《太阳能应用技术》课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程目标

（一）总体目标：

《太阳能应用技术》是培养能源与动力工程专业学生对太阳能应用领域的全面理解和专业技能科学，是的一门专业必修课程，使其能够应对当今能源转型的需求，并为可持续发展做出贡献。课程旨在使学生掌握提供太阳能应用技术的基本概念、基本原理和基本计算，并能熟练运用基础知识来思考、分析和解决培养太阳能系统设计与分析能力。培养学生对太阳能应用的环境影响和可持续性的认识，包括资源利用、碳排放减少和环境保护等方面，培养他们在太阳能领域中的责任意识。在课程教学中首先应使学生建立“节能优先”的基本观点，提高社会责任感和使命感，同时注意培养学生的工程素养、创新意识，增强团队合作能力和沟通表达能力。

（二）课程目标：

太阳能的利用是开发新能源与可再生能源的重要内容。本课程对太阳能光电转换及其应用领域进行了详细的叙述，包括太阳辐射、太阳能电池的半导体物理基础、太阳能电池的结构、太阳能电池发电原理、太阳能电池生产工艺、太阳能电池发展、新型太阳能电池简介、太阳能电池组件、太阳能系统控制器、太阳能系统逆变器、太阳能系统储能装置、太阳能光伏系统的设计、太阳能光伏系统的施工、太阳能电池项目审批新建、太阳能与其他新能源的结合利用等。在此基础上使学生初步掌握现有太阳能应用技术，并具备初步系统设计能力。

课程目标1：通过系统学习，熟练掌握太阳能应用技术基础理论与基础知识。

 1．1 掌握太阳能应用技术的原理、光伏发电、太阳能热利用等基础知识；

 1．2 掌握集中太阳能发电、太阳能储能、太阳能光热联合系统等基本原理；

 1．3 掌握设计和分析太阳能系统，包括光伏系统的设计和性能评估等，以提高能源效率和系统性能。

课程目标2：了解太阳能应用技术在工程技术领域的广泛应用及其对环境和社会可持续发展的影响，增强社会责任感。

 2．1 通过了解太阳能应用技术在高耗能行业的广泛应用，且与尖端科技发展密切相关，使学生建立“节能优先”的基本观点，增强社会责任感和使命感；

 2．2 通过对减缓“温室效应”问题的讨论，使学生了解太阳能应用技术应用对环境和社会可持续发展的影响，增强生态文明意识；

 2．3 通过介绍我国学者在太阳能利用率提升的工作成果，提升学生的民族自信，增强专业学习的信心。

课程目标3：应用太阳能应用技术知识，对太阳能有效利用、储能设备效率的提高等问题从太阳能应用技术角度进行思考、分析问题，并提出自己的见解，在不同专业领域、不同学科上有所创新和发展。

 3．1 通过讨论“最常适用的太阳辐射测试手段是什么？测量时需要注意些什么？”、“逆变器的输出具备怎样的条件才能并入电网？”、“太阳能电池的生产工艺中，制绒和制备减反层的作用分别是什么？”、“组件在封装时，上盖板如何选择？粘结剂如何选择?”等实际工程问题，培养学生应用太阳能应用技术知识分析、解决实际问题的能力和创新意识；

 3．2 通过课程小论文“国内外太阳能应用技术的最新研究进展”，使学生了解学科研究现状与未来的发展趋势。

课程目标4：利用雨课堂等线上学习平台将课前、课上、课后三个环节有机结合，提升学习效果。合理设置教学环节，培养学生的自主学习意识、团队合作能力、口头和书面表达能力。

 4．1 在雨课堂平台上发布课前预习资料和课后习题，提升学生的自主学习能力；

 4．2 通过课外文献调研并撰写课程报告，提升文献查阅能力和书面表达能力；

 4．3 通过课堂分组讨论等方式培养团队合作意识、沟通交流能力和对工程问题进行清清晰表达的能力。

（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系

表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表

三、教学内容

第一章 绪论

1. 教学目标

（1）使学生了解人类历史上所经历的各个能源利用时期及其能源使用类型特点；了解世界当前所处的能源使用状态，能区别常规能源和新能源的种类，并知道常规能源的局限性；

（2）了解风能、潮汐能、地热能、核能、氢能和生物质能等新能源类型的定义、优点和缺点，清楚明白新能源与常规能源在利用方式和开发难度上的区别，特别需要了解太阳能与其他新能源之间的区别，显著的优势和缺点。

2.教学重难点

（1）重点：风能、潮汐能、地热能、核能、氢能和生物质能等新能源类型的定义；

（2）难点：区别常规能源和新能源的种类。

3.教学内容

1.1太阳能应用技术的研究内容及其在科学技术和工程中的应用

1.2 常规能源和新能源的种类

1.3太阳能与其他新能源之间的区别

4. 教学方法

1. 自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

2. 讲授法：相关概念和物理原理；

3. 案例法：通过大量的工程案例介绍太阳能应用技术的广泛应用；

4. 讨论法：课堂围绕“身边的太阳能应用技术”进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）人类历史上经历了几个能源利用时期？

（2）常见的新能源类型有哪些？

（3）太阳能最大的优缺点分别是什么？

第二章 太阳辐射

1.教学目标

（1）了解太阳的基本参数如太阳表面温度和日地距离等；了解太阳辐射发生的基本方式和原理；

（2）了解太阳常数和大气质量之间的关系并能够理解大气质量存在的意义；

（3）了解大气成分对太阳光的吸收、反射和散射的作用；了解大气中各种成分对太阳光谱选择性吸收的原因；了解地表接收到的太阳辐射的辐射类型；

（4）了解我国太阳能资源在全球的水平；对中国版图上，太阳能资源特别好和特别差的几大区域和省份能够清楚了解。

2.教学重难点

（1）重点：地表接收到的太阳辐射的辐射类型；

（2）难点：大气成分对太阳光的吸收、反射和散射的作用。

3.教学内容

2.1 太阳的结构及日地运动规律

2.2 地球层之外的大气辐射

2.3 到达地表的太阳辐射

2.4 地球表面倾斜面上的太阳辐射

2.5 太阳辐射的测量

2.6全球和中国太阳能资源分布

4.教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）太阳的表面温度是多少？

（2）太阳常数是多少？是如何定义的？

（3）到达地面的太阳辐射为什么会比地球大气层外侧的要低？

（4）最常适用的太阳辐射测试手段是什么？测量时需要注意些什么？

完成习题：2-1、2-2、2-3。

第三章 太阳能电池

1.教学目标

（1）掌握导体、半导体和绝缘体物理意义上的分界线；明白半导体结构带来的特殊的结构特征；

（2）掌握本征半导体的含义和掺杂半导体的含义；掌握最常见的P型和N型半导体的形成机理；

（3）结合PN结和光生伏特效应，能够完整的描述出太阳能电池受太阳光照射之后，产生电流的完成过程；

（4）掌握硅材料的制备流程；掌握定向凝固法和浇筑法的区别；掌握单晶硅提纯的两种方式；

（5）知道太阳能电池测试的方式、设备和性能评价指标。。

2.教学重难点

（1）重点：太阳能电池受太阳光照射之后，产生电流的完成过程。

（2）难点：P型和N型半导体的形成机理。

3.教学内容

3.1 太阳能电池的物理基础

3.2 太阳能电池的结构、原理和特性

3.3 太阳能电池生产工艺

3.4 太阳能电池的最新发展

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

（3）讨论法：课堂围绕“PN结的形成原理是什么？”和“太阳能电池测试时，测试的环境和设备分别是什么？”等问题进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）太阳能电池的工作原理是什么？

（2）何为本征半导体，何为掺杂半导体？

（3）晶体硅太阳能电池从上至下依次是什么结构？

完成习题：3-1、3-2、3-4。

第四章 太阳能电池组件

1.教学目标

（1）熟记以太阳能电池材料、封装材料和封装工艺、与建筑结合的方式、透光度和封装类型对太阳能电池封装的分类名称；

（2）掌握上盖板参数、粘结剂性能和背面材料对太阳能光伏组件的性能的影响；

（3）了解太阳能电池组件的封装工艺流程。

2.教学重难点

重点/难点：平板封装太阳能电池的组件结构，依次从上到下的内容；

3.教学内容

4.1 组件的分类

4.2 组件的结构

4.3 组件的封装材料

4.4 组件的封装工艺流程

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）太阳能电池的性能检测设备是什么原理？

（2）组件在封装时，上盖板如何选择？粘结剂如何选择?

（3）详细阐述组件封装的流程。

完成习题：4-1、4-2。

第五章 太阳能系统控制器

1.教学目标

（1）了解太阳能系统控制器基本的工作原理和基本的功能；

（2）掌握串/并联型控制器的工作原理；掌握其基本电路原理图；

（3）了解光伏控制器的主要性能判定条件和性能参数。

2.教学重难点

（1）重点：并联与串联型控制器的区别。

（2）难点：MPPT控制器的工作原理。

3.教学内容

5.1 控制器的基本工作原理

5.2 控制器的分类及工作原理

5.3 控制器的性能与技术参数

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

（3）讨论法：课堂讨论“光伏控制器在光伏系统中的作用是什么？”

5.教学评价

回答以下问题：

1. 光伏控制器在光伏系统中的作用是什么？

2. 什么是MPPT，MPPT的作用是什么？其实现方式是什么？

（3）脉宽调制控制器的优点有哪些？

完成习题：5-1、5-2、5-3。

第六章 太阳能光伏系统逆变器

1.教学目标

（1）掌握按照不同的方式对逆变器进行具体分类的名称；掌握逆变器在光伏系统当中的作用；

（2）掌握逆变器工作的基本电路结构框图和原理示意图；

（3）掌握推挽式、半桥式、全桥式逆变电路的原理图和优缺点；

（4）掌握三相电压/电流源型逆变器的电路原理图；

（5）了解逆变器的主要参数。

2.教学重难点

（1）重点：推挽式、半桥式、全桥式逆变电路的原理图和优缺点。

（2）难点：三相电压/电流源型逆变器的电路原理图。

3.教学内容

6.1 逆变器的分类、结构和工作原理

6.2 单相电压源逆变器

6.3 三相逆变器

6.4 光伏并网逆变器

6.5 逆变器的技术参数与配置选型

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）逆变器的作用是什么？光伏系统一定具有逆变器么？

（2）逆变器的输出具备怎样的条件才能并入电网？

（3）什么是孤岛效应？如何避免?

（4）常见的逆变器输出波形有哪些？各有什么优缺点？

（5）简述逆变器的工作原理？

完成习题：6-1、6-2。

第七章 太阳能离网光伏系统储能装置

1.教学目标

（1）掌握储能装置在光伏系统中的作用；

（2）了解常见的储能方式；了解各种储能方式的优缺点；

（3）了解常用铅酸蓄电池、碱性蓄电池的类型和工作原理；

（4）掌握蓄电池串联和并联的原则；能简单设计蓄电池组。

2.教学重难点

（1）重点：常见的储能方式及优缺点。

（2）难点：铅酸蓄电池、碱性蓄电池的类型和工作原理。

3.教学内容

7.1 储能装置的作用与主要的储能装置

7.2 常用蓄电池类型及其特征参数

7.3 常用蓄电池的安装与维护

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

（3）讨论法：课堂围绕“储能装置在光伏系统中的作用？”进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）常见的储能方式有哪些？各有什么优缺点？

（2）光伏系统中使用的蓄电池类型是什么？为什么选用该种蓄电池？

（3）温度对蓄电池寿命的影响是怎样的？

（4）蓄电池串并联的基本原则是什么？为什么？

（5）什么是自放电？光伏系统中对自放电要求是怎样的?

完成习题：7-2、7-3、7-4、7-5、7-6。

第八章 太阳能光伏系统设计

1.教学目标

（1）了解光伏系统的组成和分类；

（2）能够根据系统负荷需求，设计光伏组件的数量；

（3） 能够确定太阳能电池方阵的形状和尺寸；确定蓄电池的型号；确定控制器的型号；

（4）了解光伏系统的安装顺序和调试方法；

（5）了解维护的一般要求；了解不同设备的巡检周期。

2.教学重难点

（1）重点：了解光伏系统的组成和分类；了解光伏系统的安装顺序和调试方法。

（2）难点：能够根据系统负荷需求，设计光伏组件的数量。

3.教学内容

8.1 太阳能光伏系统的组成与分类

8.2 太阳能光伏系统的软件设计

8.3 太阳能光伏系统的硬件设计

8.4 太阳能光伏系统的安装与调试

8.5 太阳能光伏系统的运行与维护

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）光伏系统一般可分为哪几类？

（2）混合型光伏系统一般指的是哪种系统？

（3）设计光伏系统的一般顺序是什么？

（4）蓄电池一般在使用中会碰到什么故障?如何去预防？

完成习题：8-1、8-2。

第九章 太阳能光伏应用技术

1.教学目标

（1）了解太阳能路灯的系统组成和基本原理。

（2）了解太阳能光伏技术在交通上的使用；

（3）了解太阳能光伏技术在家用电源系统上的使用；

（4）掌握光伏建筑一体化的概念；了解光伏一体化目前的进展和应用状况；

（5）了解光伏电站的投资回收期计算方式；了解光伏电站的发电成本范围。。

2.教学重难点

（1）重点：热光伏系统的概念。

（2）难点：光伏建筑一体化的概念。

3.教学内容

9.1 太阳能灯

9.2 太阳能光伏技术在交通上的使用

9.3家用电源系统

9.4 光伏建筑一体化

9.5 太阳能光伏技术在太空中的应用

9.6 光伏电站

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和物理原理；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）光伏电站建设中，需要执行哪些审批流程？

（2）BIPV的优点有哪些？

完成习题：9-1、9-2。

四、学时分配

表2：各章节的具体内容和学时分配表

五、教学进度

表3：教学进度表

六、教材及参考书目

[1] 罗运俊，《太阳能利用技术》，化学工业出版社，2014年.

[2] 周志敏，《太阳能光伏系统设计与工程实例》，中国电力出版社，2016年.

[3] 瓦格曼，《太阳能光伏技术》第二版（德国半导体应用经典教材）.

[4] 杨贵恒，《太阳能光伏发电系统及其应用》，化学工业出版社，2015年.

[5] 朱美芳，《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2017年.

七、教学方法

本课程利用雨课堂平台发布预习资料和思考题，要求学生在课前观看，并完成相应的教学预习和问题思考。课堂教学中采用讲授法、案例教学法、启发教学法等，部分教学采用翻转课堂模式进行，增加课堂互动，并充分利用APP互动软件进行课前和课后的线上交流。

1. 讲授法：对太阳能应用技术中大量的基本理论、原理、定律等进行课堂讲授和数学推导，使学生能够理解和掌握这些基础理论和基础知识。

2. 讨论法：围绕“最常适用的太阳辐射测试手段是什么？测量时需要注意些什么？”、“逆变器的输出具备怎样的条件才能并入电网？”、“太阳能电池的生产工艺中，制绒和制备减反层的作用分别是什么？”、“组件在封装时，上盖板如何选择？粘结剂如何选择?”等实际工程问题组织课堂分组讨论，培养学生应用太阳能应用技术知识分析、解决实际问题的能力和创新意识，同时提升学生的团队合作意识和语言表达能力。

3. 案例教学法：在太阳能应用技术在科学技术和工程中的应用等内容的教学中，选择大量的实际案例，组织学生进行主动分析、研讨，并加深对理论知识的理解。

4.互动教学法：利用雨课堂平台发布预习资料和思考题，采用线上、线下相结合，维持课前、课上、课后互动不中断的方式提升教学效果。

八、考核方式及评定方法

（一）课程考核与课程目标的对应关系

表4：课程考核与课程目标的对应关系表

（二）评定方法

1．评定方法

平时成绩：20%（平时作业、小论文）

期中考试：30%（理论考试）

期末考试：50%（理论考试）

2．课程目标的考核占比与达成度分析

表5：课程目标的考核占比与达成度分析表

（三）评分标准