新能源发电与并网技术教学改革与实践

　1、引言
能源是社会发展最重要的基础性资源之一，是社会发展的原动力。为保证人类稳定、持久的能源供应，必须优化现存的、以不可再生的化石能源为主体的能源结构，大力发展太阳能、风能、生物质能、水能等可再生能源。
新能源发电与并网技术主要涉及电气、材料、控制、电力电子技术等，理论性、实践性较强，综合程度高，与工程实践联系紧密，对学生整体素质要求较高。目前需要培养熟练掌握新能源发电与并网技术方面的复合型应用人才。
因此，中原工学院电气工程及其自动化专业开设新能源发电与并网技术课程。
新能源发电与并网技术课程包括新能源发电技术和并网技术，前者主要涉及光伏发电、风力发电、生物质能发电和燃料电池发电技术等，后者则重点关注目前相对成熟的光伏发电、风力发电并网技术及国家、行业标准、规范等。
首先，该课程涵盖电气、半导体材料、化学、控制、机械等学科，属于典型的交叉学科，对教师和学生在知识的广度和深度方面提出更高的要求。
其次，该课程需要结合工程实践能力以便加深对新能源发电与并网技术的理解，突出实践能力的培养。
所以，新能源发电与并网技术教学改革更加注重培养学生实践与创新能力，提高善于发现问题并创造性解决问题的能力，为今后从事新能源发电领域的工作奠定坚实的理论和工程实践基础。
针对课程的特点及存在的问题，本文系统地进行了分析与研究。
首先，调整并优化现有教学内容，重点讲解较为成熟的光伏发电、风力发电原理，删减部分不常见发电技术内容，增加最新国家关于支持上述发电技术的政策及施工标准等方面的知识，做到密切联系实际市场发展，与时俱进。
其次，结合新建立的新能源发电与微电网实验室，充分整合并利用现有实验教学平台，增加实践教学比例。强调学生参与实验实践的重要性，在熟练掌握实验原理及实验培训平台的构造后，给予学生充分信任，拆解并完整组装实验培训平台，真正提高学生的动手能力与工程实践能力。
2、教学内容调整与优化
结合中原工学院实际情况，充分利用新建立的新能源发电与微电网实验室，调整教学内容所占比例，重点讲解光伏发电、风力发电原理及并网技术，删减部分不常见的发电技术内容。优化理论教学与实践教学比例为1:1，通过增加实践教学时数，提高学生的动手及工程实践能力。
调整后课堂教学主要包括四部分。
第一章：新能源发电技术综述。通过查阅大量文献，密切关注国内外新能源发电技术的最新研究进展、产业和市场行业发展动态，及时更新并整理授课内容。同时，对那些对技术、行业发展做出里程碑式的领军人物，以小故事的形式串到课堂中，讲解他们从创业到成功的案例，激发学生的学习兴趣和动力，培养创新创业意识。
第二章：光伏发电技术。了解太阳电池种类及最新太阳电池研究进展，熟悉国内外著名太阳电池研发机构及厂商。重点讲解目前市场上占主导地位的硅基太阳能电池发电基本原理、电池片及组件制造流程，熟练掌握离网、并网型光伏发电系统组成及设计原理，增加光伏发电工程案例教学内容。
第三章：风力发电技术。了解风力发电及风机构造演变的历史，熟悉国内外知名的风机制造商。重点讲解市场上占主导地位的双馈异步变速恒频风电机组的发电原理、组成及构造，掌握风机叶片、发电机组、传动轴等关键组成部分的构造及工作原理，引入风力发电厂工程案例教学内容。
第四章：新能源发电并网技术。本章主要讲解国内光伏发电和风力发电的并网技术，重点介绍目前国内已颁布的关于光伏发电、风力发电并网技术的标准和规范等。熟悉由上述发电形式构成的分布式发电电网的特点，掌握光伏发电和风电厂设计及施工标准规范。同时介绍国内外关于鼓励光伏和风力发电产业发展的支持和优惠政策，及时了解国内外市场发展动态，让学生充分认识到光伏发电和风力发电技术的美好未来和发展前景。
3、教学改革与实践
启发与讨论并重抛开传统的先入为主的授课方式，让学生主动参与并讨论课堂所讲内容，提高学生学习的主动性和积极性。比如讲解发电形式时，首先讨论目前常用的交流电是怎么产生的？（三相发电机组）而光伏发电产生的是什么电，直流电还是交流电？首先让学生从感官上认识到，它没有三相发电机组，所以产生的电只能是直流电；要让直流电变成常用的交流电，必须要用逆变器这个中间“桥梁”，才能并入电网使用。风力发电机组自身包含三相发电机组，可以产生交流电，直接可以并网使用。
通过引入“交流电是怎么产生的”这样一个问题，启发学生联系已学知识参与问题的回答与讨论，让学生很快理解并掌握光伏发电与风力发电发电形式的区别，以及逆变器的原理等，从而增强课堂教学效果。
提高项目设计与撰写报告能力在教学过程中，以项目设计并撰写报告的形式给学生布置作业。将学生分为若干个项目小组，任命一个小组组长（5～7人）。针对同一个讲课专题，如讲完光伏发电系统设计后，要求每个项目组独立完成一个100W太阳能LED路灯设计报告，并做出10分钟PPT演示汇报。

图1 100 W 太阳能LED 路灯设计思路
首先，提供给学生一个设计思路，如图1所示，整体了解完成此项目都需要哪些知识？怎么获取这些知识？借助图书馆、互联网、MOOC等学习资源查阅教材，有目的地选择性快速学习项目所需知识。
其次，项目组长安排小组成员分工协作，在一定期限内，按照一定格式共同完成项目设计报告。最后，每个项目小组长在课堂上演示汇报本小组成员的设计成果，全体学生参与讨论，并评出最好的设计作品。
授课教师提供总体设计思路并把握设计方向，学生负责具体设计工作。通过完成项目设计，不但增强了学生获取、分析和利用新知识的能力，归纳、总结、表达知识的能力，而且锻炼了思维共享、团队合作、交流沟通等能力。更重要的是培养学生在面对新的问题时，如何发现问题、提出问题、分析问题并创造性地解决问题的能力，为后续的毕业设计及工作奠定基础。
案例教学为了激发学生的学习兴趣和动力，那些对技术、行业发展做出里程碑式的领军人物，以小故事的形式串讲到课堂中，讲解他们从创业到成功的案例，培养学生的创新创业意识。如在谈到最近的研究热点——无线输电技术时，不得不谈到20世纪被遗忘的巨人——特斯拉，这个交流电、交流发电机和无线输电技术的发明人与奠基人。由于特斯拉发明的无线输电装置在当时遭到破坏，一直到今天，仍无法重复远距离无线输电技术。通过了解当时的历史背景，还让学生明白，从交流电产生的那一刻起，直流输电技术和交流输电技术就一直存在竞争关系（爱迪生与特斯拉的故事）。以小故事为载体，讲解无线输电技术、交流电以及两种输电技术的发展历史、未来，激发学生学习兴趣，培养学生求知欲望，从而增强教学效果。
4、实验教学平台建设
结合新能源发电与微电网实验室，建立新能源发电实验平台，按照实验指导书的要求，让学生独立自主地完成实验。

图2 光伏发电系统实训平台
如图2所示光伏发电系统实训平台，通过该实验平台，学生可以学习、巩固：1）太阳电池发电原理以及影响光电转换效率的因素等；2）光伏发电跟踪系统的组成及结构；3）光伏发电离网系统的组成部分、作用及工作原理，如太阳能控制器、离网逆变器、蓄电池。

图3 风光互补发电系统实训平台
图3为小型风光互补发电实训系统平台，该系统由风力发电系统、光伏发电系统、蓄电池和监控软件单元组成。风力发电系统由模拟风场和风力发电机组成，尾舵偏航控制与风场运动由西门子PLC控制实现。
光伏发电由模拟光源与跟踪系统组成。监控软件可以实时监测并存储系统发电、用电与环境参数等信息，实时对模拟光源、光伏跟踪、模拟风场与侧风偏航等进行遥控。
通过该实验平台，学生可以学习、巩固：1）风力发电机的发电原理、组成及结构；2）由风力发电、光伏发电、蓄电池组成的微电网系统工作原理、组成；3）通过PLC编程，自动跟踪模拟光源，使光伏组件输出功率最大；4）太阳能控制器、光伏逆变器的结构与原理。
由于该实训装置属于开放、外露式平台，学生可以自由拆卸并安装实验装置上面的光伏电池组件、控制器、逆变器、继电器、线路等，熟悉系统各个组成部分的工作原理及作用，亲身接触、认识、熟悉相关的电子元器件、设备等。学生可以依据个人兴趣和知识能力，在原有的实验基础上，扩展并开拓新的实验项目等，从而实现培养动手能力和创新能力。
5、总结
新能源发电与并网技术设计的知识覆盖面广、技术种类复杂等，需要结合中原工学院实际情况，通过课程内容和教学实验平台的调整、优化和整合，使教学内容和方法更加符合该课程的特点和要求，同时教学效果得到改善和增强，主要体现在：
1）调整教学内容并结合实验室条件，重点讲解光伏发电和风力发电知识，兼具一定的广度和深度；
2）改革后学生上课积极性和互动性明显提高，学生从被动接受知识转变到主动参与、讨论所学知识；
3）通过增加实践教学比例，学生学习的积极性和主动性得到提高，动手能力得到进一步锻炼，进一步加深对所学知识的理解和掌握，更重要的是培养了发现问题、提出问题、分析问题并创造性地解决问题的能力。