可再生能源實驗室的教學(xué)探索

宿杰 遲宗濤 苗洪麗

[摘 要] 文章通過分析新能源革命的特點，對電力電子技術(shù)教學(xué)模式進行了改革探討。建立可再生能源實驗室的目的，是讓學(xué)生了解電力電子技術(shù)在可再生能源方面的應(yīng)用，學(xué)會使用實驗室的混合動力系統(tǒng)和虛擬平臺，學(xué)會對太陽能系統(tǒng)模塊進行建模仿真。E-learning和實驗室學(xué)習(xí)相結(jié)合的模式可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，是一種全新的實踐教學(xué)模式。

[關(guān)鍵詞] 電力電子技術(shù);教學(xué)模式;可再生能源;E-learning

[基金項目] 2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作育人項目“新工科背景下微電子專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容改革”（201901239007）

[作者簡介] 宿 杰（1977—），男，山東青島人，博士，青島大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，主要從事微電子方向教學(xué)與研究。

[中圖分類號] TM306? ?[文獻標(biāo)識碼] B? ? [文章編號] 1674-9324（2021）02-0097-04? ?[收稿日期] 2020-04-01

一、背景

隨著科學(xué)技術(shù)及新型產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新能源革命亦處在迅猛發(fā)展之中，可再生能源作為一種替代能源，可以建立可持續(xù)發(fā)展。在可再生能源中，太陽能和風(fēng)能已經(jīng)成為世界上最受歡迎和廣泛關(guān)注的能源，目前的市場利用率卻仍然很低[1-5]。為了促進太陽能和風(fēng)能技術(shù)的發(fā)展及其教學(xué)，應(yīng)考慮開發(fā)可再生能源電力電子實驗室。Herrera和Fuller在文獻[6]中闡述，實驗室是科學(xué)教育的重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生有著很大的影響。然而，傳統(tǒng)的實驗室已經(jīng)顯示出了一些局限性，Bauer和Mendes在文獻[7]中具體討論了傳統(tǒng)實驗室的不足和局限性。建立遠程教學(xué)實驗室是一種很有價值的解決方案[8-10 ]，因為它包含了許多好處，比如：靈活性、可以最大限度地利用教育資源、互動性和主動學(xué)習(xí)[ 11-15 ]。文章首先介紹了實驗室混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，研究了太陽能發(fā)電系統(tǒng)。實驗室環(huán)境從物理環(huán)境和虛擬平臺兩個方面進行了介紹。最后，提出了電子學(xué)習(xí)的概念和實驗室學(xué)習(xí)的方法[ 16 ]。

二、新型實驗室架構(gòu)

（一）混合動力系統(tǒng)設(shè)計

本實驗室所研究的可再生能源系統(tǒng)為三種能源的混合動力系統(tǒng)（Hybrid Power System，HPS）。一般來說，混合動力系統(tǒng)包括兩個或多個能源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)設(shè)備和控制器。該系統(tǒng)是主要基于太陽能，結(jié)合風(fēng)能和生物柴油能源、蓄電池、電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和耦合單元的集成。這不僅有助于學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)相關(guān)知識，還能使學(xué)生加強對可再生能源的研究。如圖1電力電子可再生能源實驗室包括三個可再生能源系統(tǒng)：太陽能電池板、風(fēng)力渦輪機和生物柴油發(fā)電機[ 17 ]。

實驗室考慮的HPS體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。它包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、生物柴油發(fā)電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、蓄電池、DC-DC變換器、整流器、逆變器、直流和交流負載。所提出的HPS是基于三種可再生能源（太陽能、風(fēng)能和生物柴油），以確保電力對負載的可靠性。太陽能作為主要來源，風(fēng)能和生物柴油發(fā)電機作為次要來源[ 18 ]。由于太陽能主要依賴于太陽輻射，在惡劣的天氣條件下（缺少或低太陽輻射）可能會發(fā)生停電。備用生物柴油發(fā)電機被設(shè)置為備用電源，為電池充電和給負載提供動力。因此，HPS的設(shè)計是為了滿足在所有條件下的電力可靠性[ 19 ]。

本混合動力系統(tǒng)設(shè)計基于300W直流負載，選用300W風(fēng)力發(fā)電機，50W太陽能電池板和400W生物柴油發(fā)電機。太陽能電池板和風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向負載供電。它們的標(biāo)稱總功率為350W，比直流負載功率高50W，因為要考慮電源和負載之間的功率轉(zhuǎn)換損耗，以確保電源保持充足。生物柴油用作備用電源，并且當(dāng)缺乏太陽能和風(fēng)能時應(yīng)該能夠為負載供電。由于直流負載為300W，因此選擇400W發(fā)電機時也要考慮功率轉(zhuǎn)換損耗。可以注意到，在HPS中還添加了300W交流負載，以便同時操作三個能源系統(tǒng)并研究它們在這種情況下的行為[ 20 ]。

（二）太陽能發(fā)電系統(tǒng)仿真

首先對太陽能電池板模塊進行建模和仿真，分析I-V和P-V特性，以確保模擬結(jié)果與實際參數(shù)相對應(yīng)，并將該模型引入太陽能系統(tǒng)模型中。在實驗室中，學(xué)生將改變代表太陽輻射的燈光和控制溫度的空調(diào)，根據(jù)不同情況分析基于太陽輻射和電池溫度變化的I-V和P-V輸出特性。

圖3顯示了太陽能電池板在25℃的固定溫度下輸出的I-V特性，以及1000W/m2到200W/m2的可變太陽輻射。觀察到，當(dāng)太陽輻射降低時，太陽能板的輸出電流和輸出電壓相應(yīng)降低。此外，該圖表明短路電流Isc=3.2A和開路電壓Voc=21.6V。

圖4顯示了太陽能電池板的輸出I-V特點在固定太陽輻照度為1000W/m2和可變溫度范圍是從25℃到100℃，從這個圖中可以看出，當(dāng)溫度降低太陽能電池板輸出電流略有增加，但電壓會大幅下降。

圖5示出了在1000W/m2的固定輻照度和25℃至100℃的可變溫度下太陽能電池板輸出P-V特性。從圖中可以看出，當(dāng)太陽能電池溫度升高時，太陽能輸出功率下降。太陽能電池板測試后，太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接連接電池和電阻負載，并根據(jù)兩種情況分析仿真結(jié)果。

其一，恒定輻照度和可變電阻負載條件下：對于此模擬，電阻負載在15秒之內(nèi)從17Ω變?yōu)?Ω，太陽輻照度固定為1000W/m2。

圖6顯示了P-V系統(tǒng)的可變負載電流演變，其中Ipv是太陽能電池板輸出電流，Ibat是電池電流，Iload是負載電流。從該圖中可以看出，當(dāng)電阻負載較高時，太陽能電池板輸出電流足夠高，可以為負載提供電流并為電池充電。但是，如果電阻負載值減小，則需要更高的電流，因此太陽能電池板輸出電流不足。在這種情況下，電池通過向負載提供電流而放電。

其二，可變輻照度和恒定電阻負載條件下：太陽輻照度將在15秒內(nèi)從1000W/m2變化到200 W/m2，電阻負載固定在20Ω。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知為了保持太陽能電池板始終工作在最大功率點（Maximum Power Point，MPP），最大功率點跟蹤（Maximum power point tracking，MPPT）是必不可少的，因為它決定了太陽能電池板的效率。在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)中已經(jīng)研究了幾種MPPT算法，但不限于擾動觀察、增量電導(dǎo)、模糊邏輯、寄生電容和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。在實驗室中，學(xué)生將可以學(xué)習(xí)其中的算法。

三、新型實驗室虛擬平臺

實驗室的目的是通過虛擬平臺進行現(xiàn)場主動學(xué)習(xí)和電子學(xué)習(xí)（E-learning）?？稍偕茉搭I(lǐng)域的教師、學(xué)生可以學(xué)習(xí)可再生能源的各個方面，并通過動手實踐來深化知識。除了實驗室的現(xiàn)場學(xué)生，學(xué)生還可以通過虛擬平臺和電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過實驗室的許可遠程訪問實驗室。通過如圖8所示的虛擬平臺，學(xué)生可以無論是實時（同步）模式還是離線（異步）模式，都可以以“人與人”的方式進行交互，也可以以“個人”的方式與對象進行交互。實驗室將利用LabVIEW軟件開發(fā)一個監(jiān)控應(yīng)用程序，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，并通過互聯(lián)網(wǎng)界面對不同的信號進行跟蹤。

實驗室將配備電腦、大型視頻會議屏幕、攝像頭、麥克風(fēng)、揚聲器和互聯(lián)網(wǎng)連接。遠程學(xué)生可以通過視頻會議系統(tǒng)與實驗室學(xué)生合作。此外，遠程學(xué)生將能夠通過一個虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）與實驗室設(shè)備進行交互，該虛擬專用網(wǎng)（VPN）實現(xiàn)了所有站點的局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）互通，使用高速互聯(lián)網(wǎng)連接。并且將充分配置IP攝像機，使整個實驗室形象化。

（一）電子學(xué)習(xí)

電子學(xué)習(xí)對當(dāng)今的教育產(chǎn)生了巨大的影響。它包括信息和通信技術(shù)在教育系統(tǒng)中的集成，然后利用互聯(lián)網(wǎng)的多媒體新技術(shù)提高遠程協(xié)作模式的學(xué)習(xí)質(zhì)量。E-learning最大的好處是高校內(nèi)沒有可再生能源實驗室的學(xué)生實現(xiàn)共享與交流電力電子技術(shù)知識。這將是促進可再生能源發(fā)展和電力電子學(xué)科建設(shè)的一個好辦法。電子學(xué)習(xí)正在成為更有效的教學(xué)和學(xué)習(xí)解決方案。實際上，它可以在不同的教育機構(gòu)和組織之間共享實驗室，克服距離的挑戰(zhàn)。在電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，課程和評估將在網(wǎng)上提供給學(xué)生，讓他們學(xué)習(xí)可再生能源的不同方面，例如：可再生能源的生產(chǎn)和優(yōu)化、電力電子裝置、太陽輻射效應(yīng)、可再生能源系統(tǒng)控制、MPPT等。

（二）實驗室學(xué)習(xí)

新的實驗室學(xué)習(xí)模式與傳統(tǒng)的接受學(xué)習(xí)方式不同，實驗室學(xué)習(xí)是以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，借助虛擬實驗室在時間、空間、設(shè)施等資源優(yōu)勢基礎(chǔ)上，結(jié)合電子學(xué)習(xí)，根據(jù)學(xué)生個人情況開展自學(xué)、討論、交流等方式，積極主動地進行學(xué)習(xí)。學(xué)生獨立地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，旨在培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。實驗室學(xué)習(xí)教學(xué)模式可在僅使用傳統(tǒng)教學(xué)模式一半教學(xué)課時的情況下仍然取得較好的學(xué)習(xí)效果。

四、結(jié)束語

本文提出了一種新的基于太陽能、結(jié)合風(fēng)能和生物柴油的可再生能源實驗室概念。展示了混合動力系統(tǒng)、實驗室物理環(huán)境、實驗室虛擬平臺和電子學(xué)習(xí)概念。介紹了太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和生物柴油發(fā)電機組的架構(gòu)，并對其進行了太陽能發(fā)電系統(tǒng)部分的仿真。仿真結(jié)果表明，太陽能電池板是非線性系統(tǒng)，需要采用MPPT控制器來保持它們在最大功率點工作，以提高效率。文章最后提出了電子學(xué)習(xí)和實驗室學(xué)習(xí)的概念，是未來電力電子技術(shù)教學(xué)發(fā)展的新趨勢。

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Teaching Exploration of Renewable Energy Laboratory

SU Jie， CHI Zong-tao， MIAO Hong-li

（School of Electronic Information， Qingdao University， Qingdao， Shandong 266071， China）

Abstract： In response to the characteristics of the new energy revolution， a targeted reform of the teaching model of power electronics technology is discussed， and the concept of a renewable energy power electronics laboratory is proposed. The purpose of establishing renewable energy laboratory is to let students understand the application of power electronics technology in renewable energy， learn to use the hybrid power system and virtual platform of the laboratory， and learn to model and simulate the solar system module. Combining E-learning with laboratory learning can stimulate students' initiative in learning and is a new practice teaching model.

Key words： power electronics technology; teaching model; renewable energy; E-learning