基于項目驅動的光伏發電技術課程創新與實踐①

羅鵬輝 李可 陳龍 周攀 余俊杰

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以創新實踐能力培養為目標，對光伏發電系統課程群教學體系進行深入研究，圍繞光伏發電系統的課程內容和教學實踐，將整個光伏發電系統分解成多個獨立的任務項目，構建光伏系統每個環節的實訓項目，通過項目任務引導和驅動學生自主進行積極探索和主動學習，從而培養學生的自主學習能力，有利于培養創新型高素質技術人才，為節能節電專業類似課程的實踐教學改革提供了新思路。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?創新實踐;自主學習;項目任務

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）17-0108-02

隨著傳統能源的不斷減少，新能源的開發利用消耗比重逐年增加，隨著太陽能光伏電池與各類蓄電池技術的不斷提升，光伏電池轉換效率逐步提高。光伏發電將會逐步成為未來世界新能源的主要組成部分。光伏發電技術作為節電技術專業重要的一門課程，探討通過理論與實踐的有機結合，構建節電技術與管理專業創新型高職實踐課程體系，探索創新的教學做一體的教學模式，在教學做一體化的理論與實踐結合的新型教學模式下，將光伏發電系統分解為多個實訓子項目任務，學生在課程深入學習中，不斷解決每個知識點所對應的子項目任務，最后通過光伏仿真系統對完成的項目任務進行仿真和調試，不斷發現問題和解決問題，最后融會貫通掌握整個光伏發電系統的全部知識，同時有效培養學生的實踐動手能力和實踐創新精神。

一、現階段光伏發電技術課程體系存在的主要問題

現階段高職院校開展光伏發電技術的教學工作，多數專業處于理論教學與實踐動手教學相脫離，實際動手制作處于滯后階段，學與做脫離，教學效果較差。現有的光伏發電技術教材內容相對偏理論化，與具體實際光伏應用技術脫節，理論教材的教學內容更多從理想工作環境去設計光伏發電的各個環節，卻沒有與外部變化的變量相結合，學生可以對光伏發電系統的整體進行學習和理解，但是學生設計的光伏發電系統無法適應和滿足現實光伏發電系統的要求。另外，光伏發電系統作為一個完整的系統對系統每個組成部分有較高要求，從太陽能電池的設計到電氣系統的搭配，每一個環節都需要進行精確計算與分析，學生在沒有深入地對每個環節進行實踐仿真與實際動手設計時，則無法設計出光伏發電系統中每個組成部分的精確參數和對應的控制方法。光伏發電技術的不斷發展，對學生掌握光伏發電技術這門課程提出了更高的要求，要求教師和學生必須主動進行光伏實踐，不斷深入光伏企業進行實踐訓練，不斷學習光伏技術前沿的科技知識，不斷提高光伏發電系統應用的實踐能力，不斷提高光伏發電系統的設計能力。

二、以實踐項目為主線，明確“雙創型”人才的目標導向

節電技術專業在光伏發電技術的教學過程中設置了以實踐項目為驅動的教學模式，通過這種教學模式不斷提高學生的職業能力和綜合素質，突破了目前職業課程體系理論的系統性，將學生的自主學習和實踐創新作為教學時的基本目標。以實踐項目為引導驅動的教學模式，將光伏發電技術硬件內容化為太陽能電池的設計安裝、蓄電池的設計安裝、整流控制電路的搭配、逆變控制電路的搭配等主要實踐項目，軟件內容包含可編程邏輯控制編程和組態軟件編程兩個主要訓練項目，最后以系統仿真軟件對設計的軟硬件進行系統仿真。本課程的內容劃分成框圖中幾個主要的部分章節，每個章節都安排學生進行一個單獨的小項目制作和小項目編程，在完成各個章節訓練和動手制作后，通過一個整體的光伏發電系統制作來整合各個章節內容，完成對整個系統的掌握。由基礎項目開始到整體項目的設計與訓練，由個體單獨訓練項目到團隊整體項目的實踐，有利于學生牢固、快捷地掌握課程的技能和專業知識，增強學生在光伏發電技術領域的動手能力;以實踐項目為引導驅動的教學模式可以引導學生從基礎的項目開始到復雜的整體項目逐步提高，從而引導學生自主進行積極探索和主動學習，從而培養學生的自主學習能力、增強其在光伏發電技術領域分析問題、解決問題的能力。

三、光伏發電技術課程項目化教學的實施

（一）太陽能電池及特性

太陽能電池作為光伏發電技術的核心工作部件，該部分內容是高職學生應該重點學習和實踐的部分，從基本的半導體結構與工作原理到光伏電池的光生伏特效益，從光伏電池的恒流等效電路到最大功率輸出點的確定，根據技能競賽與企業實際實踐的需求，將太陽能電池的實驗實踐項目分解成多個實踐小項目，其中包括光伏效益的測試驗證、單一太陽能電池的開路電壓測試、單一太陽能電池的短路電壓測試、太陽能電池的串聯電壓與短路電流測試、太陽能電池的并聯電壓與短路電流測試、太陽能電池的光伏特性曲線的測試、太陽能電池的輸出功率與輸出因子的測試、太陽能電池最大功率點的確定等，通過一系列的子項目訓練，學生可以掌握太陽能電池的工作原理及具體實踐應用的能力。

（二）光伏蓄電池的特性與測試

光伏蓄電池普遍采用鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池是一種相對制作成本較低、蓄電能力較強、維修和管理較方便的直流電源，掌握光伏蓄電池的使用特點和曲線特性可以提高整個光伏發電系統的利用效率。蓄電池的特性曲線包括充電特性曲線和放電特性曲線，根據蓄電池的充放電特性設計完善的蓄電池組和充放電控制器，并依據光伏蓄電池的充電特性和放電特性曲線制定的放電控制可以最大限度地延長蓄電池的使用壽命。將實踐教學過程中將蓄電池的充電控制策略劃分成多個充放電編程項目，其中包括恒壓充電控制編程、恒流充電控制編程、恒壓恒流合一充電編程、多階段多方式充電編程、PWM脈沖充電編程等多個子項目，學生通過逐步完成蓄電池的實踐項目，充分掌握鉛酸蓄電池的工作原理和控制方法，這樣才能在光伏發電系統中設計合理的蓄電池容量參數、電性參數及最優充電控制方法。

（三）光伏發電系統的系統電氣配置與設計

根據光伏發電系統的負載用電需求、發電輸出功率、發電輸出電壓、充放電控制策略等參數對光伏系統中的其他電器設備進行設計與計算，使整個光伏系統在電壓、電流、充電、放電、逆變等環節能夠完全匹配，最大效率地完成光能到電能的轉換過程。根據光伏陣列的串并聯數量選擇對應的接線箱，根據蓄電池陣列的容量選擇對應的充電控制器，根據負載功率選擇對應的逆變器，同時將集中式逆變器方陣，匯流箱布置于匯流區正中位置，直流柜、逆變器、箱變布置于單元方陣正中位置。組串式逆變器方陣，逆變器布置于逆變區正中位置，交流匯流箱布置于匯流區中靠近箱變位置，箱變布置于單元方陣正中位置。電氣一次設計包括收集項目所在地電網現狀，并初步確定項目接入變電站位置，電壓等級等數據;選擇高壓側、低壓側設備;確定工程集電線路電壓等級，并依次選擇電纜型號和截面;電氣二次設計包括確定系統結構及配置，確定保護方案和裝置配置和調度方案及設施，同時根據光伏系統安裝的戶外實際場合設置恰當的接地保護、防雷保護、在線監控等其他的電氣連接。

（四）太陽能光伏發電系統整體設計

首先是光伏陣列的容量設計，為滿足負載的用電需求，結合光伏系統所在地的光照情況和天氣情況，并適當考慮當地最大陰雨天氣的情況，計算出太陽能光伏陣列的串聯數和并聯數，使光伏陣列能滿足用電電壓和用電電流的匹配;其次是根據光伏陣列的輸出參數和負載用電參數設計出蓄電池組的容量，結合蓄電池的放電深度和光伏陣列的充電電量，計算出能夠充分蓄電、滿足負載供電、循環壽命長的蓄電池串聯數和并聯數;還要計算太陽光伏電池陣列的容量和規模，根據負載的功率大小和運行狀況來確定光伏系統中太陽電池的容量，確定選擇什么樣的太陽電池組件以及光伏組件的串聯和并聯數目已經陣列輸出的總功率，計算出所需太陽電池的面積。根據調查的結果選定太陽電池陣列的設置方式，并判斷設置太陽電池組件的可能性。其他設備的選定、蓄電池組的計算和設計是光伏系統持續穩定運行的保證，設計蓄電池組需要根據用戶的實際需求來考慮，蓄電池組的設計放電深度、蓄電容量、電壓大小、充電控制策略和放電控制策略都會決定整個光伏系統的運行周期和運行穩定性，逆變器、接線盒等，并確定設置場所。根據設計結果購買太陽電池組件以及其他設備，安裝太陽電池組件并對其配線。

總之，高職教育要以培養學生的實踐創新能力和實踐動手能力為核心，專業課程的改革必須為培訓學生的兩種核心能力而進行，將光伏發電系統分解為多個實訓子項目任務，設定每個系統組成部分的項目任務，將整個光伏發電系統分解為光伏陣列、蓄電池陣列、控制器、逆變器和附加電氣幾個主要的項目任務。學生通過光伏發電系統每個設計環節的實踐，完成光伏系統各個子項目任務，達到掌握光伏系統各個知識點的目標。學生在課程深入學習中，不斷解決每個知識點所對應的子項目任務，最后通過光伏仿真系統對完成的項目任務進行仿真和調試，不斷發現問題和解決問題，最后融會貫通掌握整個光伏發電系統的全部知識，同時有效培養學生的實踐動手能力和實踐創新精神，從而培養學生的自主學習能力，有利于培養創新型高素質技術人才，為節電技術與管理專業課程的實踐教學改革起到示范作用。

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編輯 王 敏