光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

孫章 陳湘 閻鐵生 宋瀟瀟

摘 要

針對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)，探索以工程實(shí)踐為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的具體方法，包括搭建基于Matlab/Simulink軟件的開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，設(shè)計(jì)光伏發(fā)電特性分析實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上探索了改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。結(jié)果表明，改革成果促進(jìn)了課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題能力、創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，以及實(shí)踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞

光伏發(fā)電技術(shù);工程實(shí)踐;模塊化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)： TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.018

光伏發(fā)電技術(shù)和新能源行業(yè)發(fā)展緊密相關(guān)，近年來新能源行業(yè)發(fā)展迅速，市場應(yīng)用規(guī)模逐年增長[1]，倒逼高校進(jìn)行課程教學(xué)改革，尤其在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，迫切需要研究面向工程實(shí)踐應(yīng)用的教學(xué)改革，從而適應(yīng)行業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展。本文針對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，提出以工程實(shí)踐問題為導(dǎo)向的改革方法，采用遞進(jìn)式方法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證型和拓展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，并借助Matlab/Simulink軟件，為學(xué)生搭建模塊化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂辛己玫撵`活開放性，并提供簡潔的操作界面，有效豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，利用仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作相結(jié)合，項(xiàng)目分組式教學(xué)，深度融合科研與教學(xué)，并建立“理論+技術(shù)+實(shí)踐”的成績?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索，形成的成果可推廣至風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、溫差、潮汐、地?zé)岬榷喾N新能源與分布式發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)新能源與分布式發(fā)電技術(shù)教學(xué)水平的提升。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)

分布式光伏發(fā)電工程實(shí)踐建設(shè)過程中需要綜合評(píng)估光伏電池產(chǎn)品的性能指標(biāo)及其輸出特性，環(huán)境影響因素，以及系統(tǒng)容量配置等方面。以此為出發(fā)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，包括搭建基于Matlab/Simulink的光伏陣列PV模塊，科學(xué)設(shè)置針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力及實(shí)踐應(yīng)用能力。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K搭建

根據(jù)光伏陣列的數(shù)學(xué)模型[7]，利用Matlab/Simulink軟件搭建光伏陣列的PV仿真模型，如圖1（a）所示，其參數(shù)設(shè)置模塊如圖1（b）所示，其中Isc、Im、Um、Uoc、Sref、Tref為常量，其取值根據(jù)光伏電池板的具體型號(hào)設(shè)定。光伏陣列PV模塊左邊為輸入設(shè)置部分，可以模擬設(shè)置溫度變化曲線和光照變化曲線，以及固定溫度和光照強(qiáng)度的設(shè)定，通過設(shè)置參數(shù)[m1，m2，m3，m4]，靈活切換不同的輸入模式，以配合光伏特性實(shí)驗(yàn)分析;PV模塊右邊為輸出顯示的示波器部分，用于觀測溫度、光照變化曲線，輸出功率曲線，以及功率特性曲線，輸出的數(shù)據(jù)也可以單獨(dú)保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)1：光伏發(fā)電系統(tǒng)容量配置及其影響因素

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)學(xué)習(xí)分析光伏組件容量配置，以及分析影響光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的因素。結(jié)合實(shí)際工程中由若干光伏電池組件進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以某型號(hào)250W光伏電池板為例，分析設(shè)計(jì)一套10kW的光伏組件。同時(shí)，要求學(xué)生針對(duì)單個(gè)電池板，分析影響其功率輸出的因素及規(guī)律，合理評(píng)估光伏系統(tǒng)工程應(yīng)用時(shí)的環(huán)境影響因素。

1.2.1 光伏陣列參數(shù)設(shè)置：

雙擊PV模塊進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，根據(jù)某型250W光伏電池板參數(shù)，設(shè)置[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31，30.1，37.8，8.78，1000，25]，如圖1（b）所示;輸入部分設(shè)置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，此時(shí)光照強(qiáng)度、溫度均為標(biāo)準(zhǔn)值S=1000Lux/m2，T=25℃;輸出部分通過示波器觀測輸出功率如圖2（a）所示，符合實(shí)際功率輸出指標(biāo)。

1.2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)容量配置

根據(jù)單塊電池板的功率為250W，實(shí)驗(yàn)配置10kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要40塊電池板進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成，要求學(xué)生確定串并聯(lián)的具體結(jié)構(gòu)，需要兼顧實(shí)際系統(tǒng)的電壓與電流的匹配問題。以直流母線電壓600V為例，可以采用10×4結(jié)構(gòu)，采用10塊一串（電壓300～400V），然后4串并聯(lián)（峰值電流約13A）。設(shè)置參數(shù)[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31×4，30.1×10，37.8×10，8.78 ×4，1000，25]，輸入部分設(shè)置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，輸出結(jié)果如圖2（b）所示，符合系統(tǒng)指標(biāo)。

1.2.3 光伏發(fā)電影響因素分析

以單個(gè)250W電池板為例設(shè)置PV模塊的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)分析考慮光照和溫度的變化對(duì)輸出功率的影響規(guī)律，從而學(xué)會(huì)根據(jù)安裝環(huán)境條件對(duì)實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行配置。輸入部分設(shè)置[m1，m2，m3，m4]=[1，0，1，0]，分析溫度對(duì)輸出功率的影響，學(xué)生可以通過調(diào)研某地實(shí)際的溫度情況，通過輸入部分的T1模塊植入溫度曲線，結(jié)果如圖2（c）所示;同時(shí)，設(shè)置[m1，m2，m3，m4]=[0，1，1，0]，學(xué)生可以通過調(diào)研某地實(shí)際的光照情況，通過輸入部分的S1模塊植入光照曲線，分析光照對(duì)輸出功率影響，結(jié)果如圖2（d）所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)2：光伏陣列輸出特性分析

光伏陣列發(fā)電輸出的功率需要經(jīng)過變換處理之后才能使用，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析，包括功率-電壓特性曲線（P-U），電壓-電流特性曲線（U-I）。本實(shí)驗(yàn)以單個(gè)250W電池板為例分析溫度固定情況下，實(shí)驗(yàn)分析不同光照強(qiáng)度下的特性曲線，設(shè)置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，0，0]，改變輸入部分光照S的給定值，得到輸出的P-U曲線和I-U曲線如圖3（a）所示;當(dāng)光照不變情況下，改變溫度T的給定值，繪制特性曲線如圖3（b）所示。學(xué)生根據(jù)曲線進(jìn)行分析，深入了解光伏陣列的發(fā)電特性，提高發(fā)現(xiàn)、分析問題的能力，并可以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

依托我校電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心的計(jì)算機(jī)和新能源發(fā)電實(shí)物平臺(tái)，將本文研究設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果推廣應(yīng)用到新能源與分布式發(fā)電課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分考慮課程的工程技術(shù)性、綜合交叉性等特點(diǎn)，探索適應(yīng)課程特點(diǎn)的教學(xué)方法，研究提出的具體教學(xué)改革方法如下：

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐操作相結(jié)合

依托實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及其安裝的Matlab/Simulink軟件，將教學(xué)改革的實(shí)驗(yàn)仿真模型配置到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)，不需要重復(fù)性的軟硬件投入，有效豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，較強(qiáng)的工程實(shí)踐應(yīng)用能力。同時(shí)，依托中心的新能源與微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，幫助學(xué)生熟悉分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行控制操作學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，以及實(shí)踐動(dòng)手操作技能。

2.2 項(xiàng)目分組式教學(xué)方法

依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供的實(shí)驗(yàn)仿真模型和具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用項(xiàng)目分組式教學(xué)方法，學(xué)生分組討論方案+實(shí)驗(yàn)方法+匯報(bào)答辯主動(dòng)參與，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。教師負(fù)責(zé)提供過程輔導(dǎo)，答疑及方案評(píng)估，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，解決新能源與分布式發(fā)電技術(shù)工程實(shí)踐問題的能力。

2.3 建立綜合性考核評(píng)價(jià)指標(biāo)

新能源與分布式發(fā)電涉及分布式光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能、溫差等多種發(fā)電形式，基礎(chǔ)理論知識(shí)涉及面廣泛，工程技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)，要求從業(yè)人員既要掌握新能源的基本原理，還要熟悉新能源應(yīng)用的電力變換處理技術(shù)，以及工程安裝應(yīng)用技術(shù)。針對(duì)以上特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一套涵蓋理論考核指標(biāo)+技術(shù)性考核指標(biāo)+工程實(shí)踐指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)體系，從而合理評(píng)價(jià)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，技術(shù)創(chuàng)新能力及工程運(yùn)用能力，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

2.4 加強(qiáng)科研與教學(xué)的融合

依托我校電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)資源，積極將新能源分布式發(fā)電技術(shù)相關(guān)的部分科研課題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合。教師結(jié)合科研項(xiàng)目任務(wù)，發(fā)布一些微型子課題，讓感興趣的學(xué)生參與進(jìn)來，指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)確定實(shí)驗(yàn)課題，技術(shù)路線指導(dǎo)，從而引導(dǎo)學(xué)生積極投身科研，培養(yǎng)良好的科研實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，實(shí)踐能力，擴(kuò)展學(xué)生視野。

3 結(jié)語

本文針對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革研究，提出了以工程實(shí)踐為導(dǎo)向的教學(xué)改革具體方法，搭建了靈活開放的模塊化實(shí)驗(yàn)仿真模型，建立了光伏發(fā)電特性分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，并完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革探究。目前，已經(jīng)將教學(xué)改革取得的成果推廣至風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、溫差、潮汐、地?zé)岬榷喾N新能源與分布式發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并應(yīng)用到我校2015級(jí)和2016級(jí)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，有效促進(jìn)了教學(xué)水平的提升。同時(shí)，我校已于2018年通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證，有效期6年，我們也將根據(jù)工程認(rèn)證的要求，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的持續(xù)性改進(jìn)。

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