時間：2023-03-20 16:13:04
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關鍵詞：風力發電；光伏發電系統；小干擾穩定
Abstract: the small signal stability analysis for wind power and photovoltaic power generation, have very important significance, because of wind and solar are characterized, instability, therefore, wind turbine in a photovoltaic battery will generally by means of power electronic converter and grid connected to the load, therefore, small disturbance stability presents the new features, this paper mainly research on small disturbance wind power and photovoltaic power system stability.
Keywords: wind power generation; photovoltaic power system small signal stability
[中圖分類號] TM614 [文獻標識碼]A[文章編號]
一、引言
近些年來，對著自然環境的惡化和能源的枯竭，可再生能源日益受到了社會各界的重視，作為可再生能源的重要組成部分，風力和太陽能發電也得到了一定程度的發展，在風力和太陽能發電發展過程中，較為成熟的技術當屬風力發電技術以及太陽能光伏發電技術，但是，隨著近些年來風力發電以及光伏發電容量的增加，這兩種技術帶來的小干擾穩定問題也受到了專家學者的關注，對于風力發電與光伏發電系統小干擾穩定的問題，國外的專家學者已經進行了深入的研究，取得了良好的研究成效，下面就對風力發電系統小干擾穩定及光伏發電系統小干擾穩定分別進行闡述。
二、風力發電與光伏發電簡介
就目前來看，風力發電技術是現階段對于可再生能源發電技術中發展形勢最好的技術之一，風力發電最早發源于丹麥，近些年來，由于環境資源的枯竭問題，風力發電這項新技術漸漸受到了各國的關注，在1995年之后，風力發電在世界范圍內得到了迅速的發展，目前，兆瓦級的風機成為發展的主流，海上風機也得到了一定程度的發展，我國的風力發電最為起源于上世紀50年代，在1995年以后，風力發電也逐漸呈現出了產業化的發展趨勢，但是就現階段來看，我國的風力發電技術還不夠完善，核心的元器件都需要依賴進口，電能的造價也較高，主要依靠國家的補助來維持，因此，在下一階段，必須要發展風力發電的核心技術。
光伏發電是太陽能發電的一種，最早起源于上世紀50年代中期，我國的光伏發電于上世紀80年代以后得到了迅速的發展，近些年來也取得了一定的發展成效，作為光伏電池的生產大國，我國在其運用方面還有一些不足之處，也有著巨大的市場潛力。
三、風力發電小干擾穩定
對于風力發電的小干擾穩定需要從單機系統入手研究，為了研究風力發電的小干擾穩定，需要建立小信號模型，并在模型的基礎上探討風力發電系統的小干擾穩定性，并通過各種參與因子分析控制器參數與狀態變量以及震蕩模型之間的關系，從而揭示出小干擾穩定的原理。目前，在我國研究較多的是異步風力發電系統、直驅式永磁同步風力發電系統以及雙饋風力發電系統，相關的研究數據表明，當風力發電系統的風電機處在額定轉速十，其槳距角可以使風機獲得最大的轉距，在風速超過額定速度時，可以控制其槳距角使風機可以獲得恒定的輸出功率，但是，在實際的工作過程中，風機存在著延時的情況，因此，在控制中除了使用槳距角，還要利用其他的因素，通過建立單機模型對其進行分析，并根據不同參與因子的計算，利用狀態矩陣元素對風力發電小干擾穩定進行研究，可以獲知，同永磁同步發電機轉速相關的模態都屬于衰減狀態，通過對起衰減狀態的研究證實，整個風力發電系統在運行的過程中，遭受干擾后表現的也較為穩定，也有良好的動態性能。
四、光伏發電系統小干擾穩定
一般情況下，光伏發電系統主要由光伏電池，濾波電容，逆變器，線路，變壓器，電網等部分組成，在研究光伏發電系統小干擾穩定的過程中，選擇風速的階躍上升以及風速的階躍下降作為干擾，并建立仿真波形圖以及小信號模型，小信號模型包括電力電子變換器模型，光伏電池模型，控制器模型，電網接口部分模型以及直流部分模型，經過仿真波形圖的計算，并將這些模型進行聯立，可以得出，當風速發生階躍的情況下，整個光伏發電系統的動態穩定性能較好，系統運行也較為穩定。在計算的過程中，對起運行過程中的參與因子進行分析可計算，可以得出當控制器的參數發生變化時，會對狀態產生不同的影響，在這其中，主導特征值對整個系統運行的動態性能有著極為重要的影響，當主導特征值為15.4時，整個系統呈現出衰減的狀態，當主導特征值為14.7時，整個系統呈現出震蕩的狀態，
五、結語
隨著近些年來風力發電以及光伏發電的發展，其小干擾穩定問題也逐漸引起了相關專家學者的關注，小干擾穩定的分析對于風力發電與光伏發電而言，都有著十分重要的意義，由于風能及太陽能都具有不穩定性的特征，因此，風力發電機組于光伏電池組一般會通過電力電子變換的裝置于負荷以及電網相連，因此，小干擾穩定也呈現出了新的特點，對于風力發電機組而言，整個風力發電系統在運行的過程中，遭受干擾后表現的也較為穩定，也有良好的動態性能，對于光伏電池組而言，當風速發生階躍的情況下，整個光伏發電系統的動態穩定性能較好，系統運行也較為穩定，同時，主導特征值對整個系統運行的動態性能有著極為重要的影響。
參考文獻：
[1] 黃漢奇：風力發電與光伏發電系統小干擾穩定研究[博士論文]，華中科技大學 ，2012，05（01）
[2] 范偉，趙書強：考慮風力發電的電力系統小干擾穩定性分析[博士論文]，華北電力大學學報(自然科學版)，2009，03（30）
【關鍵詞】溫室大棚；太陽能光伏技術；節能環保
0.引言
我國的光伏產業目前仍處在初級階段，但近年來太陽能產業發展非常迅猛，特別是太陽能電池產品已成功進入歐洲市場。太陽能光伏技術也越來越多的應用于各個行業，大到工業，農業，國防，通信等領域，小至家居生活，光伏技術無處不在。而農業生產中光伏技術的應用還相對較少，傳統農業溫室大棚的能源方式：一是供暖爐，二是電網電能。這已遠遠不能滿足現代農業生產高效，環保節能的理念，因此將太陽能光伏技術引入溫室大棚控制系統是發展現代農業推動農業科技創新的必由之路。
1.太陽能光伏技術
目前太陽能發電主要有兩種形式：一種是光熱轉換發電，二是光伏發電（Photovoltaic Generation，PV）。太陽能光伏發電是通過太陽能電池的福特效應直接將光能轉化為電能過程。優點是不需燃料，無污染，節能、安全、無噪音、容易獲取。近年來，在太陽能有效利用中太陽能光伏發電式發展最快最具活力的一種。
1.1太陽能光伏系統的應用領域及特點
太陽能是一種環保清潔的能源，我國的太陽能資源非常豐富，多數地區平均日照射量在4kwh/m2以上，地區可達7kwh/m2。我國的光伏技術應用還處于初級階段，太陽能主要應用于太陽能熱水系統、太陽能暖房、太陽能發電，太陽能衛星電池，太陽能路燈等。
太陽能光伏系統的特點：
優點：
（1）普遍性：是指太陽能在地球上隨處都有，沒有地域限制且不用開采運輸。
（2）環保性：是指太陽能無毒，無害，清潔、綠色、環保，對于環境污染日趨嚴重的中國，是一種寶貴的資源。
（3）充裕性：太陽能每年到達地球的輻射量非常的充裕，相當于130億萬噸煤所產生的能量。
（4）長久性：科學家根據目前太陽產生的核能速率估算，太陽能的儲量足夠維持上百十億年，地球的壽命也達幾十億年，對于地球人來講太陽能的時間是長久的，無限期的。
（5）前瞻性：對于愈來愈枯竭的地球能源，太陽能無疑是最具開發潛力的綠色環保能源之一，從能源開發的意義上來講太陽能的開發更具有可持續性和前瞻性。
缺點：
（1）分布零散：太陽能在地球表面每年的輻射量很大，但分布廣，密度小，所以利用率低。
（2）穩定性差：太陽能的強弱容易受天氣因素及晝夜交替的影響，所以穩定性較差。
（3）轉換效率低，應用成本高：受材料和技術水平限制，多數太陽能產品轉換率低，從而增加了其應用的成本，經濟性一直是困擾太陽能普及的重要因素。
1.2太陽能光伏系統性能與組成
每個太陽能基片都是一個光電二極管，光伏發電是利用半導體材料的光伏效應，將太陽能轉化為電能的一種形式。而第一個使用的單晶硅光伏電池（Solar Cell），是美國人在1956年研制成功的，從此就有了光伏發電技術。
太陽能光伏發電系統分為獨立（離網）太陽能光伏發電系統和并網太陽能發電系統。獨立太陽能發電系統是由光伏電池板，控制器和電能存儲部件及逆變器組成的發電與電能變換系統。而并網太陽能發電系統，除了上述組件外還必須有并網逆變器與國家電網并網。
（1）獨立太陽能發電系統的系統如下圖1示：
（2）太陽能并網發電系統如圖2所示：
圖2 并網太陽能發電系統結構框圖
其中光伏電池板第一代產品是由硅片為基礎的光電轉換系統，為了提高太陽能電池光轉換效率，降低光伏電池生產成本，相繼出現了基于薄膜技術的第二代光伏電池產品，這種產品使用很薄的光電材料附著在非硅材料的襯底上，降低了生產成本，適合于批量生產；進而第三代太陽能電池產品也將問世，它是以先進薄膜制造技術為基礎的理論極限光電轉化效率可達93%。主要有量子點、多層多結、染料敏化的太陽能電池、有機聚合物電池、納米電池等。
電能儲存部件主要是指太陽能蓄電池，太陽能蓄電池一般采用鉛酸電池，常用的有DC12V，DC24V，DC48V三種，在微型系統中也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。蓄電池的主要作用是在有光照時將光能由太陽能電池板轉換成電能儲存起來，以備使用。
太陽能控制器主要對太陽能基板輸出的電能進行調節和控制，把調整后電能分為兩個途徑輸送，一方面直接送往直流負載或交流負載，另一方面將剩余能量送往蓄電池組儲存，當太陽能基板發出的電能不能滿足負載需要時，太陽能控制器便將蓄電池中儲存的電能量送往負載。
太陽能光伏逆變器是光伏發電系統的核心設備之一，也稱為DC-AC逆變器。在太陽能光伏發電系統中，可將太陽能通過太陽電池轉化為DC12V、DC24V、DC48V的直流電能，通過光伏逆變器中的功率變換及控制系統轉化為符合電網電能質量要求的110V或220V交流電。太陽能逆變器可分為DC-AC和DC-DC兩種，可將太陽電池性能最大限度地發揮，并為系統提供強有力的保護功能。太陽能并網逆變器是光伏發電系統與國家電網并網的核心部件。
2.太陽能光伏系統在溫室大棚控制系統的設計方案
2.1太陽能光伏技術在溫室大棚控制系統中應用設計的背景和可行性
日本、美國、荷蘭、以色列等國外農業設施栽培綜合環境控制技術較先進的幾個國家， 由于其地理位置、自然環境和經濟基礎不同， 其發展的側重點也不同。
目前我國農業正處于從傳統型農業向優質、高效、高產為目的的現代化農業轉化的新階段。要發展具有我國特色的溫室自動控制系統，充分發揮溫室農業的高效性，必須綜合應用各種現代化控制和管理技術，通過各項設施的有效運作給溫室栽培物創造最適宜的環境條件，最大限度的減少外界不利環境和氣候條件對農業生產的影響， 獲得作物最佳生長條件， 從而達到增加作物產量、改善品質、延長生長季節的目的。而面對現代社會能源日益枯竭的現實狀況，開發利用新型能源已成為農業生產可持續發展的基本保障方式之一。
本設計針對中國北方天氣干旱、日照時間充足的特點，將太陽能光伏技術引入農業溫室大棚系統設計中，不僅可以解決系統的部分能源問題，而且可以提高現代農業生產的綠色、高效、節能環保進程。目前我國有些省份已經在一些地方率先使用太陽能并網發電系統，如無錫機場800kW屋頂光伏并網系統工程，鎮江、丹江兩個城市的2個4KW光伏并網系統等。從系統的可行性方面來講，首先，中國是個農業大國，這種新型能源的在現代農業生產中的推廣使用，將會為國家節省大量的資源；其次，中國的光伏技術近年來發展迅猛，光伏技術日趨成熟；第三，光伏技術在農業溫室控制系統的應用，將能有效推動高效環保現代農業生產。第四，溫室大棚多建在光照充足的區域，屋頂平坦，便于安裝且空間充裕。
2.2光伏技術在溫室大棚控制系統中的設計方案
2.2.1系統總體設計思路
本系統設計是基于PLC控制的農業溫室大棚控制系統，通過PLC對溫室中作物生長的環境因子光照、濕度、溫度、CO2濃度等進行調節和影響，從而達到不同農作物生長所要求的環境條件。系統的輸入控制因素主要是傳感器所測試的光照、濕度、溫度及CO2濃度，通過系統運算驅動執行機構動作（噴淋系統、遮陽網、補溫系統控制、CO2補氣控制、補光燈控制及通風系統控制等）來達到控制的目的。溫室系統控制結構如圖3所示：
2.2.2 溫室能源系統創新設計
傳統的溫室設計系統，所有的電能均由系統電網供給。本設計將傳統單一的電網能源供給，變為太能陽能光伏并網發電的形式，當陽光充足時，系統的電能有光伏發電系統供給，當夜晚、陰天光照不充足時，電網中的電能通過并網逆變器和控制器自動補給系統。系統設計擬用太陽能電池板、太陽能控制器和并網逆變器組成并網太陽能發電系統。并網逆變器同時兼有控制器和系統保護的功能。因為并網太陽能發電系統中蓄電池幾乎不用，所以系統沒有選用蓄電池。設計思路結構圖如圖4所示：
圖4 溫室光伏發電系統與控制系統結構圖
光照充足時光伏發電系統產生的電能充足，逆變器自動給溫室控制系統PLC及上位機、溫室系統的傳感系統（溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器等）、溫室系統執行機構（遮陽簾、天窗、風扇、補光系統等）提供電能，因為系統是按照所有執行機構同時工作時的最大功率設計的，在同一時刻不是所有機構都同時工作，此時多余的電能由并網逆變器送給輸電網；當光照不充足時，并網逆變器自動轉換，系統將從電網中使用電能，此時轉為電網供電狀態。
3.結論
經過對北京農業科技學院的農業科技園和西北農林科技大學新天地設施農業開發有新公司的農業科技園的參觀考察，獲悉這些大棚系統設計均采用現代化先進的控制技術，設計理念新，工藝成熟，能源多采用輸電網供給模式，設計中均未將光伏技術引入農業大棚生產中，其中最大的原因是成本太高。近年來，我國太陽能電池生產日趨成熟，二代、三代產品的相繼問世，是太陽能電池的生產成本大大降低，但控制器和逆變器的生產技術尚不成熟，要實現高效的轉換率，控制器和逆變器仍主要依靠進口。經過對國內外溫室控制系統研究分析，結合現代農業高效清潔的理念，本設計有利于推動我國農業生產對清潔、環保能源的開發和利用，符合綠色、高效農業的先進生產理念。光伏太陽能技術以其永久性、清潔性和普遍性，必將成為我國現代農業生產的必由之路。
【參考文獻】
[1]張立文，張聚偉.太陽能發電技術及其應用[J].應用能源技術，2010.3.
[2]李蔚.太陽能發電技術，太陽能發電技術的應用及發展前景[J].論文薈萃，2011.4.
摘要:本文概述了目前全球能源現狀,表明了太陽能發電的重要性和前景,詳細介紹了各種太陽能發電方式和它們的優點,并對這幾種發電方式作了參數對比。同時指出太陽能發電面臨的困難和解決措施,以及我國太陽能發電的有利條件和難點,對未來我國太陽能發電進行了展望。
關鍵詞:太陽能發電方式規模化
人類社會已進入21世紀,在新千年開始之際,熱門正面臨著一系列重大的挑戰,全球經濟發展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而對能源的需求量也不斷增加。在過去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是礦物燃料。這些礦物燃料燃燒時要產生大量溫室氣體,全球單是CO2排放量每年就超過500億噸,而且還在不斷擴大。形成的酸雨造成土壤退化,危害動植物。全球氣候變暖可能會產生災難性后果,必須采取堅決措施,減少溫室氣體的排放。因此,治理環境污染,已成為當務之急。同時,礦物燃料的儲藏量是有限的,按目前探明的儲藏與開發速度的比例計算,地球上可再開采的能源,石油為40年,天然氣約為60年,煤炭為200年。如不采取有效措施,到本世紀中葉,人類必將面臨礦物燃料枯竭的嚴重局面。
為了減少大氣污染、保護人類生態環境、保證能源的長期穩定供應,必須實施可持續發展戰略,逐步改變現有的能源結構,大力開發利用新能源。這已成為各國的共識。
在新能源中,公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能發電。下面就這兩大類太陽能發電方式逐一介紹。
1.太陽能發電的類型及其優點
太陽能發電可分為太陽能熱發電和太陽能光發電兩大類。
1.1太陽能熱發電
聚光式系統的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構成,不同的技術常在此部分有所區別;傳輸部分由管道和介質構成,介質常是空氣或水;儲熱部分用來保證發電的連續性,介質多為熔鹽。聚光式系統可分為塔式太陽能熱發電系統、槽式太陽能熱發電系統以及碟式太陽能熱發電系統。
1.1.1塔式太陽能熱發電系統
塔式太陽能熱發電系統也稱為集中式太陽能熱發電系統。它利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上,在那里將聚焦的輻射能轉變成熱能,然后將熱能傳遞給熱力循環的工質,再驅動熱機做功發電。
1.1.2槽式太陽能熱發電系統
槽式太陽能熱發電系統是利用槽式拋物面反射鏡聚光的太陽能熱發電系統的簡稱。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線平移而形成的槽式拋物面,它將太陽光聚在一條線上,在這條焦線上安裝有管狀集熱器,以吸收聚焦后的太陽輻射能,并常常將眾多的槽式拋物面串并聯成聚光集熱器陣列。該系統中機熱油回路和動力蒸汽回路分離開來,經過一系列換熱器來交換熱量。當太陽能供應不足時,利用一個輔助加熱器將油回路中的導熱油加熱,從而實現系統的穩定連續運行。
1.1.3碟式太陽能熱發電系統
碟式太陽能熱發電系統借助雙軸跟蹤,利用旋轉拋物面反射鏡,將入射的太陽輻射進行點聚集,聚光點的溫度一般為500—1000℃,吸熱器洗手這部分輻射能并將其轉換成熱能,加熱工質以驅動熱機(如燃氣輪機、斯特林發動機或其他類型透平等),從而將熱能轉換成電能。該方式的優點是:轉化效率最高;可模塊化;可以混合發電。
除了上述幾種聚光式太陽能熱發電方式以外,太陽池發電、太陽能塔熱氣流發電等新領域的研究也有進展。
1.2太陽能光發電
太陽能光發電是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之轉變成電能的直接發電方式,是的那股勁太陽光發電的主流。目前世界上應用最廣泛的太陽電池是單晶體硅太陽電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。
1.2.1單晶硅電池
單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的加工處理工藝基礎上的。它的轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23%,而規模生產的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。硅電池進展的重要原因之一是表面鈍化技術的提高。此外,倒金字塔技術、雙層減反射膜技術以及陷光理論的完善也是高晶硅電池發展的主要原因。
1.2.2多晶硅電池
多晶硅電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠比單晶硅少,其成本遠低于單晶硅電池,具有獨特的優勢。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉換率一直無法突破20%的關口,低于單晶硅電池。薄膜太陽能電池
薄膜太陽能電池發電是另一種光伏發電方式。由于受到原材料、加工工藝和制造過程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產品,現在發展了薄膜太陽電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽電池、化合物半導體薄膜電池、燃料敏化TiO2太陽電池等。
太陽能光伏發電系統的主要優點是:可以有效利用建筑物屋頂和幕墻,無需占用土地資源;可原地發電,原地使用,減少電力輸送的線路損耗;各種彩色光伏組件可取代和節約外飾材料(如玻璃幕墻等)在白天用電高峰期供電,從而舒緩高峰電力需求;配備蓄電池后,還能滿足安全用電設施的不斷電要求;太陽能發電板陣列直接吸收太陽能,降低墻面及屋頂的溫升,減輕建筑空調負荷。
2.太陽能發電面臨的困難和解決措施
前面介紹了幾種太陽能熱發電技術,除碟式發電系統外,都屬于大規模發電系統,只有做成幾十到幾百兆瓦級的發電站,成本才可能降下來。太陽能塔熱氣流發電和太陽池發電占地面積大,利用效率不高,僅僅在1%左右。因此太陽能塔熱氣流發電應放在土地廣闊、人口稀少的沙漠地區使用;而太陽池發電應適合放在日照條件好、鹽資源比較豐富的地區使用。總體來看,槽式發電系統技術上最為成熟,且其跟蹤機構比較簡單易于實現,總體成本最低。太陽能熱發電系統要實現的是低成本的投資和技術上的高可靠性運行。這要求未來在技術上要進行新型集熱材料的研究和開發,快速提高跟蹤機構的技術并降低其實現成本。同時發電產業要努力實現規模化,建立大規模的并網系統,既節約成本,又保證系統平穩安全運行。
對于光伏發電來說,總體來看,該產業尚處于起步階段,主要是由于太陽能發電初期投資大,控制成本高,而太陽能轉化效率比較低,且容易受天氣等多種因素影響。根據目前光伏發電發展狀況和其技術難點,未來的光伏發電研究需要重視以下幾個方面:一是加快太陽能原材料晶體硅生產技術的研究和新型替代材料的開發,降低材料成本并提高其轉化效率;二是提高系統控制技術,如達到光伏電池陣列的最優化排列組合、實現太陽光最大功率跟蹤等;三是研究光伏發電的并網技術,減少光伏電能對電網的沖擊;四是研究光伏發電與其他可再生能源發電技術的結合應用,保證供電持續性。
3.我國太陽能發電的優勢和難點
發展太陽能發電的需求主要來自滿足農村和邊遠地區的生產與生活用電和21世紀中持續發展我國電力事業兩個方面。在太陽能發電上我國具有得天獨厚的有利條件:
(1)豐富的太陽能資源。我國總面積2/3以上的地區年平均日照時數在2000h以上,年平均日輻射量在4000MJ/m2以上,要優于歐洲和日本,與美國相近。如此豐富的太陽能資源可以節省太陽能電池的用量,有利于太陽能發電在較低成本下加以推廣。
(2)我國太陽能電池的生產能力超過日本、美國和歐洲,居世界第一位,2007年我國太陽能電池的產量約為1180兆瓦。2007年在全球太陽能生產企業16強中,我國占據了6席。(3)逆變技術是太陽能發電的關鍵技術之一,由于在大功率開關器件開發和逆變技術的應用等方面,我國已取得長足進步,生產出適用于光伏并網、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器成為可能。
但為了太陽能發電產業的快速發展,必須解決以下幾個問題:
(1)我國生產太陽能電池的原材料主要依靠進口,而絕大多數太陽能電池和切片用于出口,這種不利于產業發展的加工業局面必須盡快扭轉。
(2)太陽能發電的成本在每千瓦小時3元以上,遠遠高于目前居民電網用店家的每千瓦小時0.5元。這也是發展太陽能發電的不利一面。
(3)目前,太陽能電池的光電轉換效率比較低,比如小尺寸(1cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為19.8%,而大尺寸(1000cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為12%,為了降低太陽能發電的成本必須提高太陽能電池的光電轉換效率。
(4)我國的太陽能發電產業起步于獨立型太陽能發電設備(10kW以下),主要用于解決太陽能資源豐富而又無電的邊遠地區的居民用電。而更大容量(MW級)的并網型太陽能發電設備的投產是降低成本的途徑之一。
(5)截止到2005年,我國的風力發電總裝機容量為1500MW左右,是太陽能發電總裝機容量的20倍,到2020年規劃總裝機容量為30000MW,也是規劃太陽能發電總裝機容量的15倍。但兩者特點各異。夏季日照足風速低,冬季日照弱風速強;同樣白天日照強時風小,夜晚無光照時風大。太陽能發電與風力發電并網是提高電能質量和降低成本的另一途徑。
關鍵詞：新能源發電；教學方法；教學改革；教學理念
中圖分類號：TM619 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）14-0217-03
從2006年秋季學期開始，我校電氣信息學院就面向電氣工程及其自動化專業學生開設了新能源發電技術方面的選修課，2009年學院改革，對原有專業進行重組、調整，新成立了電氣與新能源學院，開始招收電氣工程及其自動化（新能源發電方向）專業的本科生，重點培養從事新能源技術領域的研究、開發、維護、管理等方面的高級工程技術人才，并在2010年開始招生，現已經達到80人規模，開設的相關課程（含實驗）一般安排在第五學期。
開設“新能源發電技術”專業選修課的目的是為了幫助電氣工程及其自動化專業的學生全面了解能源科學概況、世界范圍內面臨的能源問題及其解決對策和發展前景、新能源開發利用的重要性以及新能源開發利用技術等方面的知識。課程內容涉及新能源基礎知識、太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能等內容。針對目前選修課的建設和完善已成為高校教學改革深化的重要環節，選修課教學已然成為高校基于社會對復合型人才的迫切需求，本文將以新能源發電技術課程為例，分別從教學內容的選擇、教學方法、教學手段和教學理念等方面進行一些改革研究與分析，其目的在于提高選修課教學質量、促進學生綜合能力。
一、精選教學內容
新能源發電技術是一門專業性、綜合性較強的應用學科，涵蓋了風能、太陽能、生物質能等多種新能源的內容，綜合了電氣工程、機械工程、工程力學、物理學等學科知識。因其涉及的專業門類、知識面比較寬廣，學生普遍反映不太容易找到學習規律，難以把握重點，理解稍困難。因此，結合新能源發電技術課程的培養目標，適當選擇課程的教學內容，綜合與電氣工程相關的專業課，在教學過程中以新能源的發電方式為核心，分析各種類型的新能源、能量轉化方式、發電原理等內容之間的相關聯系，引導學生逐步把各個關聯的知識點匯成知識鏈，促進學生學習和記憶。對于各種新能源的發展歷史、資源分布和特點則可做簡單介紹。另一方面，考慮到電氣工程專業對學生的培養目標要求，比如有關風力機的空氣動力學原理、太陽能熱轉換原理、生物質熱裂解過程等內容可只做概述性講解，讓學生了解其基本概念。教師在教學過程中，需要注意引進當前國際國內的最新科研成果來豐富新能源課程的教學內容。該課程涵蓋多方面學科，是當前大力提倡發展的一個技術方向，其涉及到的信息量多，知識更新快。特別是最近幾年，不斷涌現出研究新能源發電及其相關技術的新方法，使得新能源發電技術得到大力發展。因此，在選擇和組織教學內容時，以教材為主體，綜合大量的相關文獻資料及網絡資源，例如中國新能源網、中國新能源發電網等，適當增加一些不僅能反映新能源發電技術前沿領域的新理論、新技術，而且又能展現學科交叉、擴大學生視野的教學內容，不斷在教學實踐過程中提高這門課程的教學質量。
二、探索靈活的教學方法
在新能源發電技術課程的教學中，需要積極探索，發掘與課程特點相匹配的教學方法。在課堂教學中，需要注重知識性、趣味性，注意理論與實際相結合，可在教學過程中采用啟迪式、比較式、討論式和流程式等多種不同的教學方法，目標明確，重點突出，充分調動學生的學習積極性。
1.啟迪式教學法。這種方法可以較好地激發學生的學習積極性，促進他們主動思考，培養他們分析和解決問題的能力。例如，在講解并網光伏發電系統時，根據學生之前掌握的光伏發電基本原理，啟發他們思考為什么要對獨立的大規模光伏發電系統進行并網、并網的方式是怎樣的、并網的過程中還需要增加哪些相應的裝置。通過在教學過程中設置這樣一些問題，逐漸開闊他們的思維方式，讓他們認識到要使得太陽能發電得到大規模、高效率的利用，必然要對光伏發電系統進行并網，在并網的光伏發電系統中，并網逆變器又是核心設備，不僅能夠把光伏電池組件輸出的直流電轉換成與電網同頻同相的交流電饋入電網，同時還起到調節電力的作用。此外，在講解上述知識點的過程中，還能夠鞏固學生在電力電子技術課程中所學到的關于逆變器的知識點，培養他們對所學到的各種知識點進行融會貫通、舉一反三的學習能力。
2.比較式教學法。采用不同形式的圖表對各種新能源發電方式或同一種新能源的不同利用形式進行互相對比，不但形象直觀，還有利于培養學生綜合分析問題的能力。例如在講解恒速恒頻與變速恒頻風力發電系統時，由于這兩種風電系統涉及到的知識點特別多，且較難理解，學生在學習過程中難以深入掌握各種系統的工作原理、結構差別等內容，多數學生僅了解大概情況，因此，十分有必要采用圖表形式，分別從恒速恒頻與變速恒頻風力發電系統的拓撲結構、原理、發電機類型、并網方式等多種角度進行歸納、對比，加強學生對這兩種最重要的風力發電系統的認識，逐步化解學習風力發電的困惑。
3.討論式教學法。這種教學方法不僅可以發揮教師的導向作用，還可引發學生的學習主動性。比如在講解三種經典的太陽能熱發電系統時，可以提前安排三組學生分別搜集關于槽式、塔式和碟式太陽能熱發電系統的資料，并在上課時先分別邀請各組的學生代表描述他們所認識的這三種不同的太陽能熱發電系統，可以從熱發電系統的基本原理、系統結構、組成部件、系統功能、應用情況等方面進行闡述。在講述過程中，教師可適時啟發他們，就其中的某一知識點，可以是大家感興趣的，或者是十分重要的知識點進行展開，和同學們一起探討，幫助學生深入理解不同類型的太陽能熱發電系統的工作原理等內容。同時，在這種討論式教學過程中，結合不同太陽能熱發電系統的圖片進行講解，可以使得整個教學過程更生動、更豐富多彩。
4.流程式教學法。當涉及到知識點繁多、關聯性強的教學內容時，可以采用流程式教學法。這種方法可首先從系統的角度進行說明，再逐層清晰講解，可幫助學生培養良好的思維習慣和分析解決實際問題的能力。例如，在講解有分揀場垃圾發電工藝流程時，結合美國的H-Power夏威夷垃圾發電廠實例，采用如圖1所示的垃圾發電工藝流程來介紹。
先闡述在垃圾焚燒前，需要經過一系列輸送、篩選和粉碎裝置，把那些不易處理和不能燃燒的垃圾首先在分揀場清理掉。再介紹經過處理后的垃圾則被送入高溫焚燒爐中焚燒，形成的殘渣、灰渣送出填埋。煙氣在排放前需注入石灰脫硫，中和酸性氣體，并傳熱給水變成高溫高壓蒸汽，進入汽輪機發電。最后，還要說明煙氣經鍋爐尾部受熱面后，經靜電除塵達標后，進入煙囪排放，靜電除塵后的細灰渣則可做建材進行綜合利用。通過這樣一個簡潔的垃圾發電工藝流程圖，可讓學生迅速掌握垃圾發電的基本原理，了解各個生產環節的作用和相互關系，培養學生分析復雜問題的系統性思維。
三、采取多樣的教學手段
相對于必修課而言，專業選修課的特點決定了它的教學方式有所不同，其更注重知識體系的完整性和學生興趣的引導。這必然要求教師不斷革新自己的教育觀念，在教學過程中全面認真地設計教案，采用多樣化的教學手段調動學生的學習興趣，充分激發學生的學習積極性，引導他們主動參與到課堂教學過程中，展現他們的課堂主人翁精神。
1.主次分明，突出重點。由于新能源發電技術課程涵蓋內容較多，而授課學時又有限，因此在教學中不可能講授全部內容，必須做到重點突出，精講主要內容。比如在縱多類型的新能源發電方式中，根據我們學院的專業設置特點，可重點講授太陽能發電、風能發電和小水力發電。此外，還要注意詳略結合，對主要的、基本的內容仍可采用講課方式，而對其他內容則可以講座、討論方式開展，增大課堂教學的信息容量。比如在講授太陽能發電時，就應以講課方式詳細講解光伏發電，而以講座方式講解太陽能熱發電。這種主次分明的講課模式，不僅能使學生扎實學到本課程最主要、最核心的內容，還可以開闊他們的知識面和視野。
2.應用先進教學手段，提升教學效果。根據精選的授課內容，有效地運用網絡資源，制作形象直觀的多媒體課件，以改善教學的直觀效果，增加授課內容的信息量。例如，當介紹不同類型的水平軸式風力機和垂直軸式風力機時，可以多向學生演示一些與它們相關的圖片和Flas，結合這些多媒體資料講解，可加深學生印象，讓他們對這幾種典型的風力機及其工作方式等內容有更深刻的理解。同時在上述教學過程中，要注意與傳統板書方式相結合，引導學生逐步分析，并適當地留給學生一些思考時間，較好地把握課堂節奏。
3.結合實事，激發學生學習積極性。新能源發電技術課程所講授的一些主要新能源發電方式在目前逐漸得到越來越多的應用，與人們的日常生活也越來越緊密。在介紹不同類型的新能源時，可以充分結合當前社會生活中出現的一些相關時事焦點事件，把它們提出來讓學生討論，既能激發他們的學習熱情，活躍課堂氣氛，還加強了他們對講課內容的理解。例如，墨西哥灣的BP公司漏油事件、康菲環渤海灣污染事件，特別是全球石油供需關系的發展態勢、氣候變化和環境保護的壓力，都迫切需要全球共同確定和構筑能源發展的新理念，開創新時期能源發展的新路子。結合上述實例，引導學生思索大力發展新能源、調整能源結構的必要性，讓他們從新能源利用方式等層次進行探討。通過這種教學方式，不僅可讓學生深入理解課程內容，激發他們的興趣，還能培養學生解決實際問題的能力。
4.穿插習題，實時歸納。在風力發電部分的教學過程中，其涉及到的不同類型風力機結構、發電方式、并網方法等知識點比較多，多數學生會感到理解有一定困難。為了讓學生能夠及時掌握課堂所學內容，講課過程中可在恰當時候穿插一些事先準備好的習題，這些習題不一定來自教材，教師可根據其他相關資料自主設計。通過課堂練習，可以考查學生對相關知識點的掌握程度和存在問題，及時解決他們的困惑。比如，在講解變速風機驅動雙饋異步發電機并網系統時，可穿插一個關于發電機轉子回路控制方式的多選題，通過該練習，能夠加深學生對這部分重要內容的理解，從一定程度上也可改善課堂氛圍，充分激發學生的學習主動性，發揮學生的主體作用。
5.結合共同點，學習新能源發電。新能源發電方式與常規能源發電方式，除了在一次能源的來源與能量轉換方式等方面有較大不同外，它們在發電環節大多具有很多共同點。因此，在講授各種新能源發電形式時，注意隨時和常規能源發電方式進行類比，結合兩者之間的共同點講解，不僅可以促進學生對新能源發電方法的理解，還可以鞏固他們對常規能源發電方法的認識。例如，在講授地熱發電時，其和火力發電的原理基本一樣，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變為機械能，然后帶動發電機發電。所不同的是，地熱發電不象火力發電那樣要裝備龐大的鍋爐，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地熱能。
四、培育素質教育的教學理念
不論是專業必修課，還是選修課，教師都需要培育素質教育的教學理念，新能源發電技術課程的教學更是如此。通過在理論教學過程中，結合一些生動的經典案例等進行講授，既可調動學生學習的主觀能動性，又能加強他們對新能源發電方法的認識，逐漸培養學生探索求知的精神。比如，通過介紹風能發電的幾種典型裝置與設備，以探究風能發電在當前得以大規模運用的原因。正是這些大量科研人員對風能發電裝置的研發，才使得風能發電不僅僅是論文里的成果。通過一些經典案例，充分調動學生學習的主觀能動性、學習興趣和求知欲，這樣才能達到開設專業選修課“培養學生能力，挖掘學生潛能”的目的。
五、結語
新能源發電技術課程是一門知識覆蓋面廣、學科前沿的專業選修課，而隨著其利用方式和技術的不斷發展，這門課程的教學內容也將不斷更新，教學方法也會隨之不斷改進，通過改進教學手段和逐步增加實驗環節，實時強化創新意識，這樣就一定能夠逐步改善人才培養過程中普遍出現的一些問題，如學生能力薄弱、缺乏創造性、主動性等，達到真正提升學生的思維創造能力以及綜合素質的目的，培養出與時俱進的、創新型的合格應用型人才。
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關鍵詞：新能源發電；課程知識體系；教學改革；教學方法
作者簡介：張濤（1981-），男，安徽阜陽人，三峽大學電氣與新能源學院，副教授；武建瑞（1983-），男，陜西蒲城人，三峽大學電氣與新能源學院，助理工程師。（湖北 宜昌 443002）
基金項目：本文系三峽大學教學研究項目重點項目（項目編號：J2011008）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0073-02
能源是人類生存和發展的重要物質基礎，隨著社會發展對能源需求的持續增長，以及能源短缺危機和全球環境的日益惡化，能源對人類經濟與社會發展的制約和對資源環境的影響也越來越顯著。[1]面對能源短缺危機和環境保護的雙重壓力下，必須通過能源利用新技術實現“開源”和“節流”。因此，大規模開發新的能源，大力發展高效、環保的電力工業成為解決能源問題的有效途徑，培養這方面的人才對新能源的開發和利用具有重要意義。
三峽大學具有濃厚的電力行業背景，為了讓三峽大學（以下簡稱“我校”）電氣工程類專業學生了解新能源相關知識，“新能源發電技術”課程應運而生，它是電氣工程及其自動化專業課程體系中一門重要的專業選修課程。該課程的講授，能夠幫助學生較為全面地了解和掌握新能源利用形式及其相關技術的前沿動態，有利于培養學生的創新思維能力。為了提高教學質量，結合電氣工程類專業的特點，探索適合電力系統及其自動化專業課程授課內容和教學方法是十分必要的。本文將根據筆者近年來的教學實踐，談談對該課程的教學改革與實踐方面的幾點體會。
一、課程教學存在的主要問題和矛盾
“新能源發電技術”課程是一門多學科交叉的課程，除了涉及電力和能源領域的知識外，還要求學生具有其他領域相關的知識，如課程中風力發電技術涉及空氣動力學的相關知識，太陽能電池涉及的半導體材料的相關知識，生物質能中涉及的生物化學等相關知識等。[2，4]由于新能源發電技術的研究屬于前沿科學，目前，我國部分高校的相關專業已開設“新能源發電技術”課程，但不同學科對該專業課程的教學需求不同，導致教材內容側重點差異較大。該課程的建設中存在的問題較為突出，集中體現在：不同專業教材內容側重點不同，缺乏適合電力系統及其自動化專業的教材；作為一門選修課程，學生重視程度不夠；專業教學環節矛盾眾多，包括課程與教材之間的矛盾，理論教學與實踐教學之間的矛盾，教學目標與教學方法之間的矛盾等，這些都在很大程度上制約了“新能源發電技術”課程教學質量的提高。
對于電力系統及其自動化專業的學生，該課程需要涉及更多電氣工程學科的相關知識，如電機學、電力電子技術、電力系統分析等專業知識。在新能源并網和儲能技術中需要應用這些專業知識分析該研究領域前沿問題，有利于全面掌握新能源知識體系和培養學生分析問題的能力。由此可見，本課程內容豐富，知識點多，在該課程的建設中，需要根據專業特點，合理組織教學內容，讓學生掌握晦澀難懂的外專業知識的，能利用本專業知識分析實際工程問題，激發學生學習該課程的興趣，提高學生的綜合素質，因此該課程的教學內容和教學模式的改革勢在必行。
二、教學內容的改革
為了適應電力系統及其自動化專業學生的教學，在課程改革過程中，根據新能源發電行業現狀和電氣工程對新能源發電技術課程知識體系的需求，結合電力工程及其自動化專業的特點，精選教學內容，重新構建了新的課程知識體系，加強與電力系統及其自動化專業之間的聯系。
根據新能源發電站接入電網的影響不同，將這些新能源技術分為兩類：穩定性能源發電技術和間歇性能源發電技術。
一些新能源技術（如生物質能、地熱能和常規水電）在接入電力系統方面和常規電力技術一樣容易，除了一次能源的形式不同，轉換成電能環節基本相同，都采用同步發電機進行發電，對電網的安全和穩定不會造成影響。因此，這部分新能源知識重點講解各種新能源發電技術的基本原理，最新的發電技術的現狀和動向，及在利用過程中對改善環境帶來的好處，培養學生新的能源觀念和意識。同時結合電網發展的最近進展，這些發電技術作為分布式電源接入電網時，如何規劃電網，接入電網對電網的影響等方面進行適當的講解，加強與電力系統知識的聯系，提高學生學習的積極性，
由于受到季節、氣象和地域等條件的影響，另一些新能源技術具有隨機性、波動性和間歇性的特點，如風能和太陽能發電等新能源發電技術，在接入電力系統方面需要克服更多的挑戰，其電力大規模并入常規電網會對電網調峰和系統安全運行帶來顯著影響。這部分內容重點講解與電力系統相關的技術，涉及到電機學、電力電子技術和電力系統相關的知識點。在間歇性能源并網過程中，電力儲能技術可以補償負荷波動，解決風能和太陽能等間歇式新能源發電直接并網對電網的沖擊，調節電能質量，使大規模風力發電和太陽能發電能夠方便可靠地并入常規電網。隨著可再生新能源發電技術的快速發展，電力儲能技術也是電力系統及其自動化專業學生必須掌握的知識，所以儲能技術也是該課程知識體系的重要部分。
本文提出的課程知識體系目前還沒有相關教材，為此，筆者較為系統地構建并編寫適合電力系統及其自動化專業的“新能源發電技術”課程講義，使之更符合電力系統及其自動化專業的教學。從兩學期的試用情況來看，學生認同感增強，明確該課程是本專業不可或缺的重要選修課，重視程度顯著提升，在教學過程中取得了良好的效果。
三、教學模式改革
選擇合適的教學方法，能夠提高課堂效率。教學內容的不同，授課的教學方法也需要相應的改進，為此筆者對教學方法也進行了改革，使之與課程知識體系相適應。
1.采用學術專題講座的教學方式
“新能源發電技術”課程知識體系要求運用新的教學方法。每種新能源發電技術各自成章，自成系統，各部分內容均有很多前沿的技術，僅靠書本知識已經不能適應科技的進步。[5，6]因此需要任課教師補充相關發展的新動向和新技術，以學術講座的形式進行講授與課程相關知識點。講解過程中，以具體的行業問題為背景，采取啟發式的講解方式，層層剖析問題，可以讓學生在有限的學時內，掌握發電技術的發展現狀、發電原理、利用方式、開發存在的問題和研究現狀及動向。如地熱發電、海洋能發電、生物質能發電、太陽能熱發電技術，都可以采用講座的方式進行講解。同時在講座過程中，增加學生提問環節，讓學生可以積極參與，引導學生自主思考。
為了強化實踐，在每一個專題授課結束后，教師通過布置與該專題相關的設計題目，讓學生學以致用。比如讓學生設計太陽能熱電站，利用波浪能發電原理設計相應的波浪能電站，設計新農村綜合利用生物質能的方案，設計垃圾發電站工藝流程等，作為分布式電源接入電網時，結合不同能源開發利用的特點對該地區新能源開發和電網結構做出合理規劃，并給出理由。通過這些綜合性設計作業，可以增強大家的創新意識和實踐能力，激發了學生的學習興趣和主動性，訓練了學生分析問題、解決問題的綜合能力，起到了非常好的效果。
2.基于問題的探究式教學方式
傳統的講授方式，可以系統地講解，課堂容量大。風力發電和光伏發電技術涉及知識點多，知識點零散，因此需要教師合理組織教學內容，使其與所學專業知識相結合。為此筆者精心設計每一個教學環節，精講多練。但傳統的授課方式，學生被動接受，學習積極性不高。
為此，筆者采用基于問題的探究式教學方式，在教學的過程中，教師起引導作用，對課程中的知識點進行分析，提出基于問題的討論題目；并分析學生需要掌握的知識要點，為學生提供必要的參考文獻，讓學生課后自己查閱資料，引導他們學會自己總結知識點，利用所學知識分析實際問題。而學生在課后根據自己的興趣自愿選題，并分小組進行研討，研討后，該小組總結討論結果。在課堂討論中，每個小組推薦一名學生做交流發言，將自己的研究內容做簡要匯報。學生互相提問展開討論，老師進行有針對性的點評，肯定了學生們取得的成績，對錯誤的地方進行了補充和糾正。[2]為了達到分組討論學習預期效果，要求每個小組在上交的文獻報告中，明確每個學生所做的工作和參加小組討論的發言內容，督促每個學生都參與討論學習。通過這種教學方式，充分調動了學生的積極性和主動性，也很好地完成了教學目標，促進了教學質量的提高，達到“授人以漁”的目的。
3.改進多媒體教學方式
由于該課程設計的專業知識具有跨學科的特點，有些知識點學生難以掌握，有些原理較為抽象。如風機的偏航過程、變槳過程、風機的失速原理、斯特林發動機的發電過程等都比較抽象，在沒有實物演示的前提下，學生經常不容易理解。因此在講這些課程內容時，采用多媒體動畫演示的方法，幫助學生理解基本概念和知識，讓學生更快更易地理解和掌握這些內容。
四、考試方法的改革
雖然在教學內容和方法上進行了改革，提高了學生的學習興趣，激發學生的學習熱情，但仍有不少學生選課和學習動機不端正。他們不是為了完善自己的知識結構，提高自己的綜合素質，只是為了湊滿學分，對選修課缺乏足夠的重視。[6]傳統的閉卷考核方式不能全面地反映真實的教學情況。撰寫課程論文，成績只與論文寫得好不好有關，有的同學東拼西湊，也能獲得一個理想的成績。這些方式都難以督促學生平常的學習，因此仍需完善課程的考核方式。根據“新能源發電技術”課程的特點，筆者對該課程的考試方式做了合理的改革，促進學生學習，公正地反映了學生的成績。主要采取了以下一些措施：
1.注重對學生平時的考查
增加課堂隨機考查的次數。通過提問、課堂測驗等方式，讓學生在上課時能集中精力聽講，防止學生上課“開小差”。回答問題和課堂測驗計入平時成績。
2.增加撰寫文獻報告和大作業
基于問題的探究式教學方式中，撰寫文獻報告和小組討論環節能夠有效培養了學生查閱文獻、撰寫論文、發現問題、解決問題、獨立思考的能力，因此能夠較為科學評價學生平時的努力程度。因此，課堂討論和小組討論中，根據學生在該環節中的貢獻不同給學生不同成績，這樣能起到督促學生學習和檢驗學生學習效果的作用。
作業是課堂教學的有效補充和延伸，是教學中必不可少的環節。大作業一般具有綜合性的特點，能夠有效鍛煉學生的綜合能力，鞏固平時所學的知識，是反饋教學效果的有效手段。因此增加大作業和撰寫文獻報告在平時成績中的比重也是考查學生平時學習的有效手段。
3.增加平時成績的權重
平時考核成績權重由原來的30%提高到目前的50%，有效地避免了學生平時不學習，考試時突擊學習也能取得不錯成績的弊端，提高學生學習的積極性和自覺性。
通過上述措施的實施，經調查表明多數學生都認可這種成績考核方法較合理、公正，能夠真實反映學生的成績，受到了多數學生的歡迎。
五、結束語
“新能源發電技術”課程是電氣工程及其自動化專業課程體系中一門重要的專業選修課程。本文針對課程建設中存在的突出問題，構建了適合電氣工程類專業的“新能源發電技術”課程的知識體系，合理組織教學內容，并根據授課內容提出了合適的教學和考核方法。通過課程教學改革，激發學生的學習興趣，引導學生主動學習，培養了學生分析問題、解決問題的能力和創新意識，提高學生的綜合素質，達到提高該課程的教學質量和教學效果的目的。
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關鍵詞：電力電子；能量管理系統；電能質量控制
中圖分類號：TU852文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2010) 14-0000-01
Power Electronics and New Energy Power Generation Technology
Yang Lin
(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)
Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.
Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control
我們已進入21世紀，這是一個全新的時代，經濟的高速發展給人們的生活帶來了很多的便利，但隨之而來的卻是能源的耗竭，原本豐富的能源如今已變得匱乏，并危及到人們未來的生產生活。與此同時，毫無顧忌的能源利用還造成了大氣的嚴重污染，從而又引發能源危及，這樣的惡性循環會直接危及到人類的發展，甚至威脅人類的健康和繁衍。因此，開拓新能源，減少能量源浪費成為當今世界最為關注的話題。
一、新能源的發電方式
（一）太陽能發電
太陽能發電開始于上世紀50年代，當時，第一塊實用的硅太陽電池研制成功，如今，太陽能發電技術已經經歷了半個世紀的發展，其技術也在日益成熟。目前，占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。典型的太陽能供電系統結構如圖1所示，太陽電池陣列進行光電轉換，把太陽能變為電能，再由功率變換器將太陽電池輸入到直流電中，最后轉換成用戶所要使用的電源模式。根據用戶的需求，功率變換器可以選擇直流斬波器進行DC/DC變換，或采用逆變器進行DC/AC變換。而功率變換裝置還應包括蓄電池系統，主要是為了平衡電流。如果太陽光充足，可以利用太陽能，并利用蓄電池充電；如果在夜晚或者陽光不充足時，就可以使用蓄電池供電。
（二）風力發電
如今，風力的主要運用方式就是風力發電，它的發展速度最快，也最受全世界關注。風力發電主要有3種運轉方式：
1.獨立運行方式，利用一臺小型的風力發電機向需要的用戶提供電能，它還可以通過蓄電池充電，預防無風時影響發電效果；
2.風力發電與其他發電方式相結合的聯合供電方式，主要向交通不便或偏遠山區供電，以及地廣人稀的草原牧場提供電力；
3.并網型風力發電運行方式，將風力發電網安裝在條件較好的地區，常常是一處風場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發電機，這也是風力發電的主要發展方向。風力發電機組在不同風速的條件下運行，其發電機輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，所以，通常要配置電力電子功率變換器，通過這種裝置控制電流，保證輸出的電壓是平衡穩定的。
（三）燃料電池發電系統
燃料電池（Fuel Cell）是將反應物如氫氣等的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。它通過燃料（通常是氫氣）和氧氣結合所發生的光電反應來發電。燃料電池發展了這么久，根據電介質的不同，主要分為5種燃料電池：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；質子交換膜燃料電池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔鹽燃料電池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
實際上，燃料電池也有其優點，例如：發電效率高：發熱少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料電池發電主要集中在以下幾個方面：燃料電池特性研究；燃料電池發電系統結構和高效功率變換的研究；能量管理技術；孤島檢測和保護技術，并網電流控制；并網運行與獨立運行之間的無縫切換控制技術。
燃料電池所輸出的電壓會隨著電壓的變化，發生較大范圍的變化。燃料電池的輸出電壓在負載發生突變時還要經過一段時間才能停止反應，對于質子交換模燃料電池響應延遲達2秒。因此，燃料電池一般與負荷動態的具體要求無法很好的匹配。
二、電力儲能技術
可再生能源發電裝置所產生的電能主要還存在無法預測的周期性變化，例如風能、光伏發電等，如果將其電能直接輸入普通電網，將會對電流帶來不良影響，而電力儲備裝置就可以平衡能源發電輸入與電網之間的矛盾。電力儲能技術有蓄水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能等它們都各具特點，各有優勢，但它們的正常運行主要是依靠電子電力技術。
蓄水儲能與壓縮空氣儲能主要是對電力高峰期進行調節，但是對地理條件的要求較高。電池儲能的精密性高，需要在技術成熟的條件下進行，理論上可以用于電力調峰，單電池使用壽命有效，這成為蓄電技術的難點。飛輪儲能的儲能量有限，運行復雜，一般用于電能質量調節。
三、電能質量控制
（一）電源諧波檢測和分析技術
諧波的測量和分析都是以思想諧波治理為前提條件的，精準的諧波測量和分析可以為諧波的治理提供準確的依據。自提出快速傅里葉變換算法（FFT）以來，基于傅里葉變換的諧波測量得到了普遍應用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，不然就會嚴重影響其效果。因此，怎樣減少因同步偏差而引起的測量誤差成為電子電力技術人員迫切要解決的難題。
（二）電能質量控制和管理
首先，電能質量的控制和管理主要包含功率因數校正和濾波器設計，由于傳統的無源濾波器體積和重點都很大，還需要對不同的頻率進行設計，而功率因數較技術正是提高功率因數和降低諧波污染的重要途徑。如今，電能質量控制和管理的研究重點在與PFC控制技術上，比如：單開關、多開關以及軟開關三相PFC電路的研制，軟開關技術與PFC技術的融合已經成為未來的發展趨勢，雖然目前的PFC產品受到功率的限制，但應用于分布式新能源發電系統卻是重要機遇。
四、總結
綜上所述，隨著科技的發展，新能源的開拓和使用技術越來越成熟，但是，要真正做好新能源發電技術，還需要從解決先存的各種問題，因此，電子電力技術人員應在在電氣、電子、控制和信息等工程技術領域加強合作研究，通過系統集成和技術融合，實現各種技術的突破，我相信，我們一定可以克服各種困難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。
參考文獻：
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關鍵詞：太陽能;建筑;設計;應用
一、太陽能利用技術方法與優點
工程實踐表明，光伏發電技術是一種技術可靠、使用便捷、低碳環保，易于大規模生產利用的先進可再生能源技術，其優點如下： （1）太陽能資源是一種取之不盡、用之不竭的潔凈的可再生能源。開發利用時不消耗傳統化石燃料能源，不會排放產生廢水、廢氣、廢渣等污染物，是自然能源中較為理想的清潔能源。 （2）太陽能利用不受地域條件的限制。任何有太陽的地域均可就地開發利用。不存在選址、運輸等問題，特別是在交通不便利、偏遠的鄉村、海島，太陽能能利用價值更高。（3）太陽能可靠性高、維護簡單。光電板、逆變器、蓄電池等設備分布安裝，提高了整個能源系統的安全性、可靠性及耐久性。即使在惡劣的使用環境下，光伏發電系統故障也較少，因此運行維護成本較低。（4）光伏建筑集成由于占地面積小、安裝便利、供電可靠等原因，是目前國際上太陽能研究發展的前沿。
二、太陽能光伏系統建筑一體化利用方式與優勢
（一）太陽能光伏系統建筑一體化利用方式。“光伏發電與建筑物一體化”的概念在1991 年正式提出，是目前世界上大規模利用光伏發電的研發熱點。太陽能光伏與建筑物相結合主要有兩種形式：一種是在建筑物屋頂、立面安裝平板光伏器、光伏陣列與電網并聯向用戶供電，從而形成用戶聯網光伏系統。第二種形式是將光伏器件與建筑實現集成一體化，即在建筑物屋頂或立面安裝光伏發電電池板，用光伏發電的玻璃幕墻代替普通的玻璃幕墻，由屋頂和墻面的光伏器件直接吸收轉化太陽能，太陽能系統平板既可以做建材又可以發電，進一步降低光伏發電的成本。目前，許多國家已研制出大尺度的彩色光伏模塊可替代昂貴的墻體外飾材料，使光伏發電與建筑物一體化成本進一步降低。
建筑物與太陽能光伏發電系統的進一步有機結合是將太陽能電池板與建筑頂面、立面材料集成一體化。建筑物建設使用過程中，建筑立面墻體結構表面通常采用噴涂涂料、鋪貼瓷磚、安裝幕墻玻璃等。如果用太陽能電池板替代建筑立面墻體及屋頂建筑材料，太陽能電池板既可作為建筑裝飾材料，也可以用于光伏發電系統。由此可見，實現太陽能電池板與建筑的有機一體化結合，是太陽能光伏發電系統建筑一體化推廣與應用的一個關鍵問題，這種結合并非是建筑與太陽能電池板簡單“疊加”，而是在建筑與光伏系統設計方案階段將太陽能電池板納入建筑設計構思中。
太陽能電池板用于建筑材料，必須具備建筑材料的基本要求，如堅固耐久、防水防潮、保溫隔熱、隔音等以及適當的強度和剛度等性能。若安裝在屋頂、窗戶等，還應具有透光的性能。太陽能光伏系統建筑有機結合，根據建筑工程使用及工況的需要，與普通的平板式光伏系統組件不同，太陽能電池板兼有發電與建筑裝飾材料的功能，必須滿足建筑材料的基本性能需要。應該遵循以下原則：①建筑物設計完成后使太陽能電池板成為建筑不可缺少的一部分，成為建筑結構構成部分。②太陽能電池板的顏色和肌理必須與建筑物的相關部分相和諧統一，與建筑物的整體風格相結合。③太陽能電池板的比例和尺度必須與建筑整體的比例與尺度相協調，這將決定太陽能電池板的分格尺寸與形式。④太陽能電池板屋頂具體的細部設計，如材料用量是否最小化、設計細節是否和諧、有機等需統一考慮。
（二）太陽能光伏系統建筑一體化優勢。太陽能光伏發電系統建筑一體化的方式各不相同，這取決于地理、文化及政府政策等。在國外，由于公共建筑的建造與設計程序嚴格，太陽能電池板系統在個人住宅與公寓建筑使用的較為普遍。而在我國，特別是城市建筑，由于建筑開發是商家或政府，因此是否采用太陽能電池板系統完全取決于開發商或政府。在我國，日照充足的地區無論公共建筑還是住宅屋頂和墻面使用太陽能電池板系統的市場潛力十分巨大，從建筑結構、技術利用和經濟效益來分析，太陽能電池板與建筑的一體化優勢如下：
（1）節約用地，便于安裝 ，保護環境。太陽能光伏發電系統一般安裝于建筑物的屋頂或外立面墻體上，無需額外占用土地或增建其他建筑設施，適用于人口比較密集的建筑群、辦公區使用，尤其適用于土地昂貴的城市。由于太陽能電池板的組件集成化，光伏設備安裝比較方便，而且可以根據負載的耗電量來選擇裝機容量。與此同時，由于太陽能光伏發電系統設備安裝在建筑物的屋頂或立面墻體結構上，太陽能轉換為電能可降低建筑物臨近室外區域的溫度，從而達到減少室內空調制冷用電負荷，既節約了能源，又保證了室內的空氣質量，同時也避免了由于使用傳統化石能源燃料發電所導致的環境污染。（2）減少投資，保證供應，實現安全用電。太陽能光伏發電系統安裝不受地域條件限制，可實現就地發電用電，因此可以大幅度減少電站及輸送電網的建設投資。建筑物實現光伏發電系統一體化，光伏發電系統所發電力既可供給本建筑物使用，也可儲存于蓄電池或外送入電網。在自然條件差，負載可由蓄電池供電;在自然條件差較好，通常會出現電網用電高峰，以往需采取拉閘限電措施，但此時也正是太陽能光伏發電系統發電量最多的時候。建筑一體化太陽能光伏發電系統除可保證建筑物負載用電外，還可以向外電網供電，太陽能光伏發電系統的集成特性可以節約儲存電力的費用，另外用電安全性能也得到提高，從而緩解夏季電力高峰需求壓力，從而徹底解決電量不夠的問題。 （3）增效規模，降低成本。建筑一體化太陽能光伏發電系統中，太陽能光伏發電系統面板代替建筑屋頂或立面墻面，可以節約大量的建筑成本。另外，太陽能光伏發電系統面板在建筑用電地點發電，避免傳輸和分電損失（5%～10%），降低了電力傳輸、分配投資和維修費用。在建筑屋頂或立面結構上安裝太陽能發電系統設備，用太陽能電池板代替部分建筑材料，可以促進太陽能電池板工廠化規模生產，從而能進一步降低工程造價，有利于太陽能發電系統光伏產品的推廣與應用，市場潛力巨大。
三、太陽能光伏發電系統建筑一體化設計原則
太陽能光伏發電系統建筑一體化的設計原則要求，運營系統既要保證建筑中光伏發電系統的長期運行可靠，又要充分滿足用電設備的需要，使系統的配置實現合理、經濟。工程建設與投產中使用盡量少的太陽能光伏系統組件，使太陽能光伏發電組件與建筑物有機合為一體，替代部分建筑材料，如屋面與立面墻體裝飾材料，達到建筑節能的效果。協調光伏系統與建筑成本之間的關系，在滿足正常需要，保證系統、建筑質量的前提下盡可能的節約建筑與安裝成本投資，達到投入與產出最好的經濟效益。
結 語：近年來，隨著美國、西班牙、德國等發達國家對本國光伏產業的政策優惠及扶持，全球光伏發電應用已進入快速增長的階段。我國光伏產業近幾年來持續發展，但是同發達國家相比還是存在很大差距，光伏發電應用市場發展較為緩慢，安裝量較少，隨著我國工業與信息化部2012年2月頒布的《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》，我國的太陽能光伏發電系統應用及推廣將會有較大的發展。
隨著光伏發電產業化進程和技術開發的發展，太陽能光伏發電系統與建筑一體化生態節能工程，其發展前景廣闊，市場潛力巨大，其效率、性價比隨著太陽能光伏技術日益發展將進一步得到提高，也將極大地推動中國太陽能光伏發電系統建筑一體化的快速發展。
參考文獻：
關鍵詞：建筑能耗；節能空調；太陽能；評價
中圖分類號： TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-0432（2011）-06-0306-1
0 前言
建筑能耗一般指建筑在正常使用條件下的采暖、通風、空氣調節和照明所消耗的總能量，不包括生產和經營性的能量消耗。隨著經濟的快速發展，常規能源日益匱乏，節能環保已成為世界公認的主題，各國都在推行全方位降低能耗，因此零能耗建筑在全球范圍內應用而生。在建筑零能耗風靡全球的時刻，也想談談自己的一些想法。
1 建筑能耗現狀分析
我國約占全社會總耗能的46.7%，歐洲和美國約占全部能源消耗的40% ，如何全面提高能源效率，減少對日漸枯竭的傳統一次性“礦物化石”能源依賴性已成為當務之急。其核心特點除了強調被動式節能設計外，將建筑能源需求轉向太陽能、風能、地熱能等可再生能源，為人們的建筑行為，為建筑與環境和諧共生尋找到最佳的解決方案。
建筑發展至今，建筑能源消耗從零走到了。隨著常規能源的匱乏，我們需要在不改變現在建筑室內舒適環境的情況下，使常規能源的消耗從回歸到零。
我們知道，創建綠色建筑，在建筑設計中要重點抓好自然通風、建筑遮陽、天然采光、門窗隔熱、墻體保溫、節能空調、太陽能利用、水循環使用、“3R”材料利用等“綠色技術”的推廣應用，以實現建筑本身不消耗或少消耗常規能源、不產生或少產生廢水廢物、不無故浪費自然資源、不惡化自然環境的目標。
其中自然通風、建筑遮陽、天然采光、門窗隔熱、墻體保溫這些建筑節能技術已經很成熟了。在這些節能技術之上，如果想要保持一個舒適的室內環境，在室內外環境相差較大的情況下，我們必須要付出一些能量，這些能量除了正常的損耗外，其余供給室內，來達到我們要求的室內環境。因此，要想保持最終的目的不變，我們依然要付出能量，只是現在的能量消耗，要用太陽能、風能、地熱能、生物質能等可再生能源來代替煤、石油等常規能源。下面分別就太陽能的利用和節能空調進行闡述，分析其對建筑零能耗的巨大作用及現實中利用的弊端以及我們該努力的方向。
2 太陽能的利用
太陽存在我們最普遍利用的兩個方面：集熱和光伏發電。國內的集熱器已成為太陽能應用最為廣泛、產業化最迅速的產業之一。在中國，太陽能發電的成本是常規發電成本的6～8倍。無論對于企業還是百姓，如此高昂的電價誰都承受不起。
中國雖然是全球最大的太陽能電池制造基地，但目前用來生產太陽能電池的重要原料――高純度硅材料，95%以上靠從國外進口，而且加工過程中的高精度、高耗能、高污染，使晶體太陽能電池的成本居高不下。另外，中國的太陽能蓄電池的使用壽命及使用條件的限制，使太陽能路燈的造價要比消耗普通電能多10倍以上，這還不包括更換蓄電池的費用。因此，在太陽能光伏發電的使用，配套設備的研究要跟上來，否則，“太陽能電廠”仍是都市里的“能源孤島”，沒有人敢效仿，因為一個自主發電、不消耗社會資源的企業，反而要為之承受消耗社會資源的成本。
3 節能空調
節能空調顧名思義，消耗掉少量的能源，獲得最大能量的空調，那么在現實中，節能空調從哪些方面來改進呢，我個人認為從以下幾個方面：
3.1 中國自主研制制冷新產品
這類產品要具有一定的技術創新和先進性，符合低碳、綠色、環保的原則，能實現無級調速的多樣化控制，根據室內負荷變化自動調整電機轉速，達到最佳節能效果，比一般的風盤系統節能65%以上，這樣的制冷末端新產品可以直接來應用。
3.2 太陽能空調系統
太陽能吸收式空調系統主要由太陽集熱器和吸收式制冷機這兩部分組成的。制得的冷量就是利用了太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水來提供的。但就使用過程中也存在一些問題：
（1）太陽能空調已初步進入實用階段 使用太陽能空調的用戶依然在不斷的增加，目前產品多是大型的溴化鋰制冷機，只適合中央型空調。因此，研制小型的溴化鋰或氨―水吸收式制冷機與太陽集熱器配套實用并逐步進入家庭中使用。
（2）太陽能空調使用集熱器的采光面積與空調建筑面積的配比受到限制，僅能適用于多層建筑。對此，目前正在研制可以產生水蒸氣的真空管集熱器，以便與蒸氣型吸收式制冷機結合，來解決集熱器與空調建筑面積的配比問題。
（3）太陽能空調系統的初投資依然偏高，僅適用于部分的富裕用戶。為此，我們正在降低現有集熱器的成本，使得更多的家庭具有使用太陽能空調的經濟承受能力。只要克服以上的缺陷，就更大限度地發揮太陽能空調的作用。
4 結論
總之，建筑零能耗要從建筑節能開始，我們要細分最終用戶的需要， 針對不同區域的氣候條件需求，研究先進的節能技術和配套設備，這需要一個曲折而漫長的過程，我們需要踏實的尋求和研究，而不是盲目的追求所謂的“新技術”卻比使用常規能源承擔更多的資源和資金浪費。從而真正的由“低能耗”走向“微能耗”最終達到“零能耗”。
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