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1、WorkinProgress-IntegrationofHands-On-LaboratoryExperienceofPowerElectronicsandRenewableEnergyApplicationsEduardoI.Ortiz-Rivera,MemberIEEE,andMarcelJ.Castro-Sitiriche,MemberIEEEUniversityofPuertoRico-Mayagiiez,EdUardo.Ortizece.uprm.edu,Marcel.Castroece.uprm.eduAbstract-Thiswork-in-progresspresentsthe
2、researchandeducationalactivitiesdesignedtocreateasynergyrelatedtoaspectsofthepowerelectronicslaboratoryexperienceusingalternativeenergy,anddisseminationofknowledgerelatedtotheimpactofrenewableenergyaspartofthesolutiontoachieveasustainablefuture&economyforthesociety,aswellastothenationalsecuritybased
3、ontherealityandneedsofPuertoRico.Thework-in-progressisfocusedontwoareas:1)Integrationofhands-onlaboratoryexperienceswithundergraduatepowerelectronicscoursesandrenewableenergyapplications2)Undergraduateresearchexperienceonpowerelectronicsandsystemswithselectedpowerelectronicstopologiesforrenewableapp
4、licationswithaspecialfocustotherealityofageographicalregion(forourcasePuertoRico).Finally,it,salsointendedwiththispapertocreateaninterestinotheracademicinstitutionsabouttheimportanceandneedofanelectricalengineeringprogramwhichshouldincludepowerelectronics,renewableenergy,andlabexperienceaspartofthei
5、rcurriculumforthebenefitoftheircountries.IndexTerms-Educationaltechnology,laboratories,powerelectronics,solarenergy,thermoelectricenergy.IntroductionThecurrentchangesintheworldwidemarketsaremakingalargeimpactinourdailylives.Thecostofoilisrisingandthereser,esarcdecreasingeveryday.Also,dramaticdemogra
6、phicchangesareimpactingthefeasibilityoftheelectricinfrastructureandeventuallytheeconomicfutureoftheindustry.Aswell,thereductionofCO2emissionsplaysanimportantroleintheproductionofelectricenergy.Thesearesomeofthereasonsthatmanycountriesarelooking10integraterenewableenergysourcesaspartoftheirpublicpoli
7、cytoproduceelectricityinasustainableway1.Butanyenergyplanwhichinvolveschangestotheelectricalinfrastructureanditspublicpolicywouldrequireawelltrainedworkforcewithspecialknowledgeintraditionalpowersystems,powerelectronicstopologies,andavailabletypesofrenewableenergysources.Foranycountry,tohaveawelltra
8、inedengineeringforce,theiracademicinstitutionsplayacriticalroleintheirdevelopment.Itiswhytodayforanyregularstudent(andpotentialemployer)isnotsufficienttohavetheoreticalcourses;butalsoitisnecessarysomepracticalexperience!Aspartofthiseffort,theauthorsofthisworkhasincorporatedastrategybasedontheintegra
9、tionofhandsonlaboratoryexperiencetoattractandtrainproperlyECEstudentsintheareasofpowerelectronics(PELS),renewableenergyandundergraduateresearch.WhyHandsOnExperienceissoImportant?Itiswellknownthatgtx)dlaboratoryexperiencesincreasetheinterestofstudentsinanareabyconnectingthetheorytopracticefacilitatin
10、ganactivelearningprocess2.AninterestingstrategyhavebeendevelopingatUniversityofPuertoRicoinMayaguez(UPRMs)ECEDepartmenttohaveawelltrainedengineeringforcewithafocusonrenewableenergyanditsrelatedaspects,specificallybytheMathematicalModelingandControlofRenewableEnergyfortheAdvanceintheTechnologyandEduc
11、ation(MimissCREATE)ResearchTeamleadbyDr.EduardoI.Ortiz-Rivera.TheintegrationoftheoreticalcourseswithhandsonlaboratoryexperiencespecificallyinpowerelectronicsandrenewableenergyapplicationshasbeenthemainfocalpointfortheMin2CREATEResearchTeam3.Themainobjectiveofthisstrategyisessentiallytopreparethebest
12、engineeringworkforcetosatisfytherequiredenergyneedsofacountryoraregionwithoutsacrificeitsfuturesustainability.ThepresentedlaboratoryexperienceshaveapotentialtoreachIOOstudentsayearinPowerElectronicsbasicundergraduatecourse,60undergraduatestudentsinadvancecoursesinadditiontothosedoingundergraduateres
13、earch.ThisexperiencehaveatremendousimpactinthelargeamountofElectricalEngineeringstudentsthatgraduateeveryyearfromconcentrationsrelatedtopowerelectronics(aroundIOOstudentsperyear)atUPRM.AtUPRM,theMingCREATEResearchTeamhasbeenpreparingECEstudentsintheareasofrenewableenergyandpowerelectronicsforpowersy
14、stemapplicationsbasedonthegeographicalrealityofPuertoRico.Toobtainthetheoreticalexpertise,theECEstudentsinterestedintheseareas,arerequiredtotakeaseriesofcourseswithfocusonrenewableenergyandpowerelectronics.Figure1illustratetherequiredECEcoursesfortheunderlevel.Eachcourseisdesignedwiththefundamentalk
15、nowledgerequiredforaproperunderstandingofpowerelectronicsanditsapplicationtorenewableenergy.ActivitiesforHands-On-L,bortoryExperienceTohavethepropercoursesbasedontherealityofPuertoRico,itisnotenoughtoobtainapropereducationonpowerelectronicandrenewableenergy!FIGURE1PELSUNDERGRADUATEOPTIONWITHFOCUSONR
16、ENEWABLEENERGY.Thatswhy,theintegrationofahandsonlaboratoryexperiencestothesecoursesisfundamentaltoattractnewstudentsandincreasetheirinteresttodoresearchinengineering.Inthelongrun,thesestepsaretheonesthatprovidethebaseforadvancegraduateeducation.Theactivitiesrelatedtohandsonlaboratoryexperienceareinc
17、orporatedwithothereducationalcomponentssuchastheory,simulations,andreal-lifeengineeringproblemsofferedinthecourses.Anexampleoftheexperimentsforthestudentshands-on-experienceisdecribcd:1) ElectricalcharacterizationofprotonexchangefuelcellsForthisexperimentalwork,thestudentwillusealowpowerPEMfuelcelli
18、nterconnectedwithadc-dcconverterandavariableresistiveload.ItisrequiredthatthestudentshouldIeamhowtouseaPEMfuelcell,designtherequiredcomponentsforthedc-dcconverter,simulateandconstructaprototypetocontrolthepowerandcurrentbyafuelcell.2) MathematicalmodelingofPVmodulesforMPPTcontrolThisexperimentinvolv
19、econceptsrelatedtooptimalcontrolandthecharacterizationofPVM,susingnonlinearmodels.ForthistaskthestudentwilllearnhowtounderstandaPVdatasheetandtousethisdatatoCharaterizeasolarpanel.ThetheoreticalvalueswillbecomparedwiththePVMexperimentalvaluesusingasoftwaretoolprevisoulydesigned1.Finally,thestudentwi
20、llconnectthePVM,stoaboostconvertertoextractthePVM,smaximumpower.3) DesingandprototypeofathreephaseZ-SourceinverterFortherealizationofthisexperiment,itisrequiredthatthestudentshouldunderstandconceptslikethreephasesystems,Pulse-Width-Modulation,Z-source,andinverters.Todesigntheinverter,thestudentisreq
21、uiredtousesoftwaretoolslikePSIM,SABER,Matlab,etc.AtthePowerElectronicsSystems(PELS)lab,thestudentswillconstructaprototypeincludingtopologyselection,heatsink,insulated-gatebipolartransistor(IGBT)selection&transformer/inductorconstruction3.EXPECTKDFtTUREKORTHESTUDKNTSNI)PUERTORlCOItisexpectedthatatthe
22、endofthestudentacademiccareer,thestudentwillhaveabreadthofrelevantpowerelectronictopologiesusefulforrenewablesources,knowledgeinthecharacterizationoftheavailablerenewableenergiesinthegeographicregionofPuertoRico,familiarityaboutpublicpolicyrelatedtoenergyandtheagenciesfortheiruse®ulationwiththeir
23、socictal/economicalissues,allofwhichExperimentalSet-upHGURE2ELECTRICALCHARACTERIZATIONANDCONTROLOFPEMFUELCELL.willappealtoawiderangeofareasattheUniversityofPuertoRico.SomeoftheadvantagestostudydifferenttypesofrenewableenergiesinPuertoRicoareexcellenttropicalweatherconditions,constantwindconditionsin
24、themountainregions,year-roundsunnyconditions,andalloftheminasingleplace.Finally,thisprojecthasbeensuccessfulgiventhatPuertoRicohasanexcellentlocationintheCaribbean,activeresearchofnewtechnologiesrelatedtorenewableenergy,anexcellentplacefortheeducationofengineers,andinterestofthestudentsforbusinessop
25、portunitiesintheislandasfutureentrepreneurs.ProjectSTATUSTheresearchgrouphassuccessfullydisseminatedtheworkthrough5publicationsinvariousjournalsandconferences.Twelveundergraduatestudentshavebeendoinghands-onlaboratorybasedresearchduringthepastyear.Currently,wearcbringingtogetherrepresentativesfromth
26、evariousindustriesrelatedtorenewableenergytoidentifyspecificworkforceskills.Specifically,WeareintheprocessofconveninganadvisoryboardgroupchargedwithrefiningandimplementingtheprocessforinvolvingawidercollaborationbetweentheindustryandtheacademyatPR.Thisboardwillmakerecommendationstothegrouprelatedtoa
27、reasofneed,potentialforinnovation,fundingsourcesandcruciallongtermpartnerships.AcknowledgmentTheauthorsgratefullyacknowledgethecontributionsofallthemembersthatbelongtotheMathematicalModelingandControlofRenewableEnergiesforAdvanceTechnology&Education(MindCCREATE)ResearchTeamatUPRM.进行中的工程一电力电子技术和可再生能源
28、实验课程的一体化摘要这个正在进行的工作展现了研究工作和教育活动在利用可替代能源的电力电子实验室和可再生能源作为未来经济和社会获得可持续发展的解决方案和基于波多黎各国家实际需要的重要影响的散布推广。这项正在进行的工作主要集中在两个方面：1）电力电子本科生课程实验室的实践操作的集成以及可再生能源的应用。2）本科生关于选定对于可再生能源在一个真实地理区域（例如我们的情况波多黎各）的应用的电力电子拓扑的研究经验。最后，作为我们这篇论文的一个目的，我们希望可以使其他学术机构注意到对于一个电力工程的教学大纲，增加包括电力电子学、可再生能源、和实验教学的课程对于他们国家益处的重要性以及必须性。关键词：教学工
29、艺、实验室、电力电子学、太阳能、热能弓I言当今世界范围内市场的变化给我们的匕常生活带来了巨大的影响。油价每天都在涨，但存储量每天都在下降。同时，人口统计的变化会影响电力设施的可行性，并最终影响到工业在经济上的未来。而且，二氧化碳排放量的减少为电力设备的生产提供了帮助。这就是为什么那么多国家希望集合可再生能源作为他们用持续发展方式发电的作为他们国家政策的一部分。但是，任何改变电力基本设备的计划和它的国家政策都需要有着传统电力系统、电力电子拓扑结构和可行性的可再生能源方面专业知识的熟练劳动工人。对于任何国家来说，他们的专业机构对于使这个国家具有良好专业知识的熟练劳动工人都扮演着十分重要的角色。这就
30、是对于现在普通的学生（潜在的雇员）只学理论课程并不够的原因；同时，一些实践操作的实验也是必须的！为了达到这个目的，作者做的工作是把一些实际操作实验的一体化策略加入，以吸引和培养合适的电力电子、可再生能源和本科研究领域的ECE学生。为什么实际操作实验如此重要？我们都知道好的实验室实验增加了学生在这一领域的兴趣，因为将理论与实践向结合，并且促使学生主动的学习的一个过程。一个引人关注的政策已经被波多黎各的马亚圭斯校区ECE学院推行出来以得到可再生能源和其相关领域的优良技术生产力，特别是他们利用了由爱德华多奥尔蒂斯博士领导的技术和教育先进性的数学建模和可再生能源的控制。理论课程实验的一体化特别是电力电
31、子和可再生资源的应用已经变成了MindS2CREATE研究团队的聚焦点。这项策略的基本目标是为国家或者一个区域准备出足够的最好的工程劳动者来满足需要，而又不会牺牲未来的可持续发展。目前的实践课程有可以达到100名电力电子基础本科课程的学生，除去做研究的学生外其中有60名学习先行课程的本科生的潜力。这个实验在深刻影响到了大量的电力电子学生，每年有大约100名马亚圭斯大学电力电子相关专业的学生。在马亚圭斯大学，MindssCREATE研究团队已经开始让电力电子和可再生能源专业的学生准备基于波多黎各地理情况的电力系统应用。为了获得理论知识，对这个领域感兴趣的ECE学生需要学习一系列的关于可再生能源和
32、电力电子的课程。图1描述了对应一下等级的ECE课程。每一门课程都是由电力电子和其在可再生能源方面的应用的易于理解的基础知识设计而成。实际动手课程的教育活动为了开创和波多黎各现实情况合适的课程，只是建立电力电子和可再生能源相关课程并不是足够的！rwwHcmMX 岬 4hM0H 0供 *ilReW4,图1PELS的本可再星籥源课程的选择CurrentDensity图2质子交换膜燃料电池的电特性与控制这就是这些课程的动手操作是吸引新学生和增强他们在这方面展开工程研究的基础的原因。从长远上考虑，这些措施都是推进研究生教育的基础。实际动手的教学活动与其它的教学活动，如理论教学、仿真教学、工程中的一些实际
33、问题相结合。一个学生的实际动手实验如下描述：1）质子交换膜燃料电池的电力特征在这个实验当中，学生会使用低功耗的质子交换膜燃料电池连接一个斩波器和一个可变电阻负载。学生们需要学会如何使用质子交换膜燃料电池、实际斩波器必要的部件、利用燃料电池模拟和建立控制功率和电流的拓扑结构。2）光伏组件的最大功率跟踪点的数学建模这个实验需要最优控制和PVM利用非线性原件模拟的特征的概念知识。在这项工作中，学生要学会如何阅读光伏的数据表，并且利用这些数据来描述出该太阳能电池板的特征。之后，我们利用之前我们开发出的一款软件来比较理论值与PVM实验得出的值相比较。最后，学生把PVM与升压斩波器相连接来得到PVM的最大
34、功率。3)Z源逆变器的拓扑结构与设计为了实现这个实验，学生需要了解例如三相系统、脉冲宽度调制、Z源、逆变器等概念。学生要用PSIMSABERMatIab等软件来设计这个逆变器。在电力电子实验室中，学生创建模型，这项工作包括选择拓扑结构，散热器，选择IGBT和变压器/感应器的构建工作。这些学生和波多黎各的预期未来预计当在这些学生将要结束学业生涯之时，他们将会在电力电子应用于可再生能源的拓扑结构，有关波多黎各地形的可再生能源的特征的知识，熟悉与能源有关的国家政策和有关机构的对于社会和经济的一些激励波多黎各大学生的规程有着广泛的了解。学习不同形式的可再生能源的优点在波多黎各热带气候中是非常突出的，因
35、为气候中有山地区域的不停的风能，一年四季的日照的情况，这些都只在单一的地方出现。最后，波多黎各在加勒比海的良好的地理位置、关于新能源的新技术的积极研究、工程教育的良好环境以及岛上有可能成为未来企业家的学生对于商业机会的兴趣，使这项计划被成功的执行。项目进展状况研究小组成功的利用在各种期刊和会议中的5份出版物使他们的工作得以散布开来。去年，已经有十二名本科生着手参与实际操作实验的研究。目前，我们正在集合各种与可再生能源相关工程方面的代表来鉴定具体的劳动技能水平。特别地，我们正在筹备召集一个咨询委员会来精炼和执行波多黎各国内工业和学术之间更为广泛的合作。这个委员会将会为这方面相关的组织提供建议、创新能力、筹资的资源以及至关重要的伙伴。感谢作者感谢马亚圭斯大学MindsaCREAT研究小组的数学建模和可再生资源控制相关人员的贡献。
