可再生能源实验室的教学探索.pdfVIP

可再生能源实验室的教学探索

作者：宿杰迟宗涛苗洪丽

来源：《教育教学论坛》2021年第02期

摘要[]文章通过分析新能源革命的特点，对电力电子技术教学模式进行了改革探讨。建

立可再生能源实验室的目的，是让学生了解电力电子技术在可再生能源方面的应用，学会使用

实验室的混合动力系统和虚拟平台，学会对太阳能系统模块进行建模仿真。E-learning和实验

室学习相结合的模式可以激发学生学习的主动性，是一种全新的实践教学模式。

关键词[]电力电子技术;教学模式;可再生能源;E-learning

基金项目[]2019年度教育部产学合作育人项目“新工科背景下微电子专业实验教学内容改

革”（201901239007）

作者简介[]宿杰（1977—），男，山东青岛人，博士，青岛大学电子信息学院副教授，

主要从事微电子方向教学与研究。

中图分类号[]TM306[文献标识码]B[文章编号]1674-9324（2021）02-0097-04[收稿日期]

2020-04-01

一、背景

随着科学技术及新型产业的快速发展，新能源革命亦处在迅猛发展之中，可再生能源作

为一种替代能源，可以建立可持续发展。在可再生能源中，太阳能和风能已经成为世界上最受

欢迎和广泛关注的能源，目前的市场利用率却仍然很低[1-5]。为了促进太阳能和风能技术的发

展及其教学，应考虑开发可再生能源电力电子实验室。Herrera和Fuller在文献[6]中闡述，实

验室是科学教育的重要环节，对学生有着很大的影响。然而，传统的实验室已经显示出了一些

局限性，Bauer和Mendes在文献[7]中具体讨论了传统实验室的不足和局限性。建立远程教学

实验室是一种很有价值的解决方案[8-10]，因为它包含了许多好处，比如：灵活性、可以最大

限度地利用教育资源、互动性和主动学习[11-15]。文章首先介绍了实验室混合动力系统的结

构和设计，研究了太阳能发电系统。实验室环境从物理环境和虚拟平台两个方面进行了介绍。

最后，提出了电子学习的概念和实验室学习的方法[16]。

二、新型实验室架构

（一）混合动力系统设计

本实验室所研究的可再生能源系统为三种能源的混合动力系统（HybridPowerSystem，

HPS）。一般来说，混合动力系统包括两个或多个能源系统、储能系统、功率调节设备和控制

器。该系统是主要基于太阳能，结合风能和生物柴油能源、蓄电池、电力调节系统和耦合单元

的集成。这不仅有助于学习电力电子技术相关知识，还能使学生加强对可再生能源的研究。如

图1电力电子可再生能源实验室包括三个可再生能源系统：太阳能电池板、风力涡轮机和生物

柴油发电机[17]。

实验室考虑的HPS体系结构如图2所示。它包括太阳能发电系统、生物柴油发电系统、

电力系统、蓄电池、DC-DC变换器、整流器、逆变器、直流和交流负载。所提出的HPS是基

于三种可再生能源（太阳能、风能和生物柴油），以确保电力对负载的可靠性。太阳能作为主

要来源，风能和生物柴油发电机作为次要来源[18]。由于太阳能主要依赖于太阳辐射，在恶

劣的天气条件下（缺少或低太阳辐射）可能会发生停电。备用生物柴油发电机被设置为备用电

源，为电池充电和给负载提供动力。因此，HPS的设计是为了满足在所有条件下的电力可靠性

[19]。

本混合动力系统设计基于300W直流负载，选用300W风力发电机，50W太阳能电池板

和400W生物柴油发电机。太阳能电池板和风能转换系统向负载供电。它们的标称总功率为

350W，比直流负载功率高50W，因为要考虑电源和负载之间的功率转换损耗，以确保电源保

持充足。生物柴油用作备用电源，并且当缺乏太阳能和风能时应该能够为负载供电。由于直流

负载为300W，因此选择400W发电机时也要考虑功率转换损耗。可以注意到，在HPS中还添

加了300W交流负载，以便同时操作三个能源系统并研究它们在这种情况下的行为[20]。

（二）太阳能发电系统仿真

首先对太阳能电池板模块进行建模和仿真，分析I-V和P-V特性，以确保模拟结果与实

际参数相对应，并将该模型引入太阳能系统模型中。在实验室中，学生将改变代表太阳辐射的

灯光和控制温度的空调，根据不同情况分析基于太阳辐射和电池温度变化的I-V和P-V输出特

性。

图3显示了太阳能电池板在25℃的固定温度下输出的I