（1）知识目标

对塔式太阳能热发电站的系统组成有清晰的认知，理解并掌握塔式太阳能热发电系统运行流程，能清楚描述定日镜、吸收器、熔融盐储罐以及蒸汽发生器等核心设备的工作原理，明确影响塔式太阳能光热发电与储能成本的关键因素。

（2）能力目标

能够独立完成塔式太阳能热发电站选址、镜场布置及储热容量配置，具备多参数交叉影响下的方案优选能力，能够以度电成本为目标函数，通过控制变量法实现塔式太阳能热发电站的镜场及储热系统的优化配置。

（3）素质目标

能深入领会太阳能光热应用对于实现双碳目标的重大意义，具有敢闯会创、锐意进取的创新精神，能于、勇于并乐于投身新能源的相关领域及行业，为祖国的能源事业贡献力量。

本实验设计了三个既独立又依次承接的实验环节：塔式太阳能光热电厂基本组成认知、太阳能热电站设计集成，储热系统优化配置。实验包含12个知识点，可辐射3门课程，全程设计18个交互性操作步骤，难度由浅入深，使学生获得从基础认知，到分析设计，再到应用探索的进阶式能力提升。总体设计原理见图1。

图1 塔式太阳能热发电与储能虚拟仿真实验总体设计原理图

环节一：塔式太阳能光热电站基本组成认知

在虚拟的塔式太阳能热电厂内，采用交互体验式的教学方式引导学生认真电站的整体构成，聚光子系统、集热子系统和储热子系统的的基本构成与核心设备，对比并思考它们的工作流程及原理，使学生掌握塔式太阳能热电站的基本构成与工作原理。

环节二：太阳能热电站设计集成

本环节集虚拟测量、设计计算及容错探究于一体，从塔式太阳能热电站选址到吸热器额定功率测算，再到吸收塔高度设计计算，将太阳能热电站的设计基础及核心设备的设计计算以引导探究的方式输入给学生，形成牢固的知识链条。本环节可为学生构筑塔式太阳能热电站设计优化的基础。

此环节设置了基于各影响因素交叉作用下的电站初步选址，使学生形成定性分析的感性认识。暂不考虑储热容量（太阳倍数SM=1.0），按照公式（1）初步计算镜场面积：

（1）

式中：A_m—镜场面积，m²；E_e—额定发电量，W；I_DNI—该地区法向直接辐照度；η_op—镜场效率；η_ot—光热转换效率；η_te—热电转换效率。

环节三：储热系统匹配与优化

本环节要求学生从第二部分太阳能热电站初步选址出发，完成该镜场效率预测，进而探究选址的正确性。通过引导，让学生自主完成储热系统匹配与优化，体验测试数据的采集处理，建立从设备到系统的整体概念，锻炼并提升应用所学知识解决工程实际问题的能力。

本环节在上一环节基础上，考虑储热系统配置。度电成本LCOE（levelized cost of electricity）受到多个因素影响，其计算公式如下：

（2）

式中：LCOE—度电成本，元/kWh；K_d—债务利息；K_ins—年保险费率；C_inv—电站总投资，元；C_om—电站年运行成本，元；n—电站寿命，年；E—电站年发电量，kWh。

由于电站投资成本中，镜场成本占较大比例，因此LCOE受镜场面积影响显著，实验以LCOE最低为优化目标函数，通过控制变量法探究SM和储热时长的最优组合。

知识点：共12个

环节一：塔式太阳能热电站基本组成认知， 6 个知识点

1. 塔式太阳能热电站基本组成

2. 聚光子系统组成和功能

3. 集热子系统组成和功能

4. 储热子系统组成和功能

5. 换热子系统组成和功能

6. 发电子系统组成和功能

环节二：太阳能热电站设计集成， 3 个知识点

7. 塔式太阳能光热电站选址影响因素

8. 吸收塔高度设计计算

9. 镜场面积计算和定日镜布置调节

环节三：储热系统匹配与优化， 3 个知识点

10. 镜场效率的影响因素与预测方法

11. 基于太阳倍数+储热时间的度电成本优化

最大有效储热容量评估

本实验设计了“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的实验环节，运用“任务驱动式”、“交互体验式”、“容错探究式”的教学方法开展教学：通过设置明确的任务要求和科学目标，引导学生应用科学观察法、对比法、图像法、控制变量法和案例分析法等认真开展实验操作以及互动讨论，使学生“身临其境”地开展“沉浸式”交互操作和容错式探究，循序渐进地开展“基本原理知识掌握、分析设计思维构筑、创新思维能力提升”的学习实践过程。

在塔式太阳能光热电站基本组成认知环节，通过设置“电站整体构成”、“聚光子系统”、“集热子系统”、“储热子系统”以及“换热子系统”五个子环节，将塔式太阳能热电站基本组成直观呈现给学生。学生根据任务要求和步骤引导，通过交互式操作和多角度科学观察，结合知识提示和知识角的详细介绍，实现对塔式太阳能光热电站各组成部分的结构、功能及其相关设备的认知。该环节帮助学生掌握塔式太阳能光热电站的基本组成和工作原理，构建科学全面的认知体系，为学生后续开展塔式太阳能光热电站设计、储热系统匹配与优化等环节奠定坚实的理论基础。

在塔式太阳能热电站设计集成环节，通过提供塔式太阳能光热电站的基本设计要求、参数及框架，引导学生根据任务要求开展电站设计。在吸收塔高计算子环节，引导学生读取控制室温度信号反馈，以此测算吸收器额定输出热功率。在定日镜面积计算子环节，穿插法向直接辐照度测量，培养学生对测量系统的控制力；定日镜面积选择子环节，采用对比分析式教学方法，允许学生多次尝试，在对比分析中总结规律。在定日镜场布置子环节中，与集热塔高度子环节形成关联，使学生深入理解集热子系统和聚光子系统间的内在联系及相互影响，同时设置交互体验式的定日镜间距调节，增强趣味性、操作性和互动性，培养学生构建理论设计、仿真验证的工程设计思维，为其今后根据实际需求全面开展塔式太阳能光热电站的设计打下基础。

在电站储热系统匹配与优化环节，采用案例分析与容错探究的方法，通过任务驱动，引导学生为所涉及的光热电站匹配储热子系统，从技术经济学的角度出发，以度电成本为目标函数，以优化设计的思想分析问题，学生可以多次尝试，通过电站选址、镜场布置、储热时间等多参数优化，寻找最低的度电成本。实验过程中可根据系统评判不断优化设计，同时，设置了可视化数据图形界面，学生优化过程的关键数据可以实时地在数据图上呈现，学生在优化的过程中，可以更直观地体会气象条件对于镜场布置以及镜场效率的影响，理解太阳倍数和储热时间对于发电成本的影响，同时明晰电站初投资及运行维护等成本构成，锻炼提升应用所学知识解决工程实际问题的创新能力。