基于項目驅(qū)動的光伏發(fā)電技術(shù)課程創(chuàng)新與實踐①

羅鵬輝 李可 陳龍 周攀 余俊杰

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)課程群教學(xué)體系進(jìn)行深入研究，圍繞光伏發(fā)電系統(tǒng)的課程內(nèi)容和教學(xué)實踐，將整個光伏發(fā)電系統(tǒng)分解成多個獨立的任務(wù)項目，構(gòu)建光伏系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的實訓(xùn)項目，通過項目任務(wù)引導(dǎo)和驅(qū)動學(xué)生自主進(jìn)行積極探索和主動學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)技術(shù)人才，為節(jié)能節(jié)電專業(yè)類似課程的實踐教學(xué)改革提供了新思路。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?創(chuàng)新實踐;自主學(xué)習(xí);項目任務(wù)

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）17-0108-02

隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，新能源的開發(fā)利用消耗比重逐年增加，隨著太陽能光伏電池與各類蓄電池技術(shù)的不斷提升，光伏電池轉(zhuǎn)換效率逐步提高。光伏發(fā)電將會逐步成為未來世界新能源的主要組成部分。光伏發(fā)電技術(shù)作為節(jié)電技術(shù)專業(yè)重要的一門課程，探討通過理論與實踐的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建節(jié)電技術(shù)與管理專業(yè)創(chuàng)新型高職實踐課程體系，探索創(chuàng)新的教學(xué)做一體的教學(xué)模式，在教學(xué)做一體化的理論與實踐結(jié)合的新型教學(xué)模式下，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分解為多個實訓(xùn)子項目任務(wù)，學(xué)生在課程深入學(xué)習(xí)中，不斷解決每個知識點所對應(yīng)的子項目任務(wù)，最后通過光伏仿真系統(tǒng)對完成的項目任務(wù)進(jìn)行仿真和調(diào)試，不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最后融會貫通掌握整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的全部知識，同時有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和實踐創(chuàng)新精神。

一、現(xiàn)階段光伏發(fā)電技術(shù)課程體系存在的主要問題

現(xiàn)階段高職院校開展光伏發(fā)電技術(shù)的教學(xué)工作，多數(shù)專業(yè)處于理論教學(xué)與實踐動手教學(xué)相脫離，實際動手制作處于滯后階段，學(xué)與做脫離，教學(xué)效果較差?，F(xiàn)有的光伏發(fā)電技術(shù)教材內(nèi)容相對偏理論化，與具體實際光伏應(yīng)用技術(shù)脫節(jié)，理論教材的教學(xué)內(nèi)容更多從理想工作環(huán)境去設(shè)計光伏發(fā)電的各個環(huán)節(jié)，卻沒有與外部變化的變量相結(jié)合，學(xué)生可以對光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解，但是學(xué)生設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)無法適應(yīng)和滿足現(xiàn)實光伏發(fā)電系統(tǒng)的要求。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一個完整的系統(tǒng)對系統(tǒng)每個組成部分有較高要求，從太陽能電池的設(shè)計到電氣系統(tǒng)的搭配，每一個環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行精確計算與分析，學(xué)生在沒有深入地對每個環(huán)節(jié)進(jìn)行實踐仿真與實際動手設(shè)計時，則無法設(shè)計出光伏發(fā)電系統(tǒng)中每個組成部分的精確參數(shù)和對應(yīng)的控制方法。光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，對學(xué)生掌握光伏發(fā)電技術(shù)這門課程提出了更高的要求，要求教師和學(xué)生必須主動進(jìn)行光伏實踐，不斷深入光伏企業(yè)進(jìn)行實踐訓(xùn)練，不斷學(xué)習(xí)光伏技術(shù)前沿的科技知識，不斷提高光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的實踐能力，不斷提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計能力。

二、以實踐項目為主線，明確“雙創(chuàng)型”人才的目標(biāo)導(dǎo)向

節(jié)電技術(shù)專業(yè)在光伏發(fā)電技術(shù)的教學(xué)過程中設(shè)置了以實踐項目為驅(qū)動的教學(xué)模式，通過這種教學(xué)模式不斷提高學(xué)生的職業(yè)能力和綜合素質(zhì)，突破了目前職業(yè)課程體系理論的系統(tǒng)性，將學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新作為教學(xué)時的基本目標(biāo)。以實踐項目為引導(dǎo)驅(qū)動的教學(xué)模式，將光伏發(fā)電技術(shù)硬件內(nèi)容化為太陽能電池的設(shè)計安裝、蓄電池的設(shè)計安裝、整流控制電路的搭配、逆變控制電路的搭配等主要實踐項目，軟件內(nèi)容包含可編程邏輯控制編程和組態(tài)軟件編程兩個主要訓(xùn)練項目，最后以系統(tǒng)仿真軟件對設(shè)計的軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。本課程的內(nèi)容劃分成框圖中幾個主要的部分章節(jié)，每個章節(jié)都安排學(xué)生進(jìn)行一個單獨的小項目制作和小項目編程，在完成各個章節(jié)訓(xùn)練和動手制作后，通過一個整體的光伏發(fā)電系統(tǒng)制作來整合各個章節(jié)內(nèi)容，完成對整個系統(tǒng)的掌握。由基礎(chǔ)項目開始到整體項目的設(shè)計與訓(xùn)練，由個體單獨訓(xùn)練項目到團(tuán)隊整體項目的實踐，有利于學(xué)生牢固、快捷地掌握課程的技能和專業(yè)知識，增強學(xué)生在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的動手能力;以實踐項目為引導(dǎo)驅(qū)動的教學(xué)模式可以引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)的項目開始到復(fù)雜的整體項目逐步提高，從而引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行積極探索和主動學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、增強其在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域分析問題、解決問題的能力。

三、光伏發(fā)電技術(shù)課程項目化教學(xué)的實施

（一）太陽能電池及特性

太陽能電池作為光伏發(fā)電技術(shù)的核心工作部件，該部分內(nèi)容是高職學(xué)生應(yīng)該重點學(xué)習(xí)和實踐的部分，從基本的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與工作原理到光伏電池的光生伏特效益，從光伏電池的恒流等效電路到最大功率輸出點的確定，根據(jù)技能競賽與企業(yè)實際實踐的需求，將太陽能電池的實驗實踐項目分解成多個實踐小項目，其中包括光伏效益的測試驗證、單一太陽能電池的開路電壓測試、單一太陽能電池的短路電壓測試、太陽能電池的串聯(lián)電壓與短路電流測試、太陽能電池的并聯(lián)電壓與短路電流測試、太陽能電池的光伏特性曲線的測試、太陽能電池的輸出功率與輸出因子的測試、太陽能電池最大功率點的確定等，通過一系列的子項目訓(xùn)練，學(xué)生可以掌握太陽能電池的工作原理及具體實踐應(yīng)用的能力。

（二）光伏蓄電池的特性與測試

光伏蓄電池普遍采用鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池是一種相對制作成本較低、蓄電能力較強、維修和管理較方便的直流電源，掌握光伏蓄電池的使用特點和曲線特性可以提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用效率。蓄電池的特性曲線包括充電特性曲線和放電特性曲線，根據(jù)蓄電池的充放電特性設(shè)計完善的蓄電池組和充放電控制器，并依據(jù)光伏蓄電池的充電特性和放電特性曲線制定的放電控制可以最大限度地延長蓄電池的使用壽命。將實踐教學(xué)過程中將蓄電池的充電控制策略劃分成多個充放電編程項目，其中包括恒壓充電控制編程、恒流充電控制編程、恒壓恒流合一充電編程、多階段多方式充電編程、PWM脈沖充電編程等多個子項目，學(xué)生通過逐步完成蓄電池的實踐項目，充分掌握鉛酸蓄電池的工作原理和控制方法，這樣才能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計合理的蓄電池容量參數(shù)、電性參數(shù)及最優(yōu)充電控制方法。

（三）光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)電氣配置與設(shè)計

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載用電需求、發(fā)電輸出功率、發(fā)電輸出電壓、充放電控制策略等參數(shù)對光伏系統(tǒng)中的其他電器設(shè)備進(jìn)行設(shè)計與計算，使整個光伏系統(tǒng)在電壓、電流、充電、放電、逆變等環(huán)節(jié)能夠完全匹配，最大效率地完成光能到電能的轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)光伏陣列的串并聯(lián)數(shù)量選擇對應(yīng)的接線箱，根據(jù)蓄電池陣列的容量選擇對應(yīng)的充電控制器，根據(jù)負(fù)載功率選擇對應(yīng)的逆變器，同時將集中式逆變器方陣，匯流箱布置于匯流區(qū)正中位置，直流柜、逆變器、箱變布置于單元方陣正中位置。組串式逆變器方陣，逆變器布置于逆變區(qū)正中位置，交流匯流箱布置于匯流區(qū)中靠近箱變位置，箱變布置于單元方陣正中位置。電氣一次設(shè)計包括收集項目所在地電網(wǎng)現(xiàn)狀，并初步確定項目接入變電站位置，電壓等級等數(shù)據(jù);選擇高壓側(cè)、低壓側(cè)設(shè)備;確定工程集電線路電壓等級，并依次選擇電纜型號和截面;電氣二次設(shè)計包括確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置，確定保護(hù)方案和裝置配置和調(diào)度方案及設(shè)施，同時根據(jù)光伏系統(tǒng)安裝的戶外實際場合設(shè)置恰當(dāng)?shù)慕拥乇Ｗo(hù)、防雷保護(hù)、在線監(jiān)控等其他的電氣連接。

（四）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計

首先是光伏陣列的容量設(shè)計，為滿足負(fù)載的用電需求，結(jié)合光伏系統(tǒng)所在地的光照情況和天氣情況，并適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)刈畲箨幱晏鞖獾那闆r，計算出太陽能光伏陣列的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)，使光伏陣列能滿足用電電壓和用電電流的匹配;其次是根據(jù)光伏陣列的輸出參數(shù)和負(fù)載用電參數(shù)設(shè)計出蓄電池組的容量，結(jié)合蓄電池的放電深度和光伏陣列的充電電量，計算出能夠充分蓄電、滿足負(fù)載供電、循環(huán)壽命長的蓄電池串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù);還要計算太陽光伏電池陣列的容量和規(guī)模，根據(jù)負(fù)載的功率大小和運行狀況來確定光伏系統(tǒng)中太陽電池的容量，確定選擇什么樣的太陽電池組件以及光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)數(shù)目已經(jīng)陣列輸出的總功率，計算出所需太陽電池的面積。根據(jù)調(diào)查的結(jié)果選定太陽電池陣列的設(shè)置方式，并判斷設(shè)置太陽電池組件的可能性。其他設(shè)備的選定、蓄電池組的計算和設(shè)計是光伏系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行的保證，設(shè)計蓄電池組需要根據(jù)用戶的實際需求來考慮，蓄電池組的設(shè)計放電深度、蓄電容量、電壓大小、充電控制策略和放電控制策略都會決定整個光伏系統(tǒng)的運行周期和運行穩(wěn)定性，逆變器、接線盒等，并確定設(shè)置場所。根據(jù)設(shè)計結(jié)果購買太陽電池組件以及其他設(shè)備，安裝太陽電池組件并對其配線。

總之，高職教育要以培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和實踐動手能力為核心，專業(yè)課程的改革必須為培訓(xùn)學(xué)生的兩種核心能力而進(jìn)行，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分解為多個實訓(xùn)子項目任務(wù)，設(shè)定每個系統(tǒng)組成部分的項目任務(wù)，將整個光伏發(fā)電系統(tǒng)分解為光伏陣列、蓄電池陣列、控制器、逆變器和附加電氣幾個主要的項目任務(wù)。學(xué)生通過光伏發(fā)電系統(tǒng)每個設(shè)計環(huán)節(jié)的實踐，完成光伏系統(tǒng)各個子項目任務(wù)，達(dá)到掌握光伏系統(tǒng)各個知識點的目標(biāo)。學(xué)生在課程深入學(xué)習(xí)中，不斷解決每個知識點所對應(yīng)的子項目任務(wù)，最后通過光伏仿真系統(tǒng)對完成的項目任務(wù)進(jìn)行仿真和調(diào)試，不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最后融會貫通掌握整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的全部知識，同時有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和實踐創(chuàng)新精神，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)技術(shù)人才，為節(jié)電技術(shù)與管理專業(yè)課程的實踐教學(xué)改革起到示范作用。

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編輯 王 敏