光伏发电系统综合性实验教学探索

李文琴++祝向荣++黎阳

【摘要】为了应对新能源行业对相关技术人才的市场需求，针对性地设置了光伏发电系统课程，并将CDIO项目教学法运用于该课程的教学中，培养新能源发电技术的应用型本科人才。光伏发电系统CDIO项目教学通过对染料敏化太阳能电池系统的构思、设计、开发及搭建，调动学生的主观能动性，注重对学生的个人能力及团队协作能力、分析和解决问题能力的培养。

【关键词】光伏发电技术 实验教学 新能源材料与器件

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）02-0115-02

引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO分别代表着构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。为了针对性地培养新能源技术人才，我系CDIO项目体系分成三个层次，本文主要基于《光伏发电系统》二级项目教学思路及实施过程展开讨论。

一、实验教学的策划

1.实验策划初衷

光伏发电系统是一种直接将清洁可再生的太阳能经光生伏特效应转换为电能的装置，是新能源开发的主要利用方式之一。针对不同类型的光伏发电系统如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、染料敏化太阳能电池有机薄膜太阳能电池等。考虑到本专业的师资特点、实验室和设备条件的可操作性以及未来的发展等方面的因素，本课程选择染料敏化太阳能电池为载体实施教学过程。通过本课程的实施，使学生掌握太阳能电池的基本原理、器件及组件的制备工艺及光伏性能检测技术。

2. 教学内容

学生经水热合成法或溶胶-凝胶法制备二氧化钛纳米颗粒，并得到二氧化钛胶体，用于制备染料敏化太阳能电池器件。

（1）构思（Conceive）及设计（Design）

染料敏化太阳能电池是以染料敏化的二氧化钛电极为光阳极、铂电极为对电极、溶有氧化还原对的溶液为电解液的三明治结构。其中二氧化钛纳米颗粒可经水热合成法或溶胶-凝胶法等制得。二氧化钛纳米材料的性能可经XRD进行表征，其光伏性能可与市场购得的二氧化钛浆料进行对比得到反映。此外，可以通过串联或并联的方式得到太阳能电池组件，用于驱动小功率电器的工作，如风扇、八音盒或LED灯泡等。

（2）实施（Implement）

根据项目的设计内容，制备光阳极、对电极，并对二氧化钛光阳极进行SEM表征。所得电极经热熔胶封装，并注入电解质可得电池器件。同理可得并联的太阳能电池组件。

（3）运行（Operate）

对所得的太阳能电池的关键性能参数进行测试与分析，包括开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率。此外对其进行电化学阻抗测试，表征电池的阻抗性能。并根据测试结果进行分析处理，找出问题的原因。用所得的太阳能电池组件驱动小功率电器的工作，实现小型应用。

3.考核方式

实验经学生分组合作进行，一般3-4人/组。根据CDIO标准，设置考核目标。主要考核学生的专业能力（包括知识与技能的创新能力）、沟通能力、团队合作能力与责任感，根据其权重，设计各部分的分数值。在主客观评价权重上，以客观评价为主（75%左右），主观评价次之（25%左右）。考核内容：样品外观（10%）+实验测试（50%）+设计方案（20%）+课题答辩（20%）。

二、 项目实施的效果

1. 巩固理论知识

在开展该二级项目前，已开设了《太阳能发电技术及应用》理论课程，对目前各主流光伏发电体系及工作原理进行了系统的学习。本项目的实施是对其中染料敏化太阳能电池部分的实践，可以让学生对所学的知识有更深的理解，使学生将专业课程的理论知识与实验内容紧密结合，相得益彰，提高学习效果。

2.提升了学生的动手实践能力

项目实施过程中，从二氧化钛纳米颗粒的制备、浆料的调制，到器件的封装、性能的测试，都需要学生的全力参与，需要小组成员之间分工协作有序进行。在这个过程中，学生的团队合作能力、创新实践能力都能得到很好的锻炼。

3. 锻炼了学生分析问题、解决问题的能力

在项目实施中，统一采用标准染料N719为光敏剂进行光伏性能测试，学生不仅可以将自己制备的二氧化钛浆料与市售二氧化钛性能进行对比，也可进行组与组间的横向比较。根据光伏性能及电化学阻抗结果寻找实验中可能出现的问题，不仅能够巩固理论知识，也锻炼了分析解决问题的能力。

4.提高学习兴趣

将太阳能电池组件驱动小功率电器，使学生能够在学习中体会到创造的乐趣，增加成就感，对于增加学生的学习兴趣也很有裨益。

三、总结

基于本专业学生的培养方案和能力要求，本文介绍了CDIO培养模式下的《光伏发电系统》二级项目教学思路，并对教学过程和教学效果进行了系统的分析。为如何开展基于CDIO模式的项目体系提供一种可能的借鉴。

致谢：感谢上海高校青年教师培养资助计划（No. ZZegd14011）、上海第二工业大学校级科研项目（No. EGD13XQD08）、上海第二工业大学校级重点学科（第四期） 建设项目（No. XXKPY1302）的资助。

参考文献：

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[2]曾惠丹，杨云霞，赵崇军.新能源材料与器件专业实验教学探讨[J].实验室研究与探索，2012，（10）；109-111.