新能源科學(xué)與工程專業(yè)強(qiáng)電類課程體系構(gòu)建及其實(shí)現(xiàn)①

柴濟(jì)民，陳磊，趙宇，熊超，袁洪春

[摘 要] 新能源科學(xué)與工程專業(yè)作為新型的交叉學(xué)科類專業(yè)，與電氣自動(dòng)化類專業(yè)存在一定的強(qiáng)電類課程交叉，分析構(gòu)建了基于新能源專業(yè)的強(qiáng)電類的課程體系并從課時(shí)安排、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

[關(guān) 鍵 詞] 新能源科學(xué)與工程；強(qiáng)電類；課程體系

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）31-0070-02

在當(dāng)前可持續(xù)能源大量應(yīng)用的形勢下，能源工業(yè)對復(fù)合型人才的需求越來越大，教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》表明，新能源科學(xué)與工程專業(yè)是能源動(dòng)力類下的特設(shè)專業(yè)。新能源涉及光伏、風(fēng)電、光熱、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿龋壳案咝５膶I(yè)設(shè)置以光伏和風(fēng)力發(fā)電為主。

從新能源發(fā)電的整個(gè)環(huán)節(jié)看，無論哪種能源形式從發(fā)電環(huán)節(jié)看可以分為前端的能源匯集和后端的發(fā)電電氣系統(tǒng)兩個(gè)部分。而后端發(fā)電系統(tǒng)及其與電網(wǎng)交互部分則涉及相關(guān)的電氣類尤其是強(qiáng)電類專業(yè)課程。

常州工學(xué)院新能源科學(xué)與工程專業(yè)建立于2012年，在地方應(yīng)用性工科的學(xué)科平臺(tái)上建立與新能源后端系統(tǒng)相關(guān)的專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上進(jìn)行了積極的實(shí)踐，建立了適用于新能源科學(xué)與工程的有效強(qiáng)電類專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)。

一、課程體系結(jié)構(gòu)分析

（一）課程體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)向

專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置必定以行業(yè)技術(shù)本身作為導(dǎo)向。從發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，前端系統(tǒng)涉及材料科學(xué)、工程熱力學(xué)、光電子學(xué)、光伏器件設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)等能源產(chǎn)生基本環(huán)節(jié)的相關(guān)課程。

目前，新能源發(fā)電系統(tǒng)后端涉及變流及其控制技術(shù)、與電網(wǎng)的交互技術(shù)、能源系統(tǒng)的控制和管理技術(shù)等幾個(gè)方面。相關(guān)電氣類課程包括電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)、供電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、能源系統(tǒng)管理和優(yōu)化等。

同時(shí)在變流技術(shù)本身的控制方式還是電力系統(tǒng)的控制中，相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)知識(shí)必不可少，因此在強(qiáng)電類課程之外配置相關(guān)電子設(shè)計(jì)類課程，可以有效補(bǔ)充學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

（二）課程體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成

新能源科學(xué)與工程專業(yè)課程體系由基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程和專業(yè)課程組成，如圖1所示。

其中基礎(chǔ)課包括高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、計(jì)算機(jī)編程等工科通識(shí)類課程。專業(yè)基礎(chǔ)類課程包括電工原理、電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、光電子技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)等課程。

從圖1中看到，專業(yè)課課程分為前端材料器件類課程和后端系統(tǒng)強(qiáng)電類專業(yè)課程，并輔以一定弱電類課程。

強(qiáng)電類專業(yè)課程的體系如圖2所示，其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)和光熱技術(shù)應(yīng)用為核心課程。同時(shí)這三門專業(yè)核心課程均基于電工電子和電力電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，并輔以單片機(jī)技術(shù)作為補(bǔ)充。

在三門核心課程基礎(chǔ)上，從發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的交互知識(shí)角度出發(fā)，強(qiáng)電類課程開設(shè)了供配電技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、分布式能源系統(tǒng)與優(yōu)化作為有效的選修課程，并輔以電氣控制技術(shù)等控制類課程作為補(bǔ)充。

這種以專業(yè)基礎(chǔ)課為基礎(chǔ)，在前端材料器件課程基礎(chǔ)上輔以弱電控制類課程和電力系統(tǒng)類課程的強(qiáng)電類課程體系，旨在提高新能源科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生掌握相應(yīng)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的相關(guān)理論知識(shí)和工程能力，為從事相關(guān)工程工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、課程體系的實(shí)施

從目前我國的一級(jí)學(xué)科分類來說，新能源科學(xué)與工程強(qiáng)電類體系的課程與電氣工程專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)部分課程相同，但從專業(yè)人才培養(yǎng)的角度和總的課程學(xué)時(shí)等角度出發(fā)，本課程體系的實(shí)現(xiàn)在教學(xué)課時(shí)安排、教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)都與其他專業(yè)有所區(qū)別。

（一）課程教學(xué)課時(shí)安排

電工原理、電子技術(shù)和電力電子技術(shù)均為電氣自動(dòng)化類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，一般來說，用較多的學(xué)時(shí)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)，其中電子技術(shù)分為數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)，這兩門課程需要較長學(xué)時(shí)來實(shí)現(xiàn)。新能源科學(xué)與工程專業(yè)鑒于專業(yè)內(nèi)容方面和專業(yè)總學(xué)時(shí)考慮，一般不會(huì)涉及較大規(guī)模的電網(wǎng)絡(luò)分析和非常復(fù)雜的電子技術(shù)應(yīng)用，因此，電工原理和電子技術(shù)這兩大類課程均安排為中等學(xué)時(shí)的課程。

電力電子技術(shù)作為專門針對變流技術(shù)的最重要的基本課程，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中具有非常重要的地位，后續(xù)核心專業(yè)課程涉及很多相關(guān)的變流電路及其控制技術(shù)，因此電力電子技術(shù)在課程體系中安排為較長課時(shí)的必修課程，并專門安排課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為后續(xù)專業(yè)課打下基礎(chǔ)。

圖2中的強(qiáng)電類專業(yè)選修課程中供配電技術(shù)涉及目前相關(guān)發(fā)電系統(tǒng)和變電系統(tǒng)的電氣方面的設(shè)計(jì)，因此安排為中等學(xué)時(shí)的選修課。微電網(wǎng)技術(shù)、分布式能源系統(tǒng)與優(yōu)化等課程則設(shè)為短學(xué)時(shí)選修課程，讓學(xué)生了解相關(guān)電力系統(tǒng)自動(dòng)化基本工程背景知識(shí)。

針對輔助性的弱電類課程，鑒于微機(jī)測控技術(shù)在目前工業(yè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，將單片機(jī)技術(shù)安排為長學(xué)時(shí)必修課程并安排相應(yīng)課程設(shè)計(jì)，旨在讓學(xué)生熟練掌握相關(guān)芯片設(shè)計(jì)和編程，為后續(xù)實(shí)踐和發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。電氣控制與PLC則安排為短學(xué)時(shí)選修課程，讓學(xué)生掌握電器控制的基本方法。

（二）教學(xué)內(nèi)容的特殊安排

基于新能源科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和相關(guān)課程的前后銜接。在強(qiáng)電類課程安排中作如下調(diào)整；

1.電力電子技術(shù)課程中加大全控型器件的PWM整流和逆變技術(shù)的內(nèi)容教學(xué)。在目前通用的電氣工程專業(yè)電力電子課程安排和相關(guān)教材中，普遍側(cè)重于基于半控器件的整流電路分析，而在后續(xù)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電課程學(xué)習(xí)中，基于全控器件的整流逆變電路十分重要，因此課程體系在電力電子技術(shù)課程中加強(qiáng)該部分內(nèi)容并在課程設(shè)計(jì)中專門安排。

2.核心專業(yè)課程注意與前端專業(yè)課程的內(nèi)容銜接。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)相應(yīng)的前端部分在前端課程中著重講解，在本課程體系中著重講授后端系統(tǒng)組成和分析設(shè)計(jì)方法，避免前后課程內(nèi)容的重疊。

3.供配電技術(shù)課程注意結(jié)合光伏電站設(shè)計(jì)和風(fēng)力場設(shè)計(jì)。目前的供配電設(shè)計(jì)課程一般均基于工廠變電站設(shè)計(jì)或者區(qū)域變電站設(shè)計(jì)，極少有設(shè)計(jì)課程專門針對新能源發(fā)電場設(shè)計(jì)。因此，本課程體系中供配電技術(shù)課程在通用的供電系統(tǒng)分析計(jì)算方法上引入光伏電站和風(fēng)電場的設(shè)計(jì)，引入相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例，提高學(xué)生對新能源并網(wǎng)型電站的設(shè)計(jì)和分析運(yùn)行能力。

4.微電網(wǎng)和分布式能源優(yōu)化等課程優(yōu)化內(nèi)容結(jié)構(gòu)。新能源科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生并不要求掌握很深的電力系統(tǒng)分析運(yùn)行和控制原理知識(shí)，因此本課程體系與電網(wǎng)交互類的選修課程在教學(xué)內(nèi)容上側(cè)重于基本概念、基本設(shè)備和控制技術(shù)的介紹，避免引入較為復(fù)雜的電力系統(tǒng)分析和控制技術(shù)的原理性分析。

（三）實(shí)踐環(huán)節(jié)的安排

鑒于新能源專業(yè)為具有較強(qiáng)應(yīng)用性的工科類專業(yè)，本課程體系在電力電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和三門核心專業(yè)課程中均引入了課程設(shè)計(jì)。其中電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生通過設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)掌握整流逆變的原理，單片機(jī)技術(shù)要求學(xué)生掌握相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)能力。

三門核心專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生動(dòng)手組建相應(yīng)的小型發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物或者基于相關(guān)分析軟件的發(fā)電系統(tǒng)及其控制模塊。

在相應(yīng)課程基礎(chǔ)上安排了新能源技術(shù)與開發(fā)和光伏技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)等綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生通過前述課程學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)動(dòng)手進(jìn)行系統(tǒng)性的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)。

三、總結(jié)

本課程體系基于新能源科學(xué)與工程的培養(yǎng)目標(biāo)，對相關(guān)交叉學(xué)科的強(qiáng)電類專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程在課時(shí)安排和教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行了優(yōu)化，并積極輔助以弱電控制類課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過在常州工學(xué)院近三屆新能源科學(xué)與工程專業(yè)積極的應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)培養(yǎng)目的。

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