拔，终于考取了大学。到大学里，就出现了一系列的问题，究竟应该怎么样学？学什么？是像中学一样，按部就班，老师讲什么，就学什么；上课听讲，下课写作业，作业做完对答案，还是发挥你的主观能动性，积极、主动、创造性地学习，是摆在大学生面前的课题。同时，大学的教育工作者，有责任将这项工作做好。基于这样的目的，2012年我校开设了“创新性实验”教学项目。作者审视了当前世界能源危机和基于物理学的应用申请了“太阳能光伏应用实验”教改项目，作为全校本科生利用业余时间开设的一门选修科目进行了实践［1－4］，取得了阶段性成果。

1 项目实践性强，学生报名踊跃

受国内外能源危机日益加剧的影响，近年来，国内外都在寻找新的可替代的能源，太阳能、风能和天然气等新兴能源就逐渐受到了人们的重视。太阳能等与化石类的能源石油或煤炭相比，不但清洁而且蕴藏量丰富，特别是太阳能和风能，几乎是用之不竭的清洁能源［5－6］。而与农业生产密切相关的、能够有效促进农业产量提高，容易被农业生产应用的则首推是太阳能。万物生长靠太阳，植物的光合作用，动物生长的阳光雨露，都与太阳能紧密相关，与大学生的专业背景紧密联系［7－8］。

我校作为“211工程”建设的全国重点农业高校，具有110年的办学历史，现有60个本科专业，主要是与农业、工业、经济、管理和金融等相关的学科。直接涉及农业的专业有30多个，如农学、植物保护、园艺、环境保护、中药学和生物科学等。这些专业的应用背景明确，大都与植物或动物的生长繁殖紧密相关联，因此，与太阳能相关的课程，就受到了学生的重视。作为一门具有创新性的实践课程，学校采取自由报名的方式进行，但由于受到实验室空间等条件的限制，虽然学校只允许30人报名，但实际报名人数仍然达到了60人，其按学科专业类别划分，学生报名情况如表1所示。

表1 报名学生学科或专业分布

从报名的学生的学科或专业分布可以看出，对光照的利用有强烈需求的这些专业，其学生更重视这门课程的学习，他们迫切要对课程的进一步了解，更希望能够从太阳能方面入手，看看对自己专业知识的拓展有多大的帮助。

2 教学内容的选取

太阳能光伏应用实验的内容很多，受该课程只有18学时的限制，为了使学生既能充分利用这有限的时间，又能对太阳能光伏有个比较好的了解、认知和实践，我们主要进行了以下3个方面的工作。

2.1 国内外太阳能光伏产业的现状介绍

近几年，国内外的太阳能光伏产业的产量和厂家数量增长迅速，几乎是一夜之间，全国各地出现了无数家太阳能光伏生产厂家。状况到底如何，我们需要有个清醒的认识。我们要认识到虽然我国太阳能光伏板的产量很高，占世界总产量的60%，价格也很低廉，有一定的市场优势，但我们很少有核心技术。我们的生产，大多类似于代工的形式，在技术上仍然处于被动局面。所以，在一片繁荣之后，暗藏着巨大的危机。这是需要我们向学生介绍的重要内容之一，目的是希望学生能好好学习，力争通过大学学习，自己能掌握一些本专业的核心技术，为本专业作贡献，为国家社会多作贡献，从而激发学生的学习积极性。

同时，太阳能的利用，并不像一些媒体宣传的那么光芒四射，它也有其自身的严重不足，这也是作为教学的内容必须让学生知道的，例如，它受到天气阴晴的影响，以及受蓄电池的影响较大，成本较高，维护很艰难等，也是我们必须面对的。

2.2 太阳能光伏与现代农业、生物学和信息产业等学科的关系

太阳能光伏产业，应该说是个朝阳产业，正在不断壮大。现代农业，为了提高产量，加快育种繁殖，仅靠自然太阳光和环境已经不够了。于是，就需要人造环境，例如，通过太阳能光伏板与蓄电池，将白天的能量收集起来，在晚上或其他适当时间段，通过电能的释放，调节对植物的照明或其他影响，就可以达到提高农业产量和品质，改变生物学性状的作用。例如，农作物的24小时不间断的光照射，促进其光合作用的进行；农业养殖业（鸡，猪，牛等），调节照明，可以影响产蛋、产仔和产奶量；利用有害昆虫的趋光性，可以在晚上利用太阳能点亮诱虫灯进行诱虫，达到生物物理学防治害虫的目的，这种方法环保且简单易行，可以普及应用；将信息产业中的控制技术引进来，利用所学的计算机知识、单片机技术和数据库原理等，将太阳能光伏的控制系统做好，达到人们想要的适时控制的要求，既可以节约能源，充分利用能源，又可以实现无人化管理。以上的应用实例，都是现代社会所需要的，还有很多其他方面的应用待开发，前途广阔。

2.3 太阳能光伏电路的简单核算、设计、组装、实验方法及实验介绍

创新性实验，不但要求学生会做，而且还应让学生知道为什么这么做，于是我们结合学生的实际情况，介绍太阳能光伏电路的简单设计和核算问题［9－10］。例如，按照目的和要求，以南京市为例，查找一年四季的平均日照时间及分布规律和光强，进而计算所需要太阳能光伏板的大小。考虑太阳能光伏板的大小、倾角和效率等参数，再核算太阳能控制器的电压、电流、功率等要求，然后选型号，进一步选配合适的蓄电池。在太阳能光伏应用过程中，蓄电池所占成本较高，它体积和重量都比较大，而且含有一定的污染物，后期处理要考虑环保问题，这都给学生做了较为详细的介绍。

在组装实验装置时通过实际操作，让每位学生都有动手的机会，还可以装了拆、拆了可以再装，直到实现其功能［11－12］，尽量满足学生的学习要求。

在实验具体内容方面，我们根据参加该项目的学生的不同专业背景和兴趣爱好，进行了分类指导，并考虑到经济和时间以及承受能力等因素，灵活掌握［13－14］。例如，学习农学的学生，将来主要是从事农作物育种和长势分析等工作，我们就选用价格低廉的大豆等种子作为实验原材料，其实验办法类似于“生豆芽”，采用白天自然生长，晚上利用贮存的电能，利用LED灯对其照明，促进其光合作用，并适当改变时间和照射光强等参数，观察对照比较其生长规律，以1～3人为一个小组，协作完成。学生都能很认真地做，并写好实验报告和结果分析。又如，学习中药材种植的和学习园艺的，让他们找个廉价的中药材或园艺物种来观察光照对植物生长的光合作用的影响。学习网络工程或信息技术类的，就让他们调研国内外太阳能光伏产业形势与展望，该行业的人才需求、技术储备等问题，同时，也让他们参与其他小组的实验，形成同学之间的学科交叉融合，互为补充，互相促进的态势。

3 实践结果分析

“太阳能光伏应用实验”创新性课程于2012年1月初报名，2012年5月份，太阳光强渐好，我们开始了理论学习与准备，6—9月份，利用夏季较好的太阳能和假期，我们广泛地开展实践活动。为了方便携带，我们采购了5～15W的体积较小的太阳能板和7～12 Ah的蓄电池等器件，允许学生带回到宿舍，甚至假期中带回家乡去做。因此，学生的积极性都很高。假期中，还经常有学生打来电话或亲自登门向教师请教，讨论实验方案或实验结果分析等问题，收到了很好的教学效果。总体来讲，体现在以下3个方面。

3.1 学生自行组装实验装置

受课时的限制，课堂上理论分析这一内容可以不讲，一方面是为了锻炼学生的能力，另一方面，考虑到其内容较简单，学生一学就会，没有特别繁杂的公式和计算，因此，学生乐意直接去做，自行设计组合该系统。为此，我们特意采购了不同尺寸、形状和功率的太阳能光伏板、控制器和蓄电池，以及照明用LED灯等器件，以满足学生设计组装和改装的需要。

3.2 实验内容灵活

因为是创新性实验，要求学生利用课外业余时间，结合自己的专业和兴趣去做，因此，教师只推荐题目，不限定内容。学生如果不选推荐题目，另有一些较好的想法的话，经过讨论分析，认为可行，也可以实践。这本来就是一种创新活动，所以，学生的兴趣很高，愿意通过自己动脑筋，参与的人也很多［15］。

3.3 实践内容大都与专业和兴趣紧密相关联

农业院校，种植、养殖和生物技术是强势学科，学生来本校学习，大部分都是对这些学科有兴趣的，学生都愿意学好。但由于这些技术已经过长期发展，再有重大突破也相当困难。于是，专业教师也会建议学生走学科交叉的路线，从中寻找新的灵感。因此，农学、中药栽培和环境设施等专业的学生非常感兴趣，很想实际动手实验，感受太阳能光伏的技术与他们的专业是如何结合的，以便有利于自己将来的专业发展和科研，而我们开设的这门创新性实验正好可以满足这方面的需求。该课程可以花较少的时间（总共只有18学时）就可以比较详细地了解整个过程，且理论与实践都基本学到了，因此，学生的积极性很高。

4 结束语

通过2012年的春天报名，夏秋季实验和冬季总结，我们较好地完成了“太阳能光伏应用实验”这门创新性实践课程的教学工作。通过该课程，学生了解了太阳能光伏产业的现状和前景，自己动手设计并组装了简单的太阳能光伏发电系统，并结合自己所学的专业，将太阳能光伏应用于农业生产实践中，并对结果进行分析。该实践课程自成一个体系，锻炼了学生从理论到实践，再从实践上升到理论的能力，形成了一个较为完整的科研训练链条，使学生在设计、组装、选题、具体实践、小团队建设及分工协作等多方面都得到了锻炼，达到了大学课程培养学生创造性的目的。以后如有机会，将会不断开展下去，为培养适合现代社会需求的人才而努力工作。

（References）

［1］杨宏伟.物理学［M］.3版.北京：中国农业出版社，2012.

［2］杨宏伟.对大学生科研训练的实践与思考［J］.实验技术与管理，2006，23（1）：15－16.

［3］杨宏伟.物理开放实验室的构建与实施［J］.实验室研究与探索，2006，25（3）：386－387.

［4］王云创，秦丹，刘俊杰，等.在实验教学中培养创造性思维能力［J］.实验室研究与探索，2010，29（5）：140－142.

［5］高惠滨，潘红兵，周进，等.太阳能创新实验室建设与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（2）：168－169.

［6］蔡永生，王德延.太阳能光伏发电新能源实验研究平台［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：66－67.

［7］徐文灿，袁俊，严伟，等.太阳能自动跟踪系统的探索与实验［J］.物理实验，2003，23（9）：45－48.

［8］季杰，程洪波，Chow T T，等.太阳能光伏光热一体化系统的实验研究［J］.太阳能学报，2005，26（2）：170－173.

［9］易昆南，于菲菲.在综合性、设计性实验中培养学生的创新能力［J］.实验技术与管理，2007，24（8）：8－10.

［10］郭阳雪，孔祥洪，杨渭，等.硅太阳能电池输出功率与负载匹配特性［J］.实验室研究与探索，2011，30（7）：20－22.

［11］杨宏伟.强化实践环节，促进研究性教学与素质教育相结合［J］.实验技术与管理，2006，24（1）：14－16.