光伏發電系統綜合性實驗教學探索

李文琴++祝向榮++黎陽

【摘要】為了應對新能源行業對相關技術人才的市場需求，針對性地設置了光伏發電系統課程，并將CDIO項目教學法運用于該課程的教學中，培養新能源發電技術的應用型本科人才。光伏發電系統CDIO項目教學通過對染料敏化太陽能電池系統的構思、設計、開發及搭建，調動學生的主觀能動性，注重對學生的個人能力及團隊協作能力、分析和解決問題能力的培養。

【關鍵詞】光伏發電技術 實驗教學 新能源材料與器件

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）02-0115-02

引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO分別代表著構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。為了針對性地培養新能源技術人才，我系CDIO項目體系分成三個層次，本文主要基于《光伏發電系統》二級項目教學思路及實施過程展開討論。

一、實驗教學的策劃

1.實驗策劃初衷

光伏發電系統是一種直接將清潔可再生的太陽能經光生伏特效應轉換為電能的裝置，是新能源開發的主要利用方式之一。針對不同類型的光伏發電系統如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、染料敏化太陽能電池有機薄膜太陽能電池等。考慮到本專業的師資特點、實驗室和設備條件的可操作性以及未來的發展等方面的因素，本課程選擇染料敏化太陽能電池為載體實施教學過程。通過本課程的實施，使學生掌握太陽能電池的基本原理、器件及組件的制備工藝及光伏性能檢測技術。

2. 教學內容

學生經水熱合成法或溶膠-凝膠法制備二氧化鈦納米顆粒，并得到二氧化鈦膠體，用于制備染料敏化太陽能電池器件。

（1）構思（Conceive）及設計（Design）

染料敏化太陽能電池是以染料敏化的二氧化鈦電極為光陽極、鉑電極為對電極、溶有氧化還原對的溶液為電解液的三明治結構。其中二氧化鈦納米顆粒可經水熱合成法或溶膠-凝膠法等制得。二氧化鈦納米材料的性能可經XRD進行表征，其光伏性能可與市場購得的二氧化鈦漿料進行對比得到反映。此外，可以通過串聯或并聯的方式得到太陽能電池組件，用于驅動小功率電器的工作，如風扇、八音盒或LED燈泡等。

（2）實施（Implement）

根據項目的設計內容，制備光陽極、對電極，并對二氧化鈦光陽極進行SEM表征。所得電極經熱熔膠封裝，并注入電解質可得電池器件。同理可得并聯的太陽能電池組件。

（3）運行（Operate）

對所得的太陽能電池的關鍵性能參數進行測試與分析，包括開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉換效率。此外對其進行電化學阻抗測試，表征電池的阻抗性能。并根據測試結果進行分析處理，找出問題的原因。用所得的太陽能電池組件驅動小功率電器的工作，實現小型應用。

3.考核方式

實驗經學生分組合作進行，一般3-4人/組。根據CDIO標準，設置考核目標。主要考核學生的專業能力（包括知識與技能的創新能力）、溝通能力、團隊合作能力與責任感，根據其權重，設計各部分的分數值。在主客觀評價權重上，以客觀評價為主（75%左右），主觀評價次之（25%左右）。考核內容：樣品外觀（10%）+實驗測試（50%）+設計方案（20%）+課題答辯（20%）。

二、 項目實施的效果

1. 鞏固理論知識

在開展該二級項目前，已開設了《太陽能發電技術及應用》理論課程，對目前各主流光伏發電體系及工作原理進行了系統的學習。本項目的實施是對其中染料敏化太陽能電池部分的實踐，可以讓學生對所學的知識有更深的理解，使學生將專業課程的理論知識與實驗內容緊密結合，相得益彰，提高學習效果。

2.提升了學生的動手實踐能力

項目實施過程中，從二氧化鈦納米顆粒的制備、漿料的調制，到器件的封裝、性能的測試，都需要學生的全力參與，需要小組成員之間分工協作有序進行。在這個過程中，學生的團隊合作能力、創新實踐能力都能得到很好的鍛煉。

3. 鍛煉了學生分析問題、解決問題的能力

在項目實施中，統一采用標準染料N719為光敏劑進行光伏性能測試，學生不僅可以將自己制備的二氧化鈦漿料與市售二氧化鈦性能進行對比，也可進行組與組間的橫向比較。根據光伏性能及電化學阻抗結果尋找實驗中可能出現的問題，不僅能夠鞏固理論知識，也鍛煉了分析解決問題的能力。

4.提高學習興趣

將太陽能電池組件驅動小功率電器，使學生能夠在學習中體會到創造的樂趣，增加成就感，對于增加學生的學習興趣也很有裨益。

三、總結

基于本專業學生的培養方案和能力要求，本文介紹了CDIO培養模式下的《光伏發電系統》二級項目教學思路，并對教學過程和教學效果進行了系統的分析。為如何開展基于CDIO模式的項目體系提供一種可能的借鑒。

致謝：感謝上海高校青年教師培養資助計劃（No. ZZegd14011）、上海第二工業大學校級科研項目（No. EGD13XQD08）、上海第二工業大學校級重點學科（第四期） 建設項目（No. XXKPY1302）的資助。

參考文獻：

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