新能源風(fēng)光氫荷儲(chǔ)智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

一、新能源風(fēng)光氫荷儲(chǔ)智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于風(fēng)光氫儲(chǔ)荷一體化設(shè)計(jì)理念，融合太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電解氫燃料電池、儲(chǔ)能（儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電）、負(fù)載（熱泵）以及信息化管理平臺(tái)等多種技術(shù)，構(gòu)建起一套集發(fā)電、儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、用能和智能管理于一體的可再生能源智能微電網(wǎng)體系。該體系旨在滿足高校在教學(xué)、科研以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面的需求，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。系統(tǒng)具備半開放式功能，支持?jǐn)U展采集功能，可兼容高校已有的采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，負(fù)載模塊也支持接入高校已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為高校相關(guān)領(lǐng)域的研究和教學(xué)提供了靈活且高效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課程目標(biāo)：

l 使學(xué)生掌握新能源風(fēng)光氫荷儲(chǔ)智能微電網(wǎng)的基本原理、系統(tǒng)組成和運(yùn)行機(jī)制；

l 培養(yǎng)學(xué)生在新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、智能控制等方面的實(shí)驗(yàn)操作技能和問題解決能力；

l 引導(dǎo)學(xué)生理解微電網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的作用，增強(qiáng)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。

l 鼓勵(lì)學(xué)生探索新能源微電網(wǎng)前沿技術(shù)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和探索新知識(shí)的能力。

（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

1．基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：新能源發(fā)電模塊認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察風(fēng)力發(fā)電單元、光伏單元和電解氫燃料電池實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，了解各部件功能及工作原理，掌握基本操作方法。儲(chǔ)能模塊原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過操作相變儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和逆變器實(shí)驗(yàn)單元，驗(yàn)證儲(chǔ)能原理，學(xué)習(xí)儲(chǔ)能過程中的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)特性測(cè)量方法。

2．綜合性實(shí)驗(yàn)：智能微電網(wǎng)系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生搭建智能微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，分析系統(tǒng)潮流、電壓和頻率變化，綜合運(yùn)用多模塊知識(shí)解決實(shí)際問題。系統(tǒng)控制與調(diào)度實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)調(diào)度算法并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證，培養(yǎng)系統(tǒng)控制和優(yōu)化能力。

3．創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)：新能源技術(shù)應(yīng)用拓展實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探索新型新能源材料或技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，如新型光伏組件效率測(cè)試、新型儲(chǔ)能介質(zhì)性能研究等。微電網(wǎng)優(yōu)化策略研究實(shí)驗(yàn)，支持學(xué)生基于實(shí)際需求，研究改進(jìn)微電網(wǎng)的控制和調(diào)度策略，如基于人工智能算法的能源管理策略研究。

（三）教學(xué)方法

采用理論講解與實(shí)踐操作相結(jié)合的方式，先通過課堂講授、多媒體演示等方式讓學(xué)生掌握理論知識(shí)，再在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)行小組合作學(xué)習(xí)，學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。教師在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行指導(dǎo)和答疑，引導(dǎo)學(xué)生自主思考和解決問題。

三、系統(tǒng)功能

（一）新能源發(fā)電模塊實(shí)驗(yàn)

光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)

l 模擬單晶硅、多晶硅、薄膜光伏組件等不同類型光伏組件的發(fā)電過程。

l 實(shí)操展示光伏組件的安裝、調(diào)試、維護(hù)流程。

l 設(shè)置常見故障模擬場(chǎng)景（如線路接觸不良、組件損壞等），開展故障排除實(shí)驗(yàn)。

l 基于地理位置、時(shí)間、光照強(qiáng)度等參數(shù)，精確計(jì)算光伏電站發(fā)電量。

風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)

l 解析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作原理。

l 模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

l 設(shè)置風(fēng)機(jī)安裝、檢修實(shí)操場(chǎng)景，開展故障處理實(shí)驗(yàn)（如設(shè)備異常停機(jī)、部件損壞修復(fù)等）。

電解氫燃料電池實(shí)驗(yàn)

l 模擬電解氫燃料電池工作過程，探究其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用方式。

l 測(cè)試不同環(huán)境條件（溫度、壓力等）下設(shè)備性能表現(xiàn)，分析運(yùn)行參數(shù)變化。

（二）儲(chǔ)能模塊實(shí)驗(yàn)

相變儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

l 與熱泵、太陽能光熱系統(tǒng)搭配，模擬自然能源的收集、存儲(chǔ)與利用過程。

l 實(shí)驗(yàn)研究不同工況下，系統(tǒng)如何高效存儲(chǔ)太陽能轉(zhuǎn)化的熱能。

l 分析相變材料在熱泵輔助下，對(duì)熱量存儲(chǔ)與釋放的優(yōu)化效果。

l 評(píng)估系統(tǒng)整體應(yīng)對(duì)太陽能間歇性的能力。

逆變器儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

l 模擬可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)的過程。

l 測(cè)試逆變器在不同光照強(qiáng)度、風(fēng)速下的轉(zhuǎn)化效率。

l 研究?jī)?chǔ)電系統(tǒng)對(duì)不穩(wěn)定電能的存儲(chǔ)特性。

l 驗(yàn)證多種可再生能源協(xié)同供電時(shí)，電能的高效管理與穩(wěn)定輸出。

（三）智能微電網(wǎng)系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)

l 搭建智能微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬孤島運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行及切換過程。

l 開展系統(tǒng)潮流計(jì)算、電壓調(diào)節(jié)、頻率控制等實(shí)驗(yàn)，分析電網(wǎng)運(yùn)行特性。

（四）系統(tǒng)控制與調(diào)度實(shí)驗(yàn)

l 開發(fā)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)各設(shè)備集中監(jiān)控與遠(yuǎn)程操作。

l 設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)度算法實(shí)驗(yàn)（基于功率平衡、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境效益的調(diào)度策略），驗(yàn)證算法在實(shí)際微電網(wǎng)場(chǎng)景中的應(yīng)用效果。

（五）半開放式及擴(kuò)展采集功能實(shí)驗(yàn)

l 系統(tǒng)接口與協(xié)議?：提供開放的接口和協(xié)議，方便高校根據(jù)自身研究需求，自主開發(fā)或接入第三方設(shè)備與軟件。

l ?擴(kuò)展采集功能?：支持高校使用已有的采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)具備良好的兼容性，能夠與不同品牌、型號(hào)的采集設(shè)備進(jìn)行無縫對(duì)接。例如，高校可將已有的高精度溫度傳感器、功率傳感器等設(shè)備接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。

l ?接入自研設(shè)備與算法?：高校可接入自研的能源管理算法模塊，對(duì)微電網(wǎng)的能源分配進(jìn)行個(gè)性化優(yōu)化；也可接入新型的儲(chǔ)能設(shè)備，測(cè)試其在系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)。

（六）負(fù)載模塊擴(kuò)展功能

負(fù)載模塊支持接入高校已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如：

l ?太陽能熱水器?：作為熱源，與熱泵系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)。

l ?風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬負(fù)載?：用于測(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同負(fù)載條件下的性能。

l ?儲(chǔ)能電池組?：作為備用電源或測(cè)試對(duì)象，接入系統(tǒng)驗(yàn)證儲(chǔ)能設(shè)備的性能。

l ?電解水制氫設(shè)備?：與燃料電池系統(tǒng)形成閉環(huán)，探究氫能利用的綜合效益。

l ?光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)?：結(jié)合光伏發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)，進(jìn)行綜合能源管理實(shí)驗(yàn)。