基于CDIO理念的高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

張立軍，相恒富，李樂樂，劉曉聰，任軍輝

(中國(guó)石油大學(xué) (華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 前言

CDIO教學(xué)模式是國(guó)際工程教育與人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，起源于麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)歷時(shí)4年的研究成果。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生具備主動(dòng)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)踐問題的能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)［1］。CDIO教學(xué)模式重點(diǎn)是培養(yǎng)工程技術(shù)人才而非研究型人才，因此適合于國(guó)內(nèi)大部分工科院校工程類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)。

機(jī)電信息檢測(cè)與處理技術(shù)和液壓傳動(dòng)都是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的機(jī)械類專業(yè)課程。為了實(shí)現(xiàn)CDIO教學(xué)要求和目標(biāo)，新培養(yǎng)計(jì)劃中都增加了2—4個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，以加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和動(dòng)手能力的提高。研究的主要目的是通過改進(jìn)現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將CDIO教育理念運(yùn)用于液壓傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)電信息檢測(cè)技術(shù)中，創(chuàng)新性地搭建一種塔架式多級(jí)高效垂直軸風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以用于學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)。

1 垂直軸風(fēng)機(jī)高效發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的提出背景

CDIO模式包括構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生主動(dòng)地、實(shí)踐地課程之間有機(jī)聯(lián)系地學(xué)習(xí)工程理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)［2］。高效風(fēng)力發(fā)電模型的設(shè)計(jì)理念就是基于CDIO教學(xué)實(shí)踐完成的，主要體現(xiàn)在運(yùn)用課本理論知識(shí)構(gòu)思、設(shè)計(jì)等層次方面的技術(shù)創(chuàng)新。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是指風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向，風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:(1)不需要進(jìn)行對(duì)風(fēng)，不受風(fēng)向影響。(2)噪聲低，不傷害鳥類。(3)葉片制造工藝簡(jiǎn)單，具有較大的受力強(qiáng)度。(4)通常增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)能安裝在地面上。(5)塔架低，日常維護(hù)方便，且塔架承載性能好［3］。

理論上，風(fēng)輪每抬高50 m，上50 m處風(fēng)輪發(fā)電功率是下50 m處風(fēng)輪發(fā)電功率的2倍，即上50 m的平均風(fēng)速為下50 m平均風(fēng)速的1.26倍［4］。在此基礎(chǔ)上，提出將在不同高度上的風(fēng)輪組 (2個(gè)以上)產(chǎn)生的能量收集到一起，轉(zhuǎn)換成液壓能來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)或多臺(tái)功率不等的發(fā)電機(jī)，這能吸收較多風(fēng)能 (尤其是小風(fēng)時(shí))，提高風(fēng)能利用率，并使整體結(jié)構(gòu)在空間上布局靈活，安裝維修更加方便，塔架結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化。

2 高效發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

基于液壓傳動(dòng)的塔架式多級(jí)高效垂直軸風(fēng)力發(fā)電模式，其原理如圖1所示。在不同風(fēng)速下，兩級(jí)風(fēng)輪帶動(dòng)內(nèi)曲線馬達(dá) (相當(dāng)于泵)旋轉(zhuǎn)，其打出的油通過集流閥流經(jīng)比例流量閥后，驅(qū)動(dòng)定量馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，定量馬達(dá)通過聯(lián)軸器連接交流發(fā)電機(jī)，并帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，溢流閥始終工作，通過調(diào)節(jié)比例流量閥的開度，基于節(jié)流調(diào)速，確保定量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速維持在1 500 r/min，滿足并網(wǎng)要求。

圖1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液壓回路

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)從接受風(fēng)能的內(nèi)曲線馬達(dá)到驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的定量馬達(dá)中間的傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)，避免采用目前笨拙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——機(jī)械式齒輪增速箱，使得整體結(jié)構(gòu)在空間布局上更加靈活，除了作為液壓動(dòng)力源的內(nèi)曲線馬達(dá)和風(fēng)力機(jī)置于塔架的頂端外，風(fēng)電系統(tǒng)的其它部分均可置于地面，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的傳動(dòng)與控制構(gòu)架，安裝、維修便利。(2)采用液壓傳動(dòng)方式將使得能量的吸收、存儲(chǔ)以及系統(tǒng)的控制變得更為簡(jiǎn)單易行，可有效地提高機(jī)電系統(tǒng)的操控性能，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。(3)塔架式多路“高效合流”，能盡可能地多吸收同一塔架上不同高度處的風(fēng)能［5－6］，風(fēng)能利用率提高。

3 高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了更好地模擬塔架式多級(jí)高效垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，方便學(xué)生操作和節(jié)省成本，在指導(dǎo)教師的幫助下，研究生和本科生通力合作，利用電動(dòng)機(jī)代替風(fēng)輪，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了基于液壓傳動(dòng)與控制的風(fēng)力機(jī)高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)物如圖2所示。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由動(dòng)力單元、液壓傳動(dòng)單元和控制單元三部分組成。

圖2 高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 動(dòng)力單元

動(dòng)力單元主要由兩臺(tái)3 kW電動(dòng)機(jī)、變頻器、減速機(jī)和扭矩傳感器組成，主要用于給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)提供動(dòng)力，起到模擬風(fēng)輪作用。

3.2 液壓傳動(dòng)單元

液壓傳動(dòng)單元主要由內(nèi)曲線馬達(dá)、過濾器、集流閥、壓力傳感器、比例流量閥、定量馬達(dá)、溢流閥、管路、油箱等組成，如圖3所示，主要用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，然后再將靜壓能轉(zhuǎn)化為電能。

圖3 液壓傳動(dòng)單元

3.3 控制單元

控制單元主要由扭矩傳感器、AC/DC電源、PLC CPU單元、PLC開關(guān)量IO單元、PLC模擬量輸入單元、PLC模擬量輸出單元、觸摸屏、交流電阻箱等組成。

4 高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試

學(xué)生可以根據(jù)具體情況，利用PLC控制面板(如圖4)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的控制與檢測(cè)，分析不同參數(shù)下的發(fā)電效果;另外，學(xué)生還可以進(jìn)行單級(jí)測(cè)試、合流測(cè)試、閉環(huán)測(cè)試等，加深理解液壓元器件、傳感器等的工作特性。

圖4 控制系統(tǒng)界面

利用該測(cè)試平臺(tái)，可以通過調(diào)節(jié)溢流閥的壓力、集流閥的開口開度等參數(shù)，可以直觀地觀察到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況。通過運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的電機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)按鈕，即可得到圖5所示的曲線。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)圖

另外，通過變頻器控制改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和交流電阻箱的負(fù)載，并調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，能使普通交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持在 (1 500±6)r/min的范圍，滿足并網(wǎng)要求。圖6顯示了通過合理調(diào)整流量閥閥口開度等參數(shù)，發(fā)電機(jī)能夠發(fā)出 (50±0.2)Hz合格的交流電來(lái)。

圖6 交流負(fù)載箱上顯示的頻率數(shù)值變化

借助CDIO教育理念，整個(gè)風(fēng)力機(jī)高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了如下創(chuàng)新:

(1)用液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替了目前笨拙、昂貴的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——機(jī)械式齒輪增速箱，運(yùn)動(dòng)柔性更好，研發(fā)成本更低。

(2)省去了整流器和逆變器，并用普通勵(lì)磁發(fā)電機(jī)代替昂貴的永磁發(fā)電機(jī)，節(jié)省成本約35%。

(3)運(yùn)用安裝在同一塔架上的兩級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)能量合流后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)際中可以更好地利用風(fēng)能資源，尤其是風(fēng)速低時(shí)。

5 結(jié)論

將CDIO教育理念運(yùn)用于液壓傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)電信息檢測(cè)技術(shù)中，創(chuàng)新性地提出了塔架式多級(jí)高效垂直軸風(fēng)力發(fā)電模型。利用電動(dòng)機(jī)代替風(fēng)輪，搭建了基于液壓傳動(dòng)與控制的風(fēng)力機(jī)高效發(fā)電虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由動(dòng)力單元、液壓傳動(dòng)單元和控制單元三部分組成，可以完成合格發(fā)電、液壓元器件性能測(cè)試、傳感器參數(shù)測(cè)試等相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

提出的以工程實(shí)際課題為驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用CDIO教育理念，將課程專業(yè)知識(shí)和可行性實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析問題、解決問題的能力，極大促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生不僅能掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，更主要的是能把這些知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐中去，鍛煉了運(yùn)作課題的能力，且能夠?qū)栴}進(jìn)行深入思考，這是傳統(tǒng)教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的。

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