Sledovač maximálneho výkonu pre malé veterné turbíny: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Na internete je veľa DIY veterných turbín, ale len málo z nich jasne vysvetľuje výsledok, ktorý získavajú z hľadiska výkonu alebo energie. Tiež často dochádza k zámene medzi silou, napätím a prúdom. Veľa času ľudia hovoria: „Toto napätie som meral na generátore!“Pekný! To však neznamená, že môžete čerpať prúd a mať energiu (Výkon = napätie x prúd). Existuje aj veľa domácich regulátorov MPPT (Maximum Power Point Tracker) na solárne aplikácie, ale nie tak na veterné aplikácie. Urobil som tento projekt, aby som túto situáciu napravil.

Navrhol som regulátor nabíjania MPPT s nízkym výkonom (<1 W) pre lítium -iónové polymérové batérie 3,7 V (s jedným článkom). Začal som niečím malým, pretože by som chcel porovnať rôzne 3D tlačené konštrukcie veterných turbín a veľkosť týchto turbín by nemala produkovať oveľa viac ako 1W. Konečným cieľom je dodať samostatnú stanicu alebo akýkoľvek systém mimo siete.

Na testovanie regulátora som postavil zostavu s malým jednosmerným motorom spojeným s krokovým motorom (NEMA 17). Krokový motor sa používa ako generátor a jednosmerný motor mi umožňuje simulovať vietor tlačiaci lopatky turbíny. V nasledujúcom kroku vysvetlím problém a zhrniem niekoľko dôležitých pojmov, takže ak vás zaujíma len vytvorenie tabule, prejdite na krok 3.

Krok 1: Problém

Chceme zobrať kinetickú energiu z vetra, premeniť ju na elektrickú energiu a elektrickú energiu uložiť do batérie. Problém je v tom, že vietor kolíše, takže kolíše aj dostupné množstvo energie. Napätie generátora navyše závisí od jeho rýchlosti, ale napätie batérie je konštantné. Ako to môžeme vyriešiť?

Potrebujeme regulovať prúd generátora, pretože prúd je úmerný brzdnému momentu. Skutočne existuje paralela medzi mechanickým svetom (mechanický výkon = krútiaci moment x rýchlosť) a elektrickým svetom (elektrický výkon = prúd x napätie) (porovnaj graf). Podrobnosti o elektronike budú prediskutované neskôr.

Kde je maximálny výkon? Ak pri danej rýchlosti vetra necháme turbínu voľne sa otáčať (bez brzdného momentu), jej rýchlosť bude maximálna (a napätie tiež), ale nemáme prúd, takže výkon je nulový. Na druhej strane, ak maximalizujeme odoberaný prúd, je pravdepodobné, že príliš zabrzdíme turbínu a nedosiahneme optimálnu aerodynamickú rýchlosť. Medzi týmito dvoma extrémami je bod, v ktorom je súčin krútiaceho momentu pri otáčkach maximálny. To je to, čo hľadáme!

Teraz existujú rôzne prístupy: Ak napríklad poznáte všetky rovnice a parametre, ktoré popisujú systém, pravdepodobne môžete vypočítať najlepší pracovný cyklus pre určitú rýchlosť vetra a rýchlosť turbíny. Alebo, ak nič neviete, môžete regulátoru povedať: Trochu zmeňte pracovný cyklus a potom vypočítajte výkon. Ak je väčšia, znamená to, že sme sa pohli dobrým smerom, takže pokračujte týmto smerom. Ak je nižšia, posuňte pracovný cyklus v opačnom smere.

Krok 2: Riešenie

Najprv musíme usmerniť výstup generátora diódovým mostíkom a potom regulovať vstrekovaný prúd do batérie posilňovacím prevodníkom. Iné systémy používajú prevodník buck alebo buck boost, ale keďže mám turbínu s nízkym výkonom, predpokladám, že napätie batérie je vždy väčšie ako výkon generátora. Na reguláciu prúdu musíme zmeniť pracovný cyklus (tona / (tony+toff)) zosilňovača.

Časti na pravej strane schémy znázorňujú zosilňovač (AD8603) s rozdielovým vstupom na meranie napätia na R2. Výsledok sa použije na odvodenie aktuálneho zaťaženia.

Veľké kondenzátory, ktoré vidíme na prvom obrázku, sú experimentom: Otočil som svoj obvod v zdvojovači napätia Delon. Závery sú dobré, takže ak je potrebné väčšie napätie, na transformáciu stačí pridať kondenzátory.

Krok 3: Nástroje a materiál

Nástroje

• Programátor Arduino alebo AVR
• Multimeter
• Frézka alebo chemické leptanie (na prototypovanie DPS sami)
• Spájkovačka, tavidlo, spájkovací drôt
• Pinzeta

Materiál

• Jednostranný bakelitový medený plech (minimálne 60 x 35 mm)
• Mikrokontrolér Attiny45
• Operačný zosilňovač AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottkyho dióda CBM1100
• 8 Schottkyho dióda BAT46
• Tranzistory a kondenzátory (veľkosť 0603) (porovnaj BillOfMaterial.txt)

Krok 4: Výroba DPS

Ukážem vám svoju metódu prototypovania, ale samozrejme, ak si nemôžete vyrobiť DPS doma, môžete si ju objednať do svojej obľúbenej továrne.

Použil som ProxxonMF70 prerobený na CNC a trojuholníkovú stopkovú frézu. Na generovanie kódu G používam doplnok pre Eagle.

Potom sa komponenty spájkujú, začínajúc od menšieho.

Môžete pozorovať, že niektoré spoje chýbajú, tu robím skoky ručne. Spájkujem zakrivené odporové nohy (porovnaj obrázok).

Krok 5: Programovanie mikrokontroléra

Na programovanie mikrokontroléra Attiny45 používam Arduino (pro-trinket Adafruit a USB kábel FTDI). Stiahnite si súbory do počítača, pripojte kolíky ovládača:

1. na arduino pin 11
2. na kolík arduino 12
3. na pin Arduino 13 (na ovládač Vin (snímač napätia), keď neprogramujete)
4. na arduino pin 10
5. na arduino pin 5V
6. na arduino pin G

Potom načítajte kód do ovládača.

Krok 6: Nastavenie testovania

Toto nastavenie (porovnaj obrázok) som vykonal na otestovanie svojho ovládača. Teraz môžem zvoliť rýchlosť a zistiť, ako regulátor reaguje. Tiež môžem odhadnúť, koľko energie je dodané, vynásobením U a som ukázal na obrazovke napájania. Napriek tomu, že sa motor nechová úplne ako veterná turbína, domnievam sa, že táto aproximácia nie je taká zlá. Skutočne, ako veterná turbína, keď rozbijete motor, spomalí a keď ho necháte voľne otáčať, dosiahne maximálnu rýchlosť. (krivka krútiaceho momentu a otáčok je priamkou pre jednosmerný motor a akousi parabolou pre veterné turbíny)

Vypočítal som redukčnú prevodovku (16: 1), aby sa malý jednosmerný motor otáčal najefektívnejšou rýchlosťou a krokový motor sa otáčal priemernou rýchlosťou (200 ot/min) pre veternú turbínu s nízkou rýchlosťou vetra (3 m/s)

Krok 7: Výsledky

Na tento experiment (prvý graf) som ako záťaž použil výkonovú LED diódu. Má predné napätie 2,6 voltu. Keďže je napätie stabilizované okolo 2,6, zmeral som iba prúd.

1) Napájanie 5,6 V (modrá čiara na grafe 1)

• min. otáčky generátora 132 ot./min
• generátor, maximálna rýchlosť 172 ot./min
• maximálny výkon generátora 67 mW (26 mA x 2,6 V)

2) Napájanie 4 V (červená čiara na grafe 1)

• min. rýchlosť generátora 91 ot / min
• maximálna rýchlosť generátora 102 ot./min
• maximálny výkon generátora 23 mW (9 mA x 2,6 V)

V poslednom experimente (druhý graf) je výkon priamo vypočítaný regulátorom. V tomto prípade bola ako záťaž použitá batéria 3,7 V li-po.

maximálny výkon generátora 44 mW

Krok 8: Diskusia

Prvý graf poskytuje predstavu o sile, ktorú môžeme od tohto nastavenia očakávať.

Druhý graf ukazuje, že existujú určité lokálne maximá. To je pre regulátor problém, pretože sa zasekáva v týchto miestnych maximách. Nelineárnosť je spôsobená prechodom medzi pokračovaním a prerušením vedenia induktora. Dobrá vec je, že sa to deje vždy pre rovnaký pracovný cyklus (nezávisí to od rýchlosti generátora). Aby sa zabránilo uviaznutiu regulátora v lokálnom maxime, jednoducho obmedzím rozsah pracovného cyklu na [0,45 0,8].

Druhý graf zobrazuje maximálne 0,044 wattu. Keďže záťažou bola jednobunková li-po batéria 3,7 voltu. To znamená, že nabíjací prúd je 12 mA. (I = P/U). Pri tejto rýchlosti môžem nabiť 500mAh za 42 hodín alebo použiť na spustenie vstavaného mikrokontroléra (napríklad Attiny pre ovládač MPPT). Dúfam, že bude fúkať silnejší vietor.

Pri tomto nastavení som si tiež všimol niekoľko problémov:

• Prepätie batérie nie je kontrolované (v batérii je ochranný obvod)
• Krokový motor má hlučný výstup, takže potrebujem priemerovať meranie počas dlhého obdobia 0,6 s.

Nakoniec som sa rozhodol urobiť ďalší experiment s BLDC. Pretože BLDC majú inú topológiu, musel som navrhnúť novú dosku. Výsledky získané v prvom grafe budú použité na porovnanie dvoch generátorov, ale všetko čoskoro vysvetlím v ďalších pokynoch.