可再生能源实验室的教学探索

宿杰 迟宗涛 苗洪丽

[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（Hybrid Power System，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-V特性，以及1000W/m2到200W/m2的可变太阳辐射。观察到，当太阳辐射降低时，太阳能板的输出电流和输出电压相应降低。此外，该图表明短路电流Isc=3.2A和开路电压Voc=21.6V。

图4显示了太阳能电池板的输出I-V特点在固定太阳辐照度为1000W/m2和可变温度范围是从25℃到100℃，从这个图中可以看出，当温度降低太阳能电池板输出电流略有增加，但电压会大幅下降。

图5示出了在1000W/m2的固定辐照度和25℃至100℃的可变温度下太阳能电池板输出P-V特性。从图中可以看出，当太阳能电池温度升高时，太阳能输出功率下降。太阳能电池板测试后，太阳能发电系统直接连接电池和电阻负载，并根据两种情况分析仿真结果。

其一，恒定辐照度和可变电阻负载条件下：对于此模拟，电阻负载在15秒之内从17Ω变为5Ω，太阳辐照度固定为1000W/m2。

图6显示了P-V系统的可变负载电流演变，其中Ipv是太阳能电池板输出电流，Ibat是电池电流，Iload是负载电流。从该图中可以看出，当电阻负载较高时，太阳能电池板输出电流足够高，可以为负载提供电流并为电池充电。但是，如果电阻负载值减小，则需要更高的电流，因此太阳能电池板输出电流不足。在这种情况下，电池通过向负载提供电流而放电。

其二，可变辐照度和恒定电阻负载条件下：太阳辐照度将在15秒内从1000W/m2变化到200 W/m2，电阻负载固定在20Ω。

根据仿真数据结果可知为了保持太阳能电池板始终工作在最大功率点（Maximum Power Point，MPP），最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）是必不可少的，因为它决定了太阳能电池板的效率。在传统教学环节中已经研究了几种MPPT算法，但不限于扰动观察、增量电导、模糊逻辑、寄生电容和人工神经网络算法。在实验室中，学生将可以学习其中的算法。

三、新型实验室虚拟平台

实验室的目的是通过虚拟平台进行现场主动学习和电子学习（E-learning）。可再生能源领域的教师、学生可以学习可再生能源的各个方面，并通过动手实践来深化知识。除了实验室的现场学生，学生还可以通过虚拟平台和电子学习系统，通过实验室的许可远程访问实验室。通过如图8所示的虚拟平台，学生可以无论是实时（同步）模式还是离线（异步）模式，都可以以“人与人”的方式进行交互，也可以以“个人”的方式与对象进行交互。实验室将利用LabVIEW软件开发一个监控应用程序，对整个系统进行监控，并通过互联网界面对不同的信号进行跟踪。

实验室将配备电脑、大型视频会议屏幕、摄像头、麦克风、扬声器和互联网连接。远程学生可以通过视频会议系统与实验室学生合作。此外，远程学生将能够通过一个虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）与实验室设备进行交互，该虚拟专用网（VPN）实现了所有站点的局域网（Local Area Network，LAN）互通，使用高速互聯网连接。并且将充分配置IP摄像机，使整个实验室形象化。

（一）电子学习

电子学习对当今的教育产生了巨大的影响。它包括信息和通信技术在教育系统中的集成，然后利用互联网的多媒体新技术提高远程协作模式的学习质量。E-learning最大的好处是高校内没有可再生能源实验室的学生实现共享与交流电力电子技术知识。这将是促进可再生能源发展和电力电子学科建设的一个好办法。电子学习正在成为更有效的教学和学习解决方案。实际上，它可以在不同的教育机构和组织之间共享实验室，克服距离的挑战。在电子学习系统中，课程和评估将在网上提供给学生，让他们学习可再生能源的不同方面，例如：可再生能源的生产和优化、电力电子装置、太阳辐射效应、可再生能源系统控制、MPPT等。

（二）实验室学习

新的实验室学习模式与传统的接受学习方式不同，实验室学习是以学生为学习的主体，借助虚拟实验室在时间、空间、设施等资源优势基础上，结合电子学习，根据学生个人情况开展自学、讨论、交流等方式，积极主动地进行学习。学生独立地完成学习任务，旨在培养其分析问题和解决问题的能力。实验室学习教学模式可在仅使用传统教学模式一半教学课时的情况下仍然取得较好的学习效果。

四、结束语

本文提出了一种新的基于太阳能、结合风能和生物柴油的可再生能源实验室概念。展示了混合动力系统、实验室物理环境、实验室虚拟平台和电子学习概念。介绍了太阳能发电系统、风力发电系统和生物柴油发电机组的架构，并对其进行了太阳能发电系统部分的仿真。仿真结果表明，太阳能电池板是非线性系统，需要采用MPPT控制器来保持它们在最大功率点工作，以提高效率。文章最后提出了电子学习和实验室学习的概念，是未来电力电子技术教学发展的新趋势。

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Teaching Exploration of Renewable Energy Laboratory

SU Jie， CHI Zong-tao， MIAO Hong-li

（School of Electronic Information， Qingdao University， Qingdao， Shandong 266071， China）

Abstract： In response to the characteristics of the new energy revolution， a targeted reform of the teaching model of power electronics technology is discussed， and the concept of a renewable energy power electronics laboratory is proposed. The purpose of establishing renewable energy laboratory is to let students understand the application of power electronics technology in renewable energy， learn to use the hybrid power system and virtual platform of the laboratory， and learn to model and simulate the solar system module. Combining E-learning with laboratory learning can stimulate students' initiative in learning and is a new practice teaching model.

Key words： power electronics technology; teaching model; renewable energy; E-learning