1.5 MW失速型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)

程君妮

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

1.5 MW失速型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

只有在風(fēng)速大于或等于切入速度的情況下，大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。為提高風(fēng)能利用率，提出了一種在風(fēng)速較低時(shí)提高大容量失速風(fēng)力機(jī)發(fā)電量的系統(tǒng)。介紹了該風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)風(fēng)光組合發(fā)電系統(tǒng)的不同，分析了該風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)過程中所需考慮的關(guān)鍵問題，提出了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案，包括輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和齒輪組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，估算了所設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的年發(fā)電量，并與相同功率等級(jí)的失速型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在低于平均風(fēng)速條件下，與同功率等級(jí)的風(fēng)力機(jī)相比，年發(fā)電量有了明顯的提高。

風(fēng)力發(fā)電 大容量失速型風(fēng)力機(jī) 太陽能 風(fēng)能 新能源 光伏電場(chǎng) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 安全強(qiáng)度

0 引言

為獲取更多的風(fēng)能以提高風(fēng)力機(jī)整體的發(fā)電量，風(fēng)力場(chǎng)的工作人員通常采用增加塔的高度或是加長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度的方法，但由此會(huì)帶來建造風(fēng)力機(jī)成本不斷提高以及葉片自身質(zhì)量不斷增加的問題[1-2]。對(duì)于大容量失速型風(fēng)力機(jī)，目前國(guó)內(nèi)缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，大多數(shù)風(fēng)機(jī)的供給仍然依靠進(jìn)口。只有在風(fēng)速大于或等于切入速度條件下，大容量風(fēng)力機(jī)的靜止風(fēng)輪才會(huì)運(yùn)行。也就是說，當(dāng)風(fēng)的來流速度低于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的切入速度時(shí)，風(fēng)輪不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也就不能充分有效地利用低速條件下的風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速大于切入速度且小于風(fēng)機(jī)塔高一定時(shí)所對(duì)應(yīng)風(fēng)的平均速度，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)隨風(fēng)速增大而增大，發(fā)電量也越來越多，但發(fā)電量始終達(dá)不到最大且不穩(wěn)定。

本文提出了1.5 MW失速型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)方案，旨在確保風(fēng)速小于平均風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪能保持較高速且恒定的旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到發(fā)電量多且恒定的目的。首先，介紹了該風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)風(fēng)光組合發(fā)電系統(tǒng)的不同，并分析了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)過程中所需考慮的關(guān)鍵問題；其次，介紹了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案，包括輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和齒輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后，分析了所設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

1 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)

目前的風(fēng)光組合發(fā)電系統(tǒng)是把光伏和風(fēng)能各自產(chǎn)生的電能統(tǒng)一納入控制器，再經(jīng)過逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，最后并入電網(wǎng)中[3]。這種組合方式的好處在于能夠?qū)L(fēng)能和太陽能兩種能源互補(bǔ)利用，較好地解決了能源間歇性問題。

但這種結(jié)構(gòu)也有不足之處，對(duì)于風(fēng)力場(chǎng)而言，只有在滿足風(fēng)速不小于使風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)的切入速度時(shí)，風(fēng)力場(chǎng)才會(huì)發(fā)電，因此，低速條件下的風(fēng)能沒有得到充分利用；再加上太陽能和風(fēng)能隨氣候、季節(jié)變化顯著，如何保證風(fēng)力場(chǎng)和光伏電場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電也是一個(gè)問題[4]。

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光組合發(fā)電裝置如圖1所示。太陽能電池板位于地面，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正下方，采用固定光伏發(fā)電方式和高效多晶硅(JC305M-24/Abv)組件。電池板朝向太陽光的入射方向，由電池板產(chǎn)生的電流進(jìn)入充放電控制器中。控制器控制電流給蓄電池充放電保護(hù)，由控制器流出一部分電流進(jìn)入換能器中，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電通入電動(dòng)機(jī)中。電動(dòng)機(jī)開始工作，帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起齒輪2～7的連動(dòng)，齒輪7與機(jī)轂內(nèi)層齒輪8銜接，最后帶動(dòng)輪轂和風(fēng)葉整體轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 風(fēng)光組合發(fā)電裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the wind-PV combined unit

將光伏產(chǎn)生的電能接入電動(dòng)機(jī)，只要風(fēng)速低于平均風(fēng)速，不管風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止，都由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)輪始終以較高速恒定地轉(zhuǎn)動(dòng)。由此，相當(dāng)于增大了風(fēng)的來流速度。當(dāng)風(fēng)速大于平均風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)僅依靠自然風(fēng)能運(yùn)行，光伏產(chǎn)生的電能存入蓄電池以備下次為電動(dòng)機(jī)持續(xù)供電。這樣可以使得風(fēng)輪始終較高速地旋轉(zhuǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)最大程度的發(fā)電，解決了風(fēng)力場(chǎng)間斷發(fā)電的問題。

2 風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，太陽能電池板的面積和齒輪齒數(shù)N等參數(shù)都會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)η產(chǎn)生很大的影響。為了得到風(fēng)力機(jī)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，在1.5 MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，分析了這些參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化[5]。

2.1 太陽能電池板大小

在光照強(qiáng)度一定的條件下，光伏電池板的大小決定了產(chǎn)生電能的多少，也就決定了電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的大小。電池板面積與風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)的關(guān)系圖如圖2所示。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)電池板的面積越來越大時(shí)，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)也越來越大。其原因在于電池板面積越大，轉(zhuǎn)化的電能越多，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地增大，由此帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的也越快，使風(fēng)力機(jī)輸出的功率越大。通過式(4)可知，功率系數(shù)隨輸出功率的增大而增大。當(dāng)電池板面積增大到18.4 m2后，隨著其不斷地增大，功率系數(shù)η的變化不大。其原因在于雖然電池板不斷地增大，轉(zhuǎn)化的電能增多，但電動(dòng)機(jī)已達(dá)到最大輸出功率和最大額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)輸出的功率基本不會(huì)再隨輸入電流的增大而變化，由此帶動(dòng)的風(fēng)輪也不會(huì)再持續(xù)加快。

圖2 電池板面積與風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的關(guān)系圖

Fig.2 The relationship between panel size and the maximum power coefficient of wind turbine

2.2 齒輪齒數(shù)

在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速比等于齒輪齒數(shù)的反比。光伏發(fā)電系統(tǒng)確定之后，齒輪組中彼此銜接齒輪齒數(shù)的不同，會(huì)造成整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)最終的轉(zhuǎn)速也不同。

假定輪轂內(nèi)層的齒數(shù)為N8，由于與風(fēng)輪同步旋轉(zhuǎn)，二者的轉(zhuǎn)速同為n8; 齒輪7的齒數(shù)為N7，轉(zhuǎn)速為n7。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速比等于齒數(shù)的反比，即：

(1)

由此計(jì)算出齒輪7的轉(zhuǎn)速。以此類推，求出齒輪8的轉(zhuǎn)速為：

(2)

式中：N1、N2、…、N8為齒輪1～8的齒數(shù)。

葉尖速比為：

(3)

式中:v1為風(fēng)的來流速度;R為葉輪的半徑。

功率系數(shù)為：

(4)

式中:P為風(fēng)輪輸出功率;ρ為空氣密度;S為風(fēng)輪掃過的面積。

3 1.5 MW失速型風(fēng)力機(jī)優(yōu)化方案

3.1 風(fēng)力機(jī)整體參數(shù)方案

經(jīng)過對(duì)1.5 MW失速型風(fēng)力機(jī)光伏電池板大小、齒輪組合齒數(shù)等參數(shù)的優(yōu)化，得到該風(fēng)力機(jī)的最終設(shè)計(jì)方案。

失速型風(fēng)力機(jī)的額定功率為1.5 MW,輸出功率系數(shù)最大處轉(zhuǎn)速為12 r/min，掃過的面積為3 904 m2,切入速度為3 m/s,切出速度為25 m/s。在風(fēng)力塔高70 m處，年平均風(fēng)速為8 m/s。該風(fēng)力機(jī)采用變槳距與雙饋感應(yīng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.2 輪轂的設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)機(jī)轂分為內(nèi)外兩層。外層有機(jī)頭部分和后面的厚直壁空心圓柱；內(nèi)層整體呈圓柱狀，圓柱內(nèi)部存在類似圓錐狀空心，空心部分對(duì)應(yīng)葉輪軸和低速轉(zhuǎn)桿相接缺失的部分，二者契合相接，形成實(shí)心圓柱。外層機(jī)頭部分與以往風(fēng)力機(jī)機(jī)轂構(gòu)造一致，葉片插入機(jī)轂中連接低速轉(zhuǎn)桿，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)低速桿轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。輪轂構(gòu)造的外層空心直圓柱外壁較厚，沒有實(shí)心部分，與機(jī)轂內(nèi)層分離，主視圖內(nèi)層外表面與外層空心直圓柱內(nèi)表面都有螺紋，像螺絲中的螺紋一樣排列前進(jìn)。內(nèi)層中心有一小圓孔，允許低速桿通過并連接機(jī)轂外層。在機(jī)轂內(nèi)層中，繞低速桿通過的部分邊沿做一圈圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)部做成齒輪狀，齒輪8與齒輪7銜接。

3.3 齒輪組的設(shè)計(jì)

由齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)引起齒輪2～7的聯(lián)動(dòng)。其中，齒輪1與2、5與6做成錐形齒輪組合。電機(jī)上方有一圓盤，圓盤中有一塊缺失的部分空洞，呈圓柱體，其主要作用是固定通過缺口的直桿。直桿連接齒輪4和5，塔內(nèi)齒輪組合示意圖如圖3所示。

齒輪的組合關(guān)系影響到電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪轂風(fēng)葉轉(zhuǎn)速的大小，特別是齒輪之間的齒數(shù)比例，會(huì)直接影響到風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速。此外，齒輪的尺寸也受到風(fēng)力機(jī)塔內(nèi)部直徑的限制，應(yīng)該確保將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)最大化，并且也要使齒輪組具有一定的安全裕度。通過以上分析，在設(shè)計(jì)中對(duì)齒輪齒數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化如下。給定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1和齒輪1、2的齒數(shù)，由齒輪組合關(guān)系得到齒輪2的轉(zhuǎn)速n2。齒輪2和齒輪3相互銜接，有n2=n3。確定齒輪3、4的齒數(shù)，得到齒輪4的轉(zhuǎn)速n4。結(jié)合圖3齒輪組合示意圖，以此類推，可以得到齒輪8的轉(zhuǎn)速n8。其中，n4、n5、n6和n7分別為齒輪4、5、6、7的轉(zhuǎn)速。根據(jù)給定葉輪半徑R和葉尖速比λ，結(jié)合式(3)求出風(fēng)的來流速度v1；利用風(fēng)速v1和風(fēng)機(jī)輸出功率P對(duì)應(yīng)關(guān)系手冊(cè)，查得P。由已知空氣密度ρ和風(fēng)機(jī)輸出功率P，結(jié)合式(4)，得到風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)η。最后判斷η是否達(dá)到設(shè)定值。

圖3 塔內(nèi)齒輪組合示意圖

Fig.3 Gear assembly inside tower

4 1.5 MW風(fēng)力機(jī)發(fā)電量估計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 發(fā)電量估算

以榆林某風(fēng)力場(chǎng)和光伏電場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)作為參考，進(jìn)行組合裝置年發(fā)電量的計(jì)算。

風(fēng)力機(jī)給出的幾種風(fēng)速下風(fēng)機(jī)功率的輸出值和計(jì)算出功率系數(shù)值如圖4所示?？諝饷芏圈?1.079 1 kg/m3，掃過的面積為3 904 m2。

圖4 風(fēng)力機(jī)功率與功率系數(shù)分布圖

Fig.4 Distribution of wind turbine power and power coefficient

從圖4可以看出，風(fēng)速在不斷增大，對(duì)應(yīng)風(fēng)輪的輸出功率則不斷增加直至最大。但功率系數(shù)呈上升-平穩(wěn)-下降的走勢(shì)；在風(fēng)速為9 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)最大，即風(fēng)能利用率最大。

WTG-1500A風(fēng)輪的半徑為25 m，由葉尖速比λ可求出在風(fēng)速9 m/s時(shí)相應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為12 m/min。通過對(duì)齒輪相互銜接轉(zhuǎn)速擬合計(jì)算，得出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該維持在1 120 r/s左右。選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)的同時(shí)應(yīng)考慮機(jī)械之間的摩擦損耗，最后選定Y90S-4型電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 400 r/s，額定功率和額定電流為1.1 kW和2.75 A。

結(jié)合榆林市氣象局公布的某年月均太陽輻射量[7]和日夜風(fēng)速的變化，冬季12月的輻射量最小，換算成日照平均輻射量大約為4.789 kW·h/(m2·d)。為使電池板面積最大，則4月的日照時(shí)間最長(zhǎng)為287.1 h[8]，換算成每天平均日照小時(shí)數(shù)為9.75 h。光伏電池板的面積A的計(jì)算如式(5)所示[9]：

(5)

式中:Q為日用電量，由葉片自身轉(zhuǎn)速的大小決定；η1為電池板的效率，η2為逆變器效率，η3為蓄電池充放電效率，η1、η2和η3由器材自身性能決定；H為太陽光輻射量。為使電池板轉(zhuǎn)化的電能滿足電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作需要的電能，H應(yīng)取一年中太陽輻射量的最小值；Q取日用電量的最大值。根據(jù)光伏電場(chǎng)提供組件的參數(shù)，η1取0.15；η2、η3均為0.9。由式(5)可知，太陽能電池板的面積A為18.4 m2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)基本接近最大。因此，綜合以上考慮，光伏電池板的面積為18.4 m2。

威布爾函數(shù)f(v)描述的是某個(gè)地方不同風(fēng)速出現(xiàn)的概率。由風(fēng)速v的威布爾分布概率密度函數(shù)[10]為：

(6)

可知風(fēng)頻的分布值，其中k為形狀參數(shù)，k=1.441;c為尺度因子，為8.62 m/s。再由風(fēng)場(chǎng)提供的風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)，求解出該風(fēng)機(jī)的功率特性表達(dá)式P，其中x代表不同風(fēng)速，則風(fēng)機(jī)的平均功率表達(dá)為：

(7)

風(fēng)輪以恒定角速度w旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的單臺(tái)風(fēng)機(jī)一年理論發(fā)電量[10]為：

(8)

式中：90%為風(fēng)機(jī)廠商的功率曲線保證值；h為一年中風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，h。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的功率P為關(guān)于風(fēng)速的函數(shù)P=P(x)，對(duì)應(yīng)的平均功率[10]為：

(9)

進(jìn)而求解出年發(fā)電量Q1，將Q與Q1進(jìn)行比較，對(duì)比出年發(fā)電量的不同。

利用式(7)，可得平均功率被積函數(shù)與風(fēng)速關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 平均功率被積函數(shù)與風(fēng)速關(guān)系圖

Fig.5 The relationship between the average power integrand and the wind speed

從圖5可以看到，當(dāng)風(fēng)速低于平均風(fēng)速時(shí)，平均功率被積函數(shù)隨風(fēng)速的增大而增大。由定積分的定義可知，曲線與x軸在區(qū)間0～8所圍成的面積S1為風(fēng)葉利用自然風(fēng)能產(chǎn)生的平均功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪始終保持以11 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的平均功率被積函數(shù)為定值，則相應(yīng)產(chǎn)生的平均功率為矩形面積S1與S3之和，S3為裝置輸出盈余平均功率。通過數(shù)學(xué)軟件Maple并結(jié)合式(8)，可計(jì)算出該裝置產(chǎn)生的年盈余電量為1 949 460.912 kW·h。

通過上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)的來流速度小于平均風(fēng)速時(shí)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)1.5 MW風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在恒速條件下旋轉(zhuǎn)，年理論發(fā)電量比在相同條件下的常規(guī)風(fēng)力機(jī)增加了1 949 460.912 kW·h。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

4.2.1 發(fā)電效益

由上述計(jì)算可知，當(dāng)風(fēng)速低于平均風(fēng)速時(shí)，該風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量與常規(guī)風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量相比有盈余。目前，榆林市榆陽區(qū)在用電峰段時(shí)，電價(jià)為0.558元/(kW·h);用電谷段時(shí)，電價(jià)0.458元/(kW·h)。則在該風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，盈余電量為風(fēng)力場(chǎng)每年至少實(shí)現(xiàn)多余發(fā)電收益892 853.097 7元。

4.2.2 節(jié)約能源

以國(guó)家能源局公布的最新6 000 kW及以上供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率326 g/(kW·h)[11]計(jì)算，該能源系統(tǒng)多出的盈余電量每年可減少燃燒635.524 t的標(biāo)準(zhǔn)煤。

5 結(jié)束語

通過將太陽能裝置與風(fēng)力發(fā)電裝置組合，不僅使風(fēng)力機(jī)相對(duì)于變化的風(fēng)能，能夠更為穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)和供電，解決了由于風(fēng)能資源不穩(wěn)定而帶來發(fā)電量的不穩(wěn)定問題；而且在無風(fēng)或風(fēng)速較小的情況下，太陽能發(fā)電帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，迫使葉片旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于增大了風(fēng)的來流速度。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，太陽能給蓄電池充電，風(fēng)力機(jī)利用自然風(fēng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)電，充分實(shí)現(xiàn)了新能源的綜合利用。

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Design on the 1.5 MW Stall-controlled Wind Turbine

The rotation of wind wheel of large capacity wind turbine only occurs when wind speed is greater than or equals to the cut-in speed.In order to improve the utilization of wind energy,the system which can enhance the generating capacity of large capacity stall-controlled wind turbine under lower wind speed is proposed.The differences between this wind turbine system and traditional wind-PV combined power generating system are introduced,the key points shall be considered in design procedures of the wind turbine are analyzed and the design scheme of the wind turbine is proposed,including wheel hub structure design and gear composite structure design; the annual generating capacity of the wind turbine designed is estimated,and compared with the same power level stall-controlled wind turbines.The results show that under the condition of lower average wind speed,the annual generating capacity of the wind turbine designed has signifiant improvement more than other wind turbines of the same power level.

Wind power generation Large capacity stall-controlled wind turbine Solar energy Wind energy New energy resources Photovoltaic electric field Optimal design Safety margin

陜西省榆林科學(xué)技術(shù)局產(chǎn)學(xué)研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2015cxy-22)。

TH122;TP203

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612018

修改稿收到日期：2016-06-20。

作者程君妮(1982—)，女，2007年畢業(yè)于榆林學(xué)院物理學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，講師；主要從事風(fēng)力發(fā)電與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高等實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的研究。