“新能源發電技術”課程教學改革初探

摘要：新能源發電技術課程體系結構還不夠成熟和完善，本文從該課程建設的地位、教學改革的意義、教學內容設計、實踐內容建設、教學手段和教學方法改革等方面，進行了課程改革探索，指出課程改革中存在的問題。該課程改革思想在電氣工程上課過程中進行了實踐，結果表明，課程改革效果良好。

關鍵詞：新能源；光伏發電；風力發電；控制

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0109-02

新能源是21世紀人類解決能源問題和環境問題兩大關鍵問題的鑰匙，未來50年是人類大規模開發利用新能源的關鍵期，21世紀也是圍繞新能源的技術革命和產業高速發展期。新能源技術是涉及電氣、動力、材料、控制、電子、計算機、信息等多個學科交叉的高新技術，為了推動新能源發電技術的快速發展，目前需要加緊新能源技術的知識傳播和相關人才的培養，為此，北京信息科技大學電氣工程專業開設了“新能源發電技術”課程。

根據本校的實驗條件和綜合實力，新能源發電技術課程的重點不是新能源與電力系統的結合，而是新能源發電技術、電力電子技術和控制技術的結合。該課程旨在使學生了解國內外新能源發電技術現狀，掌握風力發電、太陽能光伏發電、水力發電、生物質能發電、核能發電、分布式發電等新能源發電系統的工作原理、系統硬件組成和控制技術，為進一步分析和研究新能源發電系統及控制技術、電力電子系統設計與控制打下基礎。

一、新能源發電技術課程教學改革的意義

隨著新能源發電技術的快速發展，《新能源發電技術》課程的教學內容要不斷更新，實踐環節也隨之更新，這就需要進行教學改革，其中實踐教學改革是重中之重。教學實踐表明《新能源發電技術》課程需要工程實踐能力加深對新能源發電及控制技術的理解，教學過程中需要突出實踐能力的培養，鍛煉學生的獨立思考能力、動手能力和工程實踐能力；《新能源發電技術》課程教學改革更加注重實踐性、創新性、開放性，重視培養學生的實踐能力和創新能力，以便更好的和課題、科研銜接，為從事新能源專業打好基礎。綜上，急需進行《新能源發電技術》課程實踐教學改革。

二、新能源發電技術課程教學內容

新能源發電技術突出新能源發電技術、電力電子技術與控制技術的有機結合，除了講透三部分內容，還要將他們有機結合起來。但授課學時僅為32學時，內容繁多，課時有限，要想在課堂教學時間內使學生有效掌握關鍵技術，需要合理設置課程結構，對教學內容進行有效篩選。梳理教學內容，將其分成兩部分：一是利用可再生能源和清潔能源發電，以便持續獲得二次清潔能源——電能；二是對電能通過變換與控制，滿足高質量的終端能源消費需求和電力的高效管理。

我國具有開發可再生能源的條件和歷史，近年來可再生能源的開發和利用取得了長足的進展，以年均超過25%的增長速度成為世界能源領域增長最快的兩點。截至2014年上半年，中國水電裝機容量達到了2.9億千瓦，風電裝機容量達到了8300萬千瓦，太陽能發電裝機容量達到了2200萬千瓦。其中，可再生能源發電裝機超過全部發電裝機的30%，可再生能源發電量超過全部發電電量的20%，風電裝機容量連續5年快速增長，發展速度大大超過了預期，連續五年新增裝機容量位居世界第一，太陽能光伏電池和太陽能熱水器產量均居世界第一，水力發電、風力發電、太陽能光伏發電是新能源發電的主力軍。生物質能、海洋能、地熱源、核能等其他新能源發電技術還處于實驗研究或商業探索階段，市場份額較小。鑒于此，本課程首先介紹國內外新能源發展狀況和最近技術，然后介紹新能源發電系統中涉及的電力電子變換電路及相關參數設計，再介紹新能源發電系統中的控制技術及控制算法，最后介紹各種新能源發電系統的工作原理，硬件組成及相關的控制技術。

具體章節安排如下：第1章新能源與發電技術綜述，介紹國內外新能源發展技術及經濟數據，這部分內容具有較強的時效性，結合每年的BP世界能源統計年鑒、國內外政策分析、各國的能源發展規劃，使本章更具科學性和實效性。第2章介紹新能源變換與控制技術基礎知識，除了復習電力電子技術里講述的AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四類典型變換電路，還增加了新能源發電系統里常用的驅動和保護電路分析，新的拓撲結構分析等內容。第3章為太陽能光伏發電技術，重點介紹光伏發電原理，太陽能電池板的電特性，離網型及并網型光伏發電系統、最大功率跟蹤控制技術、光伏發電系統的控制策略。第4章為風力發電控制技術，介紹風力發電機組及工作原理，控制策略及相關的并網技術。第5～8章分別介紹水力發電技術、生物質能發電技術、海洋能發電技術及溫差發電技術，第5～8章根據學時安排及教學效果，可安排自學，或者作為選學內容。

三、新能源發電技術實踐內容建設

新能源發電技術具有很強的實踐性和工程性。在實際教學過程中，應該添加實驗教學內容，實踐教學對幫助學生理解和掌握基本理論，培養學生的操作動手技能、創新意識和探索精神具有非常重要的作用。

實踐教學內容分為兩部分，仿真實驗和實際電路設計實驗。仿真實驗主要包括太陽能光伏電池建模及電輸出特性，光伏并網逆變器非線性控制策略仿真研究，雙饋風力發電系統變流器非線性控制策略研究。實際電路設計實驗共4個，分別是太陽能最大功率跟蹤控制器設計、鉛酸蓄電池充電控制器設計、小功率風力發電系統設計、基于uc3906的蓄電池充電管理器。

具體實施辦法為，仿真實驗在matlab仿真實驗環境下進行，每個學生獨立完成，仿真完成后按照要求的格式撰寫實驗報告。實際電路設計實驗首先學生選題，根據不同的內容2～5人一組，然后小組成員分工，教師根據學生的程度可適當調整；然后設計電路，進行相關參數計算、器件選型；然后進行電路焊接、調試、軟件編程、軟硬件聯合調試；組織學生答辯，最后撰寫報告。由于實際電路設計實驗以設計和分析為主，電路選型、參數計算、控制算法都要學生自己設計，要求每個學生都要動手，單獨操作，掌握實驗的方法和技能，培養獨立分析問題和解決問題的能力。

四、教學方法和手段改革

采用開放式、案例式、討論式、實操式教學方法。開放式教學指教學內容不局限于課本，而是多渠道開放式的，可選自圖書館，也可以選自互聯網，教師有引導性的推薦一些主要參考書和閱讀資料，鼓勵學生自己查找和組織學習資料，這樣一方面可以讓學生接觸國內外最新、最成功的教學內容和學科前沿信息，使學生了解科技的最近發展形勢，站在學科發展的前列；另一方面，通過自己查找資料、組織學習內容，培養學生學習主動性、知識管理能力、自學能力和習慣。案例式教學將身邊案例搬進課堂，幫助學生理解書本知識，建立起系統設計概念，了解系統設計步驟、設計方法、實驗方法和實驗設計等。討論式教學鼓勵學生積極參加課堂討論，幫助學生建立新能源系統的知識結構，同時也鍛煉了語言表達能力，將學習過程轉化為師生共同學習、共同探索的提高過程。太陽能光伏發電小系統項目式實操教學，在風光互補發電實驗平臺上，實操太陽能光伏板能量轉換實驗、環境對光伏轉換影響實驗、太陽能電池光伏系統直接負載特性實驗、太陽能控制器工作原理實驗、接反保護實驗、太陽能控制器對蓄電池的過充保護實驗、太陽能控制器對蓄電池的過放保護實驗、夜間防反充實驗、離網型逆變器工作原理實驗、獨立光伏發電實驗、并網型逆變器工作原理實驗、光伏并網實驗、風光互補功能操作。

五、存在的問題

新能源發電技術及相關的控制技術的實際應用越來越多，需要大量的應用技術型人才和研究型人才，在授課過程中發現該課程存在如下問題：（1）教材問題。國內外已經有多種版本的新能源發電及利用技術的專著，由于新能源發電技術涉及能源種類繁多，應用規模和水平相對較低，許多技術有待完善，開設新能源發電技術課程的專業也比較繁雜，缺少一本能兼顧各種新能源發電技術、控制技術、實驗設備，并且能和學生專業基礎很好結合的教材。（2）缺乏實踐教學內容。現有的新能源發電技術實驗平臺大都是演示型操作平臺，價格昂貴，導致不能滿足每個學生都有動手設計、動手操作的實驗要求，可操作性比較差。（3）師資隊伍建設相對薄弱。目前新能源發電技術一線教師大都是從相近專業轉型過來的，缺乏新能源發電系統研究，缺乏工程實踐背景。

六、結語

新能源發電技術作為電氣工程專業特色課程，需要教學改革、重點建設。本次課程改革應用于實踐，收到了良好的效果，大大提高了學生的學習興趣，特別是實踐教學內容，教學效果明顯提高。仿真教學擺脫了實驗設備和成本的束縛，可以隨時隨地進行新能源發電系統設計，加深了對原理的理解；設計性的實際電路實驗，不僅增強了學生的動手能力，提高了分析問題、解決問題的能力，更重要的是增強了學生的自信心。

參考文獻：

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