液空储能型冷电综合利用系统虚拟仿真实验

实验要求

（1）专业与年级要求

本仿真实验属于面向东南大学能源与环境学院能源与动力工程专业、建筑环境与能源工程专业、储能科学与工程专业、新能源科学与工程专业三年级及以上的学生，其涉及的专业知识涵括《工程热力学》、《传热学》、《汽轮机原理》和《流体力学》等专业基础课。全校其它专业的学生也可根据专业需求和个人能力选择对本课程进行选修。

（2）基本知识和能力要求

具备如（1）所述专业的基础知识，包括但不限于《工程热力学》、《传热学》、《汽轮机原理》、《流体力学》，及一定的计算机使用能力。此外，分析问题及自主探索的习惯有助于实验人员在认知环节、性能研究、系统设计三个层次的实验中总结分析实验系统背后的机理，提高融贯各课程的知识体系以解决实际问题的能力。

（3）实验注意事项

本仿真实验平台涉及的专业基础课程理论性强、知识面广，具有较强的综合性、创新性和挑战度。为确保教学质量，提出以下实验注意事项。

仿真实验开始前：

① 本仿真实验平台设计有配套实验指导书，学生在实验进行前需进行仔细阅读，熟知本仿真实验对专业、年纪及能力的要求，选择符合自身的仿真实验环节；

② 请确保具备符合本仿真实验平台运行条件的软硬件实验环境，保障实验过程流畅性；

③ 请通过观看视频简介、教师指导等方法，明确实验目的及各环节的目标知识点和难点，确保具备顺利开展仿真实验的理论基础；

仿真实验进行中：

① 请充分利用实验背景认知环节，通过视频、动画等插件开展拓展学习，扩充自己的专业知识；

② 请根据仿真实验平台步骤引导开展实验，准确无遗漏地完成各环节任务要求，同时可通过微信群等方式寻求在线答疑解惑；

③ 请充分发挥主观能动性，性能研究和系统设计环节具有过程指向的评分标准，在经过提示后能够修改获得正确结果同样可以获得优异的成绩；

仿真实验结束后：

① 完成实验后，请务必点击“完成并提交”以生成实验报告，并在关闭实验界面前，点击界面右下角的“实验报告”链接进入课程平台查看。

②结合实验报告认真回顾实验过程，针对不足查找原因，并积极开展互动交流，以进一步巩固理论知识、提升创新思维能力。

教学成果

实验背景

1、实现“双碳”目标，要从电力生产侧和能源消费侧推进能源电力低碳化转型，构建新型零碳电力系统

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。能源电力是实现碳达峰碳中和的关键。随着风电、太阳能发电开发消纳规模迅速加大，电力系统对灵活性调节能力的需求加快提升。国家能源局高度重视储能技术进步和产业发展，明确提出需要大力发展各类储能以弥补系统灵活性调节能力缺口，支撑构建新型电力系统。新型电力系统自身将成为零碳电力系统，从电力生产侧和能源消费侧两端发力推进能源转型，是支撑全社会高度电气化、实现碳达峰碳中和目标的重要平台。

2、促进能源电力低碳化转型，为实现“双碳”目标提供培养复合型、创新型人才，需加强新能源科学与工程和储能科学与工程专业建设

2022年7月，教育部提出，要加快双碳领域人才培养，加强绿色低碳教育、打造高水平科研科技攻关平台、加快紧缺人才培养、深化产教融合协同育人，促进能源电力低碳化转型升级。近年来教育部新批准设置储能科学与工程、新能源科学与工程、氢能科学与工程、智慧能源工程等10余个本科专业，鼓励校企联合开展产学合作协同育人项目，加快国家储能技术产教融合创新平台建设，为逐步构建全面、持续、有效的双碳教育课程与教材体系打下坚实基础，为促进能源电力低碳化转型升级培养高素质人才，为我国“碳达峰、碳中和”领域提供智力支撑。

3、新能源专业宽口径课程体系实验无法开展，传统教学方式难以理解，有效培养复合型、创新型领军人才急需虚拟仿真教学

新能源专业作为交叉型学科，涉及的专业课种类复杂，传统教学方式不足以为新能源专业创新型高水平领军人才大量培养提供足够教学支撑，教学中更需要加强理论实际紧密结合。但是新能源专业宽口径课程体系实验教学平台系统复杂、建设困难大，实验环节危险性高，难以实现多专业、多层次、多课程的实验设备保障，实验环节无法开展。教育部鼓励采用新技术手段，扩大双碳相关课程学习覆盖面，在《关于开展国家级虚拟仿真实训教学中心建设工作的通知》指出虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。本课程以液空储能为切入点，结合储能、发电、制冷环节，建设液空储能型冷电综合利用系统仿真实验平台，为促进能源电力低碳化转型和有效培养新能源行业复合型、创新型领军人才提供强有力手段。

设计原则

绿色安全可持续的能源供应体系、双碳目标的实现是国家稳定持续发展的必要前提和首要保障，为形象生动地传授储能技术应用于制冷-发电功用的新知识，本项目团队遵循“立德树人-创设情景-容错探究”的设计原则，自主开发了液空储能型冷电综合利用系统仿真实验。

（1）坚持立德树人，深化教学改革

用生动的实践教育演绎素质教育的本真，让教育充满温度与力量。尊重学生学习规律，通过设置实验背景认知、基础模块以及应用模块三段式，梯度推进学生交互性操作，通过引导式教学、虚拟仿真实验以及自主设计实验引发学生对国家能源安全新战略和碳达峰碳中和政策的认知。结合课程思政，注重挖掘我国能源建设领域的发展史及其成就，有助于学生对学习能源科学的情感、态度、价值观施加积极影响，并结合热点问题和科学前沿设计新的实验项目，及时反映能源学科的国际前沿及热点问题，丰富实验教学的内容，保持课程特色和内容新颖性。始终坚持把立德树人融入各个环节，帮助学生培根铸魂，掌握过硬专业知识，引导学生成人成才，激励学生投身于我国能源领域建设。

（2）创设多样情景，培养创新精神

在教学过程中，通过不断创设疑问情景，引导学生质疑思辨是激发学生好奇心、求知欲的中要手段，用设问和情景答疑的形式巩固学生对基础专业课《工程热力学》、《传热学》、《流体力学》中重难点的理解，让学生在情景教学体验中受到教育。通过虚拟实景教学让学生仿佛置身其中，通过设置基性能研究环节和集成系统设计环节，并确保各环节之间具有交互连续性，保证学科连贯性。通过衔接专业课中的基本概念引导教学，让学生在课外带着疑问去接触新事物、新问题，进而产生创新的愿望和学习的动力，于是自然而然地激发学生去积极思考、探究新知。

（3）重视容错探究，优化实践操作

当学生出现错误时，引导学生从不同角度、不同层次、不同方位对错误进行重新审视，突破学生既有的认知，将错就错的对问题条件展开修正和训练，使错误成为可遇不可求的优质教学资源。依托虚拟计算服务平台，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，让学生充分表达思维的机会，将学生大脑深处最真实的想法表达出来，从而使学生充分感受到探索、解决问题的乐趣，提升求知欲和探索能力，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维。

实验目标

本实验坚持以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念，通过虚拟仿真所营造的情景体验式的教学环境，使学生循序渐进地开展“实验背景认知、基础模块仿真、应用系统集成”的学习实践过程，完成“背景认知、性能研究、系统设计”三个层次的训练，实现以下具体教学目标：

（1）在实验背景认知环节：帮助学生认识双碳战略的指导意义、了解国家能源体系和能源结构演变，加强储能技术在分布式能源系统的地位认知，使学生掌握液空储能工作原理、组成模块、特点及适用场景，将思政教育潜移默化地融入到虚拟仿真实验教学过程，激发学生的专业认同感，引导学生体验国家双碳建设的紧迫性。

（2）在基础性能研究环节：培养学生掌握液态空气物性，引导学生探究储能模块、制冷模块和动力模块的热力过程，使学生直观的观察到储能模块、制冷模块和动力模块热力过程的状态参数变化，明确储能能力、制冷量和发电量与控制量之间的定量影响关系，使学生能根据各模块的不同需求合理调整控制参数。

（3）在集成系统设计环节：通过集成液空储能型冷电综合利用系统的任务，引导学生基于储能、制冷及动力模块，添加辅助部件组成虚拟系统设计，并通过系统调试实现液态空气泵和冷媒泵之间的匹配，最大程度上利用系统的制冷潜力。使学生建立从“模块组件”到“系统集成”的整体思维，锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力。

成绩评定

实验采用引导式教学方法，学生开展实验的过程中可以根据提示在每一步实验中进行多次实验，成绩评定过程中综合考虑学生实验技能天赋与后天实验技能。如下是每个实验环节的实验成绩评价标准（按总分100分）：

一、认知环节（20分）

1. 双碳战略下的学科认知（5分）

学生操作进入能源系统虚拟界面，完整观看虚拟界面的介绍（1分）并正确完成2个测试题目（1分）；若题目正确率为100%，直接附加3分，否则可自愿多次重复本步实验，若第二次正确完成测试题目，加3分，此后每重复一次，递减1分。注：初次实验成绩不更新。

2. 未来能源体系认知（5分）

学生操作进入分布式能源系统虚拟界面完整观看相关视频（1分），正确完成2个测试题目（1分）；若题目正确率为100%，直接附加3分，否则可自愿多次重复本步实验，若第二次正确完成测试题目，加3分，此后每重复一次，递减1分。注：初次实验成绩不更新。

3. 储能技术认知（5分）

学生操作进入储能虚拟界面完整观看相关视频（1分），正确完成2个测试题目（1分）；若题目正确率为100%，直接附加3分，否则可自愿多次重复本步实验，若第二次正确完成测试题目，加3分，此后每重复一次，递减1分。注：初次实验成绩不更新。

4. 液空储能型冷电综合利用系统构建（5分）

以液空作为能源供给，自主构建系统在原理上实现冷-电联供（1分），在技术上具可行（1分），考虑系统调控功能（1分）；若初次实验完成得到第一步分值，附加2分，否则可在提示下进行多次实验，若三次之内可实现系统标准，附加四分，此后每增加一次实验，最高加分递减1分。

二、性能研究环节（40分）

1. 液态空气罐（10分）

根据所给目标场景的冷-电负荷，对储能罐进行容量设计，与理论结果误差10%以内（1分），考虑设计冗余（1分）；根据计算结果给出适当提示内容，若进行重复实验并在两次内得到最佳结果，附加1分。

3. 对储能罐工作过程中可能出现的结霜问题提出合理解决方案（1分），对安全问题提出合理解决方案（1分），经系统提示后能够给出合理解决方案（各0.5分），无法给出解决方案（0分）。

2. 储冷罐（10分）

根据目标场景冷负荷，选择合适制冷量目标（4分），对蓄冷罐合理选型，输入合适蓄冷罐容量，误差在10%以内（4分），考虑设计冗余（2分）。

3. 冷风机（10分）

选择合适的风冷机并确定换热面积（4分）若初次实验可正确完成上述操作，附加6分，若重复实验，三次内完成上述操作附加4分，若超过三次完成实验，附加2分。

4. 空气透平（10分）

进入界面并学习透平工作原理（2分）。在固定边界下，使用控制变量法研究透平设计参数对透平效率的影响（2分）。针对目标场景设计透平，能实现目标发电量（2分），效率大于80%（2分）尺寸与最佳尺寸的误差在10%以内（2分）。若不完全满足上述要求，可进行重复实验，若在重复实验过程中，任何指标被优化，附加1分。

三、系统设计环节（40分）

1. 任务选择（2分）

从数据中心和速冻冷库之间选择一个场景，2分。

2. 热力参数确定（3分）

完成所有热力参数学习3分，遗漏一项–1分；

3. 液态空气罐设计（5分）