基于CDIO理念的高效发电虚拟教学实验平台开发

张立军，相恒富，李乐乐，刘晓聪，任军辉

(中国石油大学 (华东)机电工程学院，山东青岛 266580)

0 前言

CDIO教学模式是国际工程教育与人才培养的创新模式，起源于麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学历时4年的研究成果。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生具备主动应用所学知识来解决实践问题的能力，强调学生的动手能力和团队协作精神的培养［1］。CDIO教学模式重点是培养工程技术人才而非研究型人才，因此适合于国内大部分工科院校工程类专业学生的培养。

机电信息检测与处理技术和液压传动都是理论性和实践性很强的机械类专业课程。为了实现CDIO教学要求和目标，新培养计划中都增加了2—4个实验学时，以加强对专业知识的理解和动手能力的提高。研究的主要目的是通过改进现有垂直轴风力发电系统，将CDIO教育理念运用于液压传动技术和机电信息检测技术中，创新性地搭建一种塔架式多级高效垂直轴风力发电教学实验平台，以用于学生的实践教学。

1 垂直轴风机高效发电实验平台的提出背景

CDIO模式包括构思、设计、实现和运作，以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生主动地、实践地课程之间有机联系地学习工程理论、技术与经验［2］。高效风力发电模型的设计理念就是基于CDIO教学实践完成的，主要体现在运用课本理论知识构思、设计等层次方面的技术创新。

垂直轴风力发电机是指风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，风轮围绕一个垂直轴旋转。其优点主要体现在:(1)不需要进行对风，不受风向影响。(2)噪声低，不伤害鸟类。(3)叶片制造工艺简单，具有较大的受力强度。(4)通常增速齿轮箱和发电机能安装在地面上。(5)塔架低，日常维护方便，且塔架承载性能好［3］。

理论上，风轮每抬高50 m，上50 m处风轮发电功率是下50 m处风轮发电功率的2倍，即上50 m的平均风速为下50 m平均风速的1.26倍［4］。在此基础上，提出将在不同高度上的风轮组 (2个以上)产生的能量收集到一起，转换成液压能来驱动一台或多台功率不等的发电机，这能吸收较多风能 (尤其是小风时)，提高风能利用率，并使整体结构在空间上布局灵活，安装维修更加方便，塔架结构更加简化。

2 高效发电教学实验平台的设计

基于液压传动的塔架式多级高效垂直轴风力发电模式，其原理如图1所示。在不同风速下，两级风轮带动内曲线马达 (相当于泵)旋转，其打出的油通过集流阀流经比例流量阀后，驱动定量马达高速转动，定量马达通过联轴器连接交流发电机，并带动交流发电机发电。当风速较大时，溢流阀始终工作，通过调节比例流量阀的开度，基于节流调速，确保定量马达的转速维持在1 500 r/min，满足并网要求。

图1 垂直轴风力发电实验平台的液压回路

该风力发电系统的主要优点是:(1)从接受风能的内曲线马达到驱动发电机的定量马达中间的传动系统采用液压传动，避免采用目前笨拙的传动机构——机械式齿轮增速箱，使得整体结构在空间布局上更加灵活，除了作为液压动力源的内曲线马达和风力机置于塔架的顶端外，风电系统的其它部分均可置于地面，极大地简化了系统的传动与控制构架，安装、维修便利。(2)采用液压传动方式将使得能量的吸收、存储以及系统的控制变得更为简单易行，可有效地提高机电系统的操控性能，提高电网的运行质量。(3)塔架式多路“高效合流”，能尽可能地多吸收同一塔架上不同高度处的风能［5－6］，风能利用率提高。

3 高效发电虚拟教学实验平台的搭建

为了更好地模拟塔架式多级高效垂直轴风力发电系统，方便学生操作和节省成本，在指导教师的帮助下，研究生和本科生通力合作，利用电动机代替风轮，在实验室内搭建了基于液压传动与控制的风力机高效发电虚拟教学实验平台，实物如图2所示。该教学实验平台主要由动力单元、液压传动单元和控制单元三部分组成。

图2 高效发电虚拟教学实验平台

3.1 动力单元

动力单元主要由两台3 kW电动机、变频器、减速机和扭矩传感器组成，主要用于给整个发电系统提供动力，起到模拟风轮作用。

3.2 液压传动单元

液压传动单元主要由内曲线马达、过滤器、集流阀、压力传感器、比例流量阀、定量马达、溢流阀、管路、油箱等组成，如图3所示，主要用于将风能转化为静压能，然后再将静压能转化为电能。

图3 液压传动单元

3.3 控制单元

控制单元主要由扭矩传感器、AC/DC电源、PLC CPU单元、PLC开关量IO单元、PLC模拟量输入单元、PLC模拟量输出单元、触摸屏、交流电阻箱等组成。

4 高效发电虚拟教学实验平台的测试

学生可以根据具体情况，利用PLC控制面板(如图4)实现对多个参数的控制与检测，分析不同参数下的发电效果;另外，学生还可以进行单级测试、合流测试、闭环测试等，加深理解液压元器件、传感器等的工作特性。

图4 控制系统界面

利用该测试平台，可以通过调节溢流阀的压力、集流阀的开口开度等参数，可以直观地观察到发电机的转速情况。通过运行实验平台上的电机转速趋势按钮，即可得到图5所示的曲线。

图5 发电机转速趋势图

另外，通过变频器控制改变电动机的转速和交流电阻箱的负载，并调节相关参数，实现闭环控制，能使普通交流发电机的转速维持在 (1 500±6)r/min的范围，满足并网要求。图6显示了通过合理调整流量阀阀口开度等参数，发电机能够发出 (50±0.2)Hz合格的交流电来。

图6 交流负载箱上显示的频率数值变化

借助CDIO教育理念，整个风力机高效发电虚拟教学实验平台实现了如下创新:

(1)用液压传动机构代替了目前笨拙、昂贵的传动机构——机械式齿轮增速箱，运动柔性更好，研发成本更低。

(2)省去了整流器和逆变器，并用普通励磁发电机代替昂贵的永磁发电机，节省成本约35%。

(3)运用安装在同一塔架上的两级动力系统能量合流后驱动发电机发电，实际中可以更好地利用风能资源，尤其是风速低时。

5 结论

将CDIO教育理念运用于液压传动技术和机电信息检测技术中，创新性地提出了塔架式多级高效垂直轴风力发电模型。利用电动机代替风轮，搭建了基于液压传动与控制的风力机高效发电虚拟教学实验平台。该教学实验平台主要由动力单元、液压传动单元和控制单元三部分组成，可以完成合格发电、液压元器件性能测试、传感器参数测试等相关教学实验。

提出的以工程实际课题为驱动，运用CDIO教育理念，将课程专业知识和可行性实验有机结合，能够有效培养学生的创新意识和分析问题、解决问题的能力，极大促进学生的自主学习积极性，使学生不仅能掌握专业基础理论知识，更主要的是能把这些知识运用到工程实践中去，锻炼了运作课题的能力，且能够对问题进行深入思考，这是传统教学难以实现的。

［1］任永良，贾光政，王金东，等.基于FESTO气动教学平台的CDIO 教学实践［J］.机床与液压，2014，42(10):114－117.

［2］曹海平，管图华.基于CDIO理念的电工电子实训教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2013，32(1):140－142.

［3］杜志杰，马丽娜.风力发电［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［4］张立军，孙明刚.新型垂直轴风力发电机的关键技术探讨［J］.机床与液压，2014，42(8):1－2.

［5］卢为平，张翠霞，丁宏林.风力发电基础［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［6］王存堂，陈飞，姜顺先，等.一种风力发电系统的液压恒转速输出增速器:中国，201110057531.0［P］.2011－08－03.