《太陽能工程》課程教學(xué)大綱

太陽能工程（SolarEnergyEngineering）課程基本信息課程編號(hào)：04021207課程總學(xué)時(shí)：32實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：必修課程屬性:專業(yè)類開設(shè)學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程對(duì)先修的要求：要求掌握高等數(shù)學(xué)微積分內(nèi)容等、工程熱力學(xué)熱機(jī)基本理論循環(huán)及熵、焓的理論分析與求解等、傳熱基本定理等、流體力學(xué)“伯努利方程”及流動(dòng)阻力計(jì)算等。先修課程：《高等數(shù)學(xué)》，《工程熱力學(xué)》，《傳熱學(xué)》，《流體力學(xué)》。對(duì)后續(xù)的支撐：對(duì)后續(xù)《設(shè)施農(nóng)業(yè)工程工藝》、《農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程》等相關(guān)課程可提供太陽能光熱利用、光伏設(shè)計(jì)相關(guān)配套支撐。一、課程的教學(xué)理念、性質(zhì)、目標(biāo)和任務(wù)本課程是農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。教學(xué)理念以理論課講述兼實(shí)驗(yàn)實(shí)踐并舉，結(jié)合其它過程評(píng)價(jià)的專業(yè)課程。主要介紹太陽能利用的基礎(chǔ)理論和各種太陽能裝置及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理與應(yīng)用技術(shù)，以及太陽能光熱、光伏工程的基本設(shè)計(jì)與計(jì)算，課程內(nèi)容主要集中在太陽能光熱、光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握太陽能利用的基本原理以及各種裝置的基本結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用技術(shù)，熟悉太陽能熱水系統(tǒng)、晶硅光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算的基本方法。促使學(xué)生了解和掌握太陽能等新能源應(yīng)用技術(shù)的一般原理和方法，提高學(xué)生在新能源領(lǐng)域從事技術(shù)工作和科學(xué)研究的能力與素質(zhì)，為學(xué)生在本專業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展打下基礎(chǔ)。二、課程教學(xué)的基本要求1、理論知識(shí)方面：了解太陽能利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；掌握太陽輻射的性質(zhì)和太陽角的計(jì)算；掌握平板型太陽能集熱器和真空管太陽能集熱器的原理和性能；掌握以晶硅為代表的光伏系統(tǒng)工作原理及類型；重點(diǎn)掌握太陽熱水系統(tǒng)、以晶硅為代表的光伏系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)。2、實(shí)驗(yàn)技能方面：掌握家用太陽能熱水器性能測試及計(jì)算方法。三、課程的教學(xué)設(shè)計(jì)1.教學(xué)設(shè)計(jì)說明理論與實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)相結(jié)合，綜合利用多種教學(xué)方法以提高課堂授課質(zhì)量。課堂講解方面，以太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能晶硅光伏系統(tǒng)為教學(xué)重點(diǎn)，理論上講解太陽輻射的性質(zhì)和相關(guān)太陽角及太陽輻射量、輻射度的計(jì)算，平板型太陽能集熱器和真空管太陽能集熱器的原理和性能，太陽能制冷原理，太陽能熱水系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)方面，進(jìn)行以太陽能熱水器為中心的熱水系統(tǒng)性能和熱能傳輸測試與計(jì)算實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)理論教學(xué)中太陽輻射量與集熱器效率等參數(shù)的理論教學(xué)成果，開發(fā)學(xué)生對(duì)單個(gè)真空管等太陽能裝置的測試思路，提高學(xué)生個(gè)人手動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力。此部分教學(xué)采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師隨實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)講解的方法。實(shí)習(xí)方面，依托本校已有太陽能工程案例和實(shí)習(xí)單位太陽能光伏等工程進(jìn)行實(shí)地考核研究，鼓勵(lì)和安排學(xué)生依據(jù)實(shí)地現(xiàn)場進(jìn)行測試和模擬設(shè)計(jì)。此部分教學(xué)采用實(shí)習(xí)現(xiàn)場講解與實(shí)地測試方法進(jìn)行。教學(xué)成果評(píng)價(jià)依據(jù)學(xué)生考試成績和實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)成績綜合評(píng)價(jià)。2.課程目標(biāo)及對(duì)畢業(yè)要求的支撐序號(hào)課程目標(biāo)畢業(yè)要求1本課程目標(biāo)之一“工程知識(shí)”，學(xué)習(xí)完成本課程后，學(xué)生通過對(duì)太陽能光熱、光伏的基礎(chǔ)知識(shí)和太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容的掌握，可以運(yùn)用這些知識(shí)解決農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程領(lǐng)域的諸如溫室大棚、設(shè)施農(nóng)業(yè)中與本課程相關(guān)的復(fù)雜工程問題，課程有效的對(duì)接了畢業(yè)要求。1.工程知識(shí)2目標(biāo)之二：通過對(duì)太陽能熱利用、太陽能制冷、光伏原理等知識(shí)體系的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、太陽能熱水系統(tǒng)水循環(huán)理論和光伏等效電路基本原理等所學(xué)知識(shí)，識(shí)別、表達(dá)、并通過能量平衡、流動(dòng)阻力計(jì)算等科學(xué)方法研究分析太陽能熱水工程、分布式光伏工程等復(fù)雜工程問題，并獲得有效理論結(jié)論的能力。2.問題分析3目標(biāo)之三：通過課程的理論體系和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法，對(duì)太陽能熱水工程、分布式光伏工程等復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析，并通過信息綜合研究得到合理有效結(jié)論的能力。4.研究四、理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（28學(xué)時(shí)）緒論學(xué)時(shí)數(shù)：1教學(xué)目的：掌握能源和太陽能的基本概念；掌握太陽能的性質(zhì)；掌握我國太陽能資源區(qū)劃及分布特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：能源的分類，太陽能的性質(zhì)。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：能源的概念；能源的重要性；能源的分類。理解：太陽能利用重點(diǎn)方向。掌握：我國太陽能資源區(qū)劃及分布特點(diǎn)。熟練掌握：太陽能的性質(zhì)。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。第一章太陽輻射基礎(chǔ)學(xué)時(shí)數(shù)：2教學(xué)目的：了解太陽結(jié)構(gòu)；掌握地球大氣層外、內(nèi)的輻射性質(zhì)，太陽入射角和太陽輻射量的計(jì)算。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：太陽時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的換算；太陽高度角的計(jì)算，太陽方位角的計(jì)算。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：太陽的結(jié)構(gòu)與太陽輻射的產(chǎn)生。理解：太陽常數(shù)。掌握：大氣層外太陽輻射的光譜分布，太陽輻射的測量，傾斜表面上的太陽總輻射照度。熟練掌握：地球大氣層外水平面上的太陽輻射；大氣層對(duì)太陽輻射的影響；太陽輻射量的計(jì)算。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。第二章太陽能光熱轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)學(xué)時(shí)數(shù)：8教學(xué)目的：掌握太陽能光熱轉(zhuǎn)換的基本原理，轉(zhuǎn)換技術(shù)方式和相關(guān)設(shè)備。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：集熱器的總熱損系數(shù)計(jì)算和熱性能分析；平板集熱器的效率；太陽能吸收式制冷。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：太陽能集熱器的分類，平板太陽集熱器和真空管太陽能集熱器基本結(jié)構(gòu)；太陽能干燥、太陽房、太陽灶。理解：蓋層系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)；集熱器總熱損系數(shù)計(jì)算和熱性能分析；太陽能海水淡化技術(shù)；太陽能吸附式制冷。掌握：平板集熱器能量平衡方程；全玻璃真空集熱管制造工藝；聚光集熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理；輻射制冷及其它形式太陽能制冷原理。熟練掌握：全玻璃真空集熱管工作原理；重力熱管式真空集熱器工作原理；太陽能吸收式制冷的原理、流程及效率分析計(jì)算。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。第三章太陽能光電轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)學(xué)時(shí)數(shù)：3教學(xué)目的：掌握太陽能光電轉(zhuǎn)換的原理；光伏系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：光生伏打效應(yīng)，光伏等效電路與電學(xué)特性。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：光伏電池的分類。理解：光伏儲(chǔ)能-鉛電池，光伏-逆變、控制、配電系統(tǒng)。掌握：光伏基本原理與MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）。熟練掌握：光伏制造方法與種類，光伏系統(tǒng)的分類。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。第四章太陽能熱電轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)學(xué)時(shí)數(shù)：4教學(xué)目的：掌握太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理及基本類型。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：太陽能熱發(fā)電概念和分類；太陽能熱氣流發(fā)電；太陽池?zé)岚l(fā)電技術(shù)。理解：太陽能光熱發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)；太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成；碟式系統(tǒng)及線性菲涅爾式中高溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。掌握：太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型、聚光方式及特性。熟練掌握：槽式線聚焦系統(tǒng)，塔式系統(tǒng)的組成、布置及相應(yīng)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的熱傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。第五章太陽能工程設(shè)計(jì)及太陽能其他轉(zhuǎn)換方式與技術(shù)學(xué)時(shí)數(shù)：10教學(xué)目的：掌握太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算；晶硅太陽能獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算；太陽能的其它轉(zhuǎn)換方式與相關(guān)技術(shù)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：太陽能熱水系統(tǒng)；晶硅太陽能獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解：太陽能的其它轉(zhuǎn)換方式與相關(guān)技術(shù)。理解：太陽熱水系統(tǒng)組成、系統(tǒng)分類及熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，太陽能熱水系統(tǒng)安裝與維護(hù)；晶硅太陽能光伏系統(tǒng)分析方法，太陽電池組件的選型，支架設(shè)計(jì)，控制器逆變器的選配，控制測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防雷設(shè)計(jì)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。掌握：太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)：熱水負(fù)荷計(jì)算、水箱管路設(shè)計(jì)等；獨(dú)立晶硅光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)容量、方陣傾角計(jì)算，系統(tǒng)布置、發(fā)電量計(jì)算等。熟練掌握：太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。教學(xué)組織與實(shí)施：課堂講解與隨堂提問。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（4學(xué)時(shí)）（一）實(shí)驗(yàn)課程簡介本實(shí)驗(yàn)課程重點(diǎn)介紹太陽能的熱利用原理及相關(guān)成熟的利用技術(shù)——強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)測定及效率計(jì)算。引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)單根全玻璃真空管性能測試方法。（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和基本要求通過本門實(shí)驗(yàn)課，進(jìn)一步增進(jìn)學(xué)生對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的原理和技術(shù)指標(biāo)的了解，使學(xué)生掌握太陽能相關(guān)設(shè)備的測試標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，從實(shí)驗(yàn)中得到熱水系統(tǒng)的熱性能參數(shù)，熟悉太陽能在實(shí)際情境中的應(yīng)用情況，并激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的意識(shí)。實(shí)驗(yàn)的基本要求：1.了解實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理；2.掌握測試的最新測試標(biāo)準(zhǔn)；3.熟練掌握各種測試儀器的使用要求和方法；4.調(diào)整合適的環(huán)境條件；5.掌握正確的操作規(guī)程；6.實(shí)驗(yàn)記錄要齊全；7.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和創(chuàng)新意見。（三）實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)范1.檢查實(shí)驗(yàn)環(huán)境，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備的水、電等通路良好，無漏水漏電、加熱老化等隱患。2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，不得無故觸碰、敲打?qū)嶒?yàn)用全玻璃真空管的外壁，不得無故頻繁開關(guān)實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)按鍵，不得隨意、暴力調(diào)整模擬光源開關(guān)。出現(xiàn)蒸汽泄露、真空管破裂或漏氣失效等現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)關(guān)閉電源，水源。等待實(shí)驗(yàn)專職教師處理。3.實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，關(guān)閉管路閥門、水泵、切斷電源水源，檢查并復(fù)位實(shí)驗(yàn)儀器確認(rèn)安全后離開。（四）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱與學(xué)時(shí)分配序號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱學(xué)時(shí)類型實(shí)驗(yàn)要求每組人數(shù)04021207+01太陽能熱水器性能測試實(shí)驗(yàn)4綜合性必做5-10人（五）實(shí)驗(yàn)方式及基本要求室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，要求按照《實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)紀(jì)律。要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的輔導(dǎo)自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。（六）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排【實(shí)驗(yàn)一】太陽能熱水器性能測試實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馓柲軣崴鞯墓ぷ髟?，掌握太陽能熱水器熱性能的測試方法，引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)單根全玻璃真空管性能測試方法。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過實(shí)驗(yàn)求出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的平均熱效率，計(jì)算出集熱器的時(shí)間常數(shù)，繪制基于采光面積和集熱器進(jìn)口溫度的瞬時(shí)效率曲線。4.實(shí)驗(yàn)要求：(1)在白天實(shí)驗(yàn)期間，不得有外界的陰影落在太陽熱水器的采光面上，也不應(yīng)有從反射率大于0.2的其他表面（貯水箱的外殼除外）反射的能量落在太陽熱水器的采光面上。(2)太陽熱水器采光面上全天的累積太陽輻照量應(yīng)大于17000kJ/m2，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)輻照量不受此限制。(3)白天實(shí)驗(yàn)期間的平均環(huán)境溫度應(yīng)大于15℃，小于30℃。5.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材：全玻璃真空管太陽能集熱系統(tǒng)模擬光源實(shí)驗(yàn)臺(tái)、太陽輻照計(jì)、卷尺、熱電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)等。(七)考核方式及成績?cè)u(píng)定根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行成績?cè)u(píng)定，見本課程考核大綱。六、課程思政本課程在教學(xué)過程中將政治認(rèn)同、家國情懷、文化素養(yǎng)、憲法法治意識(shí)、道德修養(yǎng)等思政元素融入專業(yè)教育。舉例說明：在課程緒論、光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專業(yè)內(nèi)容中針對(duì)光伏系統(tǒng)降本增效內(nèi)容講解時(shí)，在闡述逆變器等光伏部件在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期占比較高，價(jià)格昂貴這一事實(shí)的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)狀時(shí)重點(diǎn)點(diǎn)明華為等企業(yè)自主研發(fā)、破除國外壟斷，將光伏逆變器價(jià)格降至原來的幾十分之一，順勢(shì)展開交換機(jī)、芯片等當(dāng)年和當(dāng)今卡脖子問題，激發(fā)學(xué)生愛國愛學(xué)的奮斗精神。七、教材及教學(xué)參考書1、選用教材：（1）理論課教材：太陽能轉(zhuǎn)換原理與技術(shù).戴松元主編.中國水利水電出版社，2018年（2）實(shí)驗(yàn)課教材：自編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（3）實(shí)習(xí)指導(dǎo)書：自編實(shí)習(xí)指導(dǎo)書2、參考書：（1）太陽能利用技術(shù).羅運(yùn)俊主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2005年（2）太陽能.肖剛主編.中國電力出版社，2019年（3）太陽能熱利用.岑幻霞主編.清華大學(xué)出版社，1997年（4）太陽熱水器及系統(tǒng).羅運(yùn)俊主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2007年（5）太陽能干燥技術(shù).張璧光主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2007年（6）太陽能制冷.王如竹主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2007年（7）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù).何濤主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2012年（8）太陽能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬（第2版），張鶴飛編，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004年3、推薦網(wǎng)站：（1）中國太陽能網(wǎng)，/（2）環(huán)球光伏網(wǎng)，/（3）北極星太陽能光伏網(wǎng)，/（4）國際能源署，/（5）CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)，