“新能源发电技术”课程教学改革初探
中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0109-02
新能源是21世纪人类解决能源问题和环境问题两大关键问题的钥匙，未来50年是人类大规模开发利用新能源的关键期，21世纪也是围绕新能源的技术革命和产业高速发展期。新能源技术是涉及电气、动力、材料、控制、电子、计算机、信息等多个学科交叉的高新技术，为了推动新能源发电技术的快速发展，目前需要加紧新能源技术的知识传播和相关人才的培养，为此，北京信息科技大学电气工程专业开设了“新能源发电技术”课程。
根据本校的实验条件和综合实力，新能源发电技术课程的重点不是新能源与电力系统的结合，而是新能源发电技术、电力电子技术和控制技术的结合。该课程旨在使学生了解国内外新能源发电技术现状，掌握风力发电、太阳能光伏发电、水力发电、生物质能发电、核能发电、分布式发电等新能源发电系统的工作原理、系统硬件组成和控制技术，为进一步分析和研究新能源发电系统及控制技术、电力电子系统设计与控制打下基础。
一、新能源发电技术课程教学改革的意义
随着新能源发电技术的快速发展，《新能源发电技术》课程的教学内容要不断更新，实践环节也随之更新，这就需要进行教学改革，其中实践教学改革是重中之重。教学实践表明《新能源发电技术》课程需要工程实践能力加深对新能源发电及控制技术的理解，教学过程中需要突出实践能力的培养，锻炼学生的独立思考能力、动手能力和工程实践能力；《新能源发电技术》课程教学改革更加注重实践性、创新性、开放性，重视培养学生的实践能力和创新能力，以便更好的和课题、科研衔接，为从事新能源专业打好基础。综上，急需进行《新能源发电技术》课程实践教学改革。
二、新能源发电技术课程教学内容
新能源发电技术突出新能源发电技术、电力电子技术与控制技术的有机结合，除了讲透三部分内容，还要将他们有机结合起来。但授课学时仅为32学时，内容繁多，课时有限，要想在课堂教学时间内使学生有效掌握关键技术，需要合理设置课程结构，对教学内容进行有效筛选。梳理教学内容，将其分成两部分：一是利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源――电能；二是对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。
我国具有开发可再生能源的条件和历史，近年来可再生能源的开发和利用取得了长足的进展，以年均超过25%的增长速度成为世界能源领域增长最快的两点。截至2014年上半年，中国水电装机容量达到了2.9亿千瓦，风电装机容量达到了8300万千瓦，太阳能发电装机容量达到了2200万千瓦。其中，可再生能源发电装机超过全部发电装机的30%，可再生能源发电量超过全部发电电量的20%，风电装机容量连续5年快速增长，发展速度大大超过了预期，连续五年新增装机容量位居世界第一，太阳能光伏电池和太阳能热水器产量均居世界第一，水力发电、风力发电、太阳能光伏发电是新能源发电的主力军。生物质能、海洋能、地热源、核能等其他新能源发电技术还处于实验研究或商业探索阶段，市场份额较小。鉴于此，本课程首先介绍国内外新能源发展状况和最近技术，然后介绍新能源发电系统中涉及的电力电子变换电路及相关参数设计，再介绍新能源发电系统中的控制技术及控制算法，最后介绍各种新能源发电系统的工作原理，硬件组成及相关的控制技术。
具体章节安排如下：第1章新能源与发电技术综述，介绍国内外新能源发展技术及经济数据，这部分内容具有较强的时效性，结合每年的BP世界能源统计年鉴、国内外政策分析、各国的能源发展规划，使本章更具科学性和实效性。第2章介绍新能源变换与控制技术基础知识，除了复习电力电子技术里讲述的AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四类典型变换电路，还增加了新能源发电系统里常用的驱动和保护电路分析，新的拓扑结构分析等内容。第3章为太阳能光伏发电技术，重点介绍光伏发电原理，太阳能电池板的电特性，离网型及并网型光伏发电系统、最大功率跟踪控制技术、光伏发电系统的控制策略。第4章为风力发电控制技术，介绍风力发电机组及工作原理，控制策略及相关的并网技术。第5～8章分别介绍水力发电技术、生物质能发电技术、海洋能发电技术及温差发电技术，第5～8章根据学时安排及教学效果，可安排自学，或者作为选学内容。
三、新能源发电技术实践内容建设
新能源发电技术具有很强的实践性和工程性。在实际教学过程中，应该添加实验教学内容，实践教学对帮助学生理解和掌握基本理论，培养学生的操作动手技能、创新意识和探索精神具有非常重要的作用。
实践教学内容分为两部分，仿真实验和实际电路设计实验。仿真实验主要包括太阳能光伏电池建模及电输出特性，光伏并网逆变器非线性控制策略仿真研究，双馈风力发电系统变流器非线性控制策略研究。实际电路设计实验共4个，分别是太阳能最大功率跟踪控制器设计、铅酸蓄电池充电控制器设计、小功率风力发电系统设计、基于uc3906的蓄电池充电管理器。
具体实施办法为，仿真实验在matlab仿真实验环境下进行，每个学生独立完成，仿真完成后按照要求的格式撰写实验报告。实际电路设计实验首先学生选题，根据不同的内容2～5人一组，然后小组成员分工，教师根据学生的程度可适当调整；然后设计电路，进行相关参数计算、器件选型；然后进行电路焊接、调试、软件编程、软硬件联合调试；组织学生答辩，最后撰写报告。由于实际电路设计实验以设计和分析为主，电路选型、参数计算、控制算法都要学生自己设计，要求每个学生都要动手，单独操作，掌握实验的方法和技能，培养独立分析问题和解决问题的能力。 四、教学方法和手段改革
采用开放式、案例式、讨论式、实操式教学方法。开放式教学指教学内容不局限于课本，而是多渠道开放式的，可选自图书馆，也可以选自互联网，教师有引导性的推荐一些主要参考书和阅读资料，鼓励学生自己查找和组织学习资料，这样一方面可以让学生接触国内外最新、最成功的教学内容和学科前沿信息，使学生了解科技的最近发展形势，站在学科发展的前列；另一方面，通过自己查找资料、组织学习内容，培养学生学习主动性、知识管理能力、自学能力和习惯。案例式教学将身边案例搬进课堂，帮助学生理解书本知识，建立起系统设计概念，了解系统设计步骤、设计方法、实验方法和实验设计等。讨论式教学鼓励学生积极参加课堂讨论，帮助学生建立新能源系统的知识结构，同时也锻炼了语言表达能力，将学习过程转化为师生共同学习、共同探索的提高过程。太阳能光伏发电小系统项目式实操教学，在风光互补发电实验平台上，实操太阳能光伏板能量转换实验、环境对光伏转换影响实验、太阳能电池光伏系统直接负载特性实验、太阳能控制器工作原理实验、接反保护实验、太阳能控制器对蓄电池的过充保护实验、太阳能控制器对蓄电池的过放保护实验、夜间防反充实验、离网型逆变器工作原理实验、独立光伏发电实验、并网型逆变器工作原理实验、光伏并网实验、风光互补功能操作。
五、存在的问题
新能源发电技术及相关的控制技术的实际应用越来越多，需要大量的应用技术型人才和研究型人才，在授课过程中发现该课程存在如下问题：（1）教材问题。国内外已经有多种版本的新能源发电及利用技术的专著，由于新能源发电技术涉及能源种类繁多，应用规模和水平相对较低，许多技术有待完善，开设新能源发电技术课程的专业也比较繁杂，缺少一本能兼顾各种新能源发电技术、控制技术、实验设备，并且能和学生专业基础很好结合的教材。（2）缺乏实践教学内容。现有的新能源发电技术实验平台大都是演示型操作平台，价格昂贵，导致不能满足每个学生都有动手设计、动手操作的实验要求，可操作性比较差。（3）师资队伍建设相对薄弱。目前新能源发电技术一线教师大都是从相近专业转型过来的，缺乏新能源发电系统研究，缺乏工程实践背景。
六、结语
新能源发电技术作为电气工程专业特色课程，需要教学改革、重点建设。本次课程改革应用于实践，收到了良好的效果，大大提高了学生的学习兴趣，特别是实践教学内容，教学效果明显提高。仿真教学摆脱了实验设备和成本的束缚，可以随时随地进行新能源发电系统设计，加深了对原理的理解；设计性的实际电路实验，不仅增强了学生的动手能力，提高了分析问题、解决问题的能力，更重要的是增强了学生的自信心。
