光伏發電技術實驗教學改革

孫章 陳湘 閻鐵生 宋瀟瀟

摘 要

針對光伏發電技術，探索以工程實踐為導向的實驗教學改革。提出實驗教學設計的具體方法，包括搭建基于Matlab/Simulink軟件的開放性實驗模塊，設計光伏發電特性分析實驗，在此基礎上探索了改進的實驗教學方法。結果表明，改革成果促進了課程實踐教學質量的提升，培養了學生分析問題能力、創新學習能力，以及實踐應用能力。

關鍵詞

光伏發電技術;工程實踐;模塊化實驗模型;實驗教學改革

中圖分類號： TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.018

光伏發電技術和新能源行業發展緊密相關，近年來新能源行業發展迅速，市場應用規模逐年增長[1]，倒逼高校進行課程教學改革，尤其在實踐教學環節，迫切需要研究面向工程實踐應用的教學改革，從而適應行業技術水平的發展。本文針對光伏發電技術實驗教學進行改革，提出以工程實踐問題為導向的改革方法，采用遞進式方法設計基礎驗證型和拓展創新型實驗，并借助Matlab/Simulink軟件，為學生搭建模塊化實驗模型具有良好的靈活開放性，并提供簡潔的操作界面，有效豐富實驗內容。在此基礎上改革實驗教學方法，利用仿真實驗和實踐操作相結合，項目分組式教學，深度融合科研與教學，并建立“理論+技術+實踐”的成績評價指標。通過對光伏發電技術實驗教學的改革探索，形成的成果可推廣至風力發電、儲能、溫差、潮汐、地熱等多種新能源與分布式發電實驗教學，促進新能源與分布式發電技術教學水平的提升。

1 實驗教學內容設

分布式光伏發電工程實踐建設過程中需要綜合評估光伏電池產品的性能指標及其輸出特性，環境影響因素，以及系統容量配置等方面。以此為出發點，研究設計基礎驗證型實驗，包括搭建基于Matlab/Simulink的光伏陣列PV模塊，科學設置針對性的實驗內容，培養學生扎實的專業基礎理論知識，較強的數據分析能力及實踐應用能力。

1.1 實驗模塊搭建

根據光伏陣列的數學模型[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，其參數設置模塊如圖1（b）所示，其中Isc、Im、Um、Uoc、Sref、Tref為常量，其取值根據光伏電池板的具體型號設定。光伏陣列PV模塊左邊為輸入設置部分，可以模擬設置溫度變化曲線和光照變化曲線，以及固定溫度和光照強度的設定，通過設置參數[m1，m2，m3，m4]，靈活切換不同的輸入模式，以配合光伏特性實驗分析;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，輸出的數據也可以單獨保存。

1.2 實驗1：光伏發電系統容量配置及其影響因素

本實驗重點學習分析光伏組件容量配置，以及分析影響光伏發電系統輸出功率的因素。結合實際工程中由若干光伏電池組件進行串并聯構成光伏發電系統的容量，實驗要求學生以某型號250W光伏電池板為例，分析設計一套10kW的光伏組件。同時，要求學生針對單個電池板，分析影響其功率輸出的因素及規律，合理評估光伏系統工程應用時的環境影響因素。

1.2.1 光伏陣列參數設置：

雙擊PV模塊進入參數設置界面，根據某型250W光伏電池板參數，設置[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31，30.1，37.8，8.78，1000，25]，如圖1（b）所示;輸入部分設置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，此時光照強度、溫度均為標準值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，符合實際功率輸出指標。

1.2.2 光伏發電系統容量配置

根據單塊電池板的功率為250W，實驗配置10kW光伏發電系統，需要40塊電池板進行串并聯構成，要求學生確定串并聯的具體結構，需要兼顧實際系統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結構，采用10塊一串（電壓300～400V），然后4串并聯（峰值電流約13A）。設置參數[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31×4，30.1×10，37.8×10，8.78 ×4，1000，25]，輸入部分設置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，輸出結果如圖2（b）所示，符合系統指標。

1.2.3 光伏發電影響因素分析

以單個250W電池板為例設置PV模塊的參數，實驗分析考慮光照和溫度的變化對輸出功率的影響規律，從而學會根據安裝環境條件對實際光伏發電系統的容量進行配置。輸入部分設置[m1，m2，m3，m4]=[1，0，1，0]，分析溫度對輸出功率的影響，學生可以通過調研某地實際的溫度情況，通過輸入部分的T1模塊植入溫度曲線，結果如圖2（c）所示;同時，設置[m1，m2，m3，m4]=[0，1，1，0]，學生可以通過調研某地實際的光照情況，通過輸入部分的S1模塊植入光照曲線，分析光照對輸出功率影響，結果如圖2（d）所示。

1.3 實驗2：光伏陣列輸出特性分析

光伏陣列發電輸出的功率需要經過變換處理之后才能使用，設計實驗對光伏陣列的輸出特性進行分析，包括功率-電壓特性曲線（P-U），電壓-電流特性曲線（U-I）。本實驗以單個250W電池板為例分析溫度固定情況下，實驗分析不同光照強度下的特性曲線，設置[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。學生根據曲線進行分析，深入了解光伏陣列的發電特性，提高發現、分析問題的能力，并可以指導工程實踐。

2 教學方法設計

依托我校電氣專業實驗中心的計算機和新能源發電實物平臺，將本文研究設計的光伏發電技術實驗教學改革的成果推廣應用到新能源與分布式發電課程實踐教學環節，充分考慮課程的工程技術性、綜合交叉性等特點，探索適應課程特點的教學方法，研究提出的具體教學改革方法如下：

2.1 仿真實驗與實踐操作相結合

依托實驗中心現有的計算機及其安裝的Matlab/Simulink軟件，將教學改革的實驗仿真模型配置到現有計算機，不需要重復性的軟硬件投入，有效豐富實驗教學的內容，培養學生扎實的基礎理論知識，較強的工程實踐應用能力。同時，依托中心的新能源與微電網實驗平臺，幫助學生熟悉分布式發電系統構成及運行控制操作學習，增強學生的感性認識，以及實踐動手操作技能。

2.2 項目分組式教學方法

依托實驗教學改革提供的實驗仿真模型和具體實驗內容，采用項目分組式教學方法，學生分組討論方案+實驗方法+匯報答辯主動參與，積極調動學生實驗的自主創新學習能力。教師負責提供過程輔導，答疑及方案評估，從而培養學生發現問題、分析問題，解決新能源與分布式發電技術工程實踐問題的能力。

2.3 建立綜合性考核評價指標

新能源與分布式發電涉及分布式光伏、風力、儲能、溫差等多種發電形式，基礎理論知識涉及面廣泛，工程技術實踐性強，要求從業人員既要掌握新能源的基本原理，還要熟悉新能源應用的電力變換處理技術，以及工程安裝應用技術。針對以上特點，研究設計一套涵蓋理論考核指標+技術性考核指標+工程實踐指標的綜合評價體系，從而合理評價學生的專業基礎知識，技術創新能力及工程運用能力，激發學生的積極性和創造性。

2.4 加強科研與教學的融合

依托我校電力電子節能技術與裝備四川省高校重點實驗室科研團隊資源，積極將新能源分布式發電技術相關的部分科研課題與實驗教學相融合。教師結合科研項目任務，發布一些微型子課題，讓感興趣的學生參與進來，指導教師負責確定實驗課題，技術路線指導，從而引導學生積極投身科研，培養良好的科研實驗習慣，實踐能力，擴展學生視野。

3 結語

本文針對光伏發電技術進行實驗教學的改革研究，提出了以工程實踐為導向的教學改革具體方法，搭建了靈活開放的模塊化實驗仿真模型，建立了光伏發電特性分析實驗內容體系，并完成了對實驗教學方法的改革探究。目前，已經將教學改革取得的成果推廣至風力發電、儲能、溫差、潮汐、地熱等多種新能源與分布式發電實驗教學，并應用到我校2015級和2016級學生的實踐教學，有效促進了教學水平的提升。同時，我校已于2018年通過了工程教育專業認證，有效期6年，我們也將根據工程認證的要求，加強對實驗教學環節的持續性改進。

參考文獻

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