基于项目驱动的光伏发电技术课程创新与实践①

罗鹏辉 李可 陈龙 周攀 余俊杰

[摘           要]  以创新实践能力培养为目标，对光伏发电系统课程群教学体系进行深入研究，围绕光伏发电系统的课程内容和教学实践，将整个光伏发电系统分解成多个独立的任务项目，构建光伏系统每个环节的实训项目，通过项目任务引导和驱动学生自主进行积极探索和主动学习，从而培养学生的自主学习能力，有利于培养创新型高素质技术人才，为节能节电专业类似课程的实践教学改革提供了新思路。

[关    键   词]  创新实践;自主学习;项目任务

[中图分类号]  G712              [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）17-0108-02

随着传统能源的不断减少，新能源的开发利用消耗比重逐年增加，随着太阳能光伏电池与各类蓄电池技术的不断提升，光伏电池转换效率逐步提高。光伏发电将会逐步成为未来世界新能源的主要组成部分。光伏发电技术作为节电技术专业重要的一门课程，探讨通过理论与实践的有机结合，构建节电技术与管理专业创新型高职实践课程体系，探索创新的教学做一体的教学模式，在教学做一体化的理论与实践结合的新型教学模式下，将光伏发电系统分解为多个实训子项目任务，学生在课程深入学习中，不断解决每个知识点所对应的子项目任务，最后通过光伏仿真系统对完成的项目任务进行仿真和调试，不断发现问题和解决问题，最后融会贯通掌握整个光伏发电系统的全部知识，同时有效培养学生的实践动手能力和实践创新精神。

一、现阶段光伏发电技术课程体系存在的主要问题

现阶段高职院校开展光伏发电技术的教学工作，多数专业处于理论教学与实践动手教学相脱离，实际动手制作处于滞后阶段，学与做脱离，教学效果较差。现有的光伏发电技术教材内容相对偏理论化，与具体实际光伏应用技术脱节，理论教材的教学内容更多从理想工作环境去设计光伏发电的各个环节，却没有与外部变化的变量相结合，学生可以对光伏发电系统的整体进行学习和理解，但是学生设计的光伏发电系统无法适应和满足现实光伏发电系统的要求。另外，光伏发电系统作为一个完整的系统对系统每个组成部分有较高要求，从太阳能电池的设计到电气系统的搭配，每一个环节都需要进行精确计算与分析，学生在没有深入地对每个环节进行实践仿真与实际动手设计时，则无法设计出光伏发电系统中每个组成部分的精确参数和对应的控制方法。光伏发电技术的不断发展，对学生掌握光伏发电技术这门课程提出了更高的要求，要求教师和学生必须主动进行光伏实践，不断深入光伏企业进行实践训练，不断学习光伏技术前沿的科技知识，不断提高光伏发电系统应用的实践能力，不断提高光伏发电系统的设计能力。

二、以实践项目为主线，明确“双创型”人才的目标导向

节电技术专业在光伏发电技术的教学过程中设置了以实践项目为驱动的教学模式，通过这种教学模式不断提高学生的职业能力和综合素质，突破了目前职业课程体系理论的系统性，将学生的自主学习和实践创新作为教学时的基本目标。以实践项目为引导驱动的教学模式，将光伏发电技术硬件内容化为太阳能电池的设计安装、蓄电池的设计安装、整流控制电路的搭配、逆变控制电路的搭配等主要实践项目，软件内容包含可编程逻辑控制编程和组态软件编程两个主要训练项目，最后以系统仿真软件对设计的软硬件进行系统仿真。本课程的内容划分成框图中几个主要的部分章节，每个章节都安排学生进行一个单独的小项目制作和小项目编程，在完成各个章节訓练和动手制作后，通过一个整体的光伏发电系统制作来整合各个章节内容，完成对整个系统的掌握。由基础项目开始到整体项目的设计与训练，由个体单独训练项目到团队整体项目的实践，有利于学生牢固、快捷地掌握课程的技能和专业知识，增强学生在光伏发电技术领域的动手能力;以实践项目为引导驱动的教学模式可以引导学生从基础的项目开始到复杂的整体项目逐步提高，从而引导学生自主进行积极探索和主动学习，从而培养学生的自主学习能力、增强其在光伏发电技术领域分析问题、解决问题的能力。

三、光伏发电技术课程项目化教学的实施

（一）太阳能电池及特性

太阳能电池作为光伏发电技术的核心工作部件，该部分内容是高职学生应该重点学习和实践的部分，从基本的半导体结构与工作原理到光伏电池的光生伏特效益，从光伏电池的恒流等效电路到最大功率输出点的确定，根据技能竞赛与企业实际实践的需求，将太阳能电池的实验实践项目分解成多个实践小项目，其中包括光伏效益的测试验证、单一太阳能电池的开路电压测试、单一太阳能电池的短路电压测试、太阳能电池的串联电压与短路电流测试、太阳能电池的并联电压与短路电流测试、太阳能电池的光伏特性曲线的测试、太阳能电池的输出功率与输出因子的测试、太阳能电池最大功率点的确定等，通过一系列的子项目训练，学生可以掌握太阳能电池的工作原理及具体实践应用的能力。

（二）光伏蓄电池的特性与测试

光伏蓄电池普遍采用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池是一种相对制作成本较低、蓄电能力较强、维修和管理较方便的直流电源，掌握光伏蓄电池的使用特点和曲线特性可以提高整个光伏发电系统的利用效率。蓄电池的特性曲线包括充电特性曲线和放电特性曲线，根据蓄电池的充放电特性设计完善的蓄电池组和充放电控制器，并依据光伏蓄电池的充电特性和放电特性曲线制定的放电控制可以最大限度地延长蓄电池的使用寿命。将实践教学过程中将蓄电池的充电控制策略划分成多个充放电编程项目，其中包括恒压充电控制编程、恒流充电控制编程、恒压恒流合一充电编程、多阶段多方式充电编程、PWM脉冲充电编程等多个子项目，学生通过逐步完成蓄电池的实践项目，充分掌握铅酸蓄电池的工作原理和控制方法，这样才能在光伏发电系统中设计合理的蓄电池容量参数、电性参数及最优充电控制方法。

（三）光伏发电系统的系统电气配置与设计

根据光伏发电系统的负载用电需求、发电输出功率、发电输出电压、充放电控制策略等参数对光伏系统中的其他电器设备进行设计与计算，使整个光伏系统在电压、电流、充电、放电、逆变等环节能够完全匹配，最大效率地完成光能到电能的转换过程。根据光伏阵列的串并联数量选择对应的接线箱，根据蓄电池阵列的容量选择对应的充电控制器，根据负载功率选择对应的逆变器，同时将集中式逆变器方阵，汇流箱布置于汇流区正中位置，直流柜、逆变器、箱变布置于单元方阵正中位置。组串式逆变器方阵，逆变器布置于逆变区正中位置，交流汇流箱布置于汇流区中靠近箱变位置，箱变布置于单元方阵正中位置。电气一次设计包括收集项目所在地电网现状，并初步确定项目接入变电站位置，电压等级等数据;选择高压侧、低压侧设备;确定工程集电线路电压等级，并依次选择电缆型号和截面;电气二次设计包括确定系统结构及配置，确定保护方案和装置配置和调度方案及设施，同时根据光伏系统安装的户外实际场合设置恰当的接地保护、防雷保护、在线监控等其他的电气连接。

（四）太阳能光伏发电系统整体设计

首先是光伏阵列的容量设计，为满足负载的用电需求，结合光伏系统所在地的光照情况和天气情况，并适当考虑当地最大阴雨天气的情况，计算出太阳能光伏阵列的串联数和并联数，使光伏阵列能满足用电电压和用电电流的匹配;其次是根据光伏阵列的输出参数和负载用电参数设计出蓄电池组的容量，结合蓄电池的放电深度和光伏阵列的充电电量，计算出能够充分蓄电、满足负载供电、循环寿命长的蓄电池串联数和并联数;还要计算太阳光伏电池阵列的容量和规模，根据负载的功率大小和运行状况来确定光伏系统中太阳电池的容量，确定选择什么样的太阳电池组件以及光伏组件的串联和并联数目已经阵列输出的总功率，计算出所需太阳电池的面积。根据调查的结果选定太阳电池阵列的设置方式，并判断设置太阳电池组件的可能性。其他设备的选定、蓄电池组的计算和设计是光伏系统持续稳定运行的保证，设计蓄电池组需要根据用户的实际需求来考虑，蓄电池组的设计放电深度、蓄电容量、电压大小、充电控制策略和放电控制策略都会决定整个光伏系统的运行周期和运行稳定性，逆变器、接线盒等，并确定设置场所。根据设计结果购买太阳电池组件以及其他设备，安装太阳电池组件并对其配线。

总之，高职教育要以培养学生的实践创新能力和实践动手能力为核心，专业课程的改革必须为培训学生的两种核心能力而进行，将光伏发电系统分解为多个实训子項目任务，设定每个系统组成部分的项目任务，将整个光伏发电系统分解为光伏阵列、蓄电池阵列、控制器、逆变器和附加电气几个主要的项目任务。学生通过光伏发电系统每个设计环节的实践，完成光伏系统各个子项目任务，达到掌握光伏系统各个知识点的目标。学生在课程深入学习中，不断解决每个知识点所对应的子项目任务，最后通过光伏仿真系统对完成的项目任务进行仿真和调试，不断发现问题和解决问题，最后融会贯通掌握整个光伏发电系统的全部知识，同时有效培养学生的实践动手能力和实践创新精神，从而培养学生的自主学习能力，有利于培养创新型高素质技术人才，为节电技术与管理专业课程的实践教学改革起到示范作用。

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编辑 王 敏