Максимално проследяване на Power Point за малки вятърни турбини: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

В интернет има много вятърни турбини „Направи си сам“, но много малко обясняват ясно резултата, който получават по отношение на мощност или енергия. Също така често има объркване между мощност, напрежение и ток. Много време хората казват: "Измерих това напрежение на генератора!" Приятно! Но това не означава, че можете да изтегляте ток и да имате мощност (Мощност = напрежение х ток). Има и много домашни контролери MPPT (Maximum Power Point Tracker) за слънчево приложение, но не толкова за вятърно приложение. Направих този проект, за да поправя тази ситуация.

Проектирах контролер за зареждане с ниска мощност (<1W) MPPT за 3.7V (единична клетка) литиево -йонни полимерни батерии. Започнах с нещо малко, защото бих искал да сравня различен дизайн на вятърни турбини с 3D печат и размерът на тези турбини не трябва да произвежда много повече от 1W. Крайната цел е да се достави самостоятелна станция или друга система извън мрежата.

За да тествам контролера, изградих инсталация с малък DC мотор, свързан със стъпков двигател (NEMA 17). Стъпковият двигател се използва като генератор, а постояннотоковият двигател ми позволява да симулирам вятъра, бутащ лопатките на турбината. В следващата стъпка ще обясня проблема и ще обобщя някои важни понятия, така че ако просто ви интересува, като направите дъската, преминете към стъпка 3.

Стъпка 1: Проблемът

Искаме да вземем кинетична енергия от вятъра, да я преобразуваме в електричество и да съхраняваме тази енергия в батерия. Проблемът е, че вятърът се колебае, така че и наличното количество енергия се колебае. Освен това напрежението на генератора зависи от неговата скорост, но напрежението на батерията е постоянно. Как можем да решим това?

Трябва да регулираме тока на генератора, защото токът е пропорционален на спирачния момент. Наистина има паралел между механичния свят (Mechanical power = Torque x Speed) и електрическия свят (Electrical power = Current x Tension) (ср. Графика). Подробностите за електрониката ще бъдат обсъдени по -късно.

Къде е максималната мощност? За дадена скорост на вятъра, ако оставим турбината да се върти свободно (без спирачен момент), нейната скорост ще бъде максимална (и напрежението също), но нямаме ток, така че мощността е нулева. От друга страна, ако максимизираме изтегления ток, има вероятност да спираме твърде много турбината и че оптималната аеродинамична скорост не е достигната. Между тези два екстремума има точка, в която произведението на въртящия момент от скоростта е максимално. Това е, което търсим!

Сега има различни подходи: Например, ако знаете всички уравнения и параметри, които описват системата, вероятно можете да изчислите най -добрия работен цикъл за определена скорост на вятъра и скоростта на турбината. Или, ако не знаете нищо, можете да кажете на контролера: Променете малко работния цикъл и след това изчислете мощността. Ако е по -голям, това означава, че сме се движили в добра посока, така че продължавайте в тази посока. Ако е по -ниско, просто преместете работния цикъл в обратната посока.

Стъпка 2: Решението

Първо трябва да коригираме изхода на генератора с диоден мост и след това да регулираме инжектирания ток в батерията с усилващ преобразувател. Други системи използват преобразувател на долар или долар, но тъй като имам турбина с ниска мощност, предполагам, че напрежението на батерията винаги е по -голямо от изхода на генератора. За да регулираме тока, трябва да променим работния цикъл (Ton / (Ton+Toff)) на усилващия преобразувател.

Частите от дясната страна на схемите показват усилвател (AD8603) с различен вход за измерване на напрежението върху R2. Резултатът се използва за извеждане на текущото натоварване.

Големите кондензатори, които виждаме на първото изображение, са експеримент: завъртях веригата си в удвоител на напрежение на Делон. Изводите са добри, така че ако е необходимо повече напрежение, просто добавете кондензатори, за да извършите трансформацията.

Стъпка 3: Инструменти и материали

Инструменти

• Arduino или AVR програмист
• Мултиметър
• Фрезова машина или химическо офорт (за прототипиране на печатни платки сами)
• Поялник, флюс, поялник
• Пинсети

Материал

• Бакелитова едностранна медна плоча (минимум 60*35 mm)
• Микроконтролер Attiny45
• Операционен усилвател AD8605
• Индуктор 100uF
• 1 диод Шотки CBM1100
• 8 диод Шотки BAT46
• Транзистори и кондензатори (размер 0603) (срв. BillOfMaterial.txt)

Стъпка 4: Създаване на печатни платки

Показвам ви моя метод за прототипиране, но разбира се, ако не можете да правите печатни платки у дома, можете да го поръчате в любимата си фабрика.

Използвах ProxxonMF70, преобразуван в CNC, и триъгълна мелница. За генериране на G-Code използвам плъгин за Eagle.

След това компонентите се запояват, като се започне с по -малкия.

Можете да забележите, че някои връзки липсват, тук правя скокове на ръка. Запоявам извити крака на резистора (срв. Изображение).

Стъпка 5: Програмиране на микроконтролер

Използвам Arduino (Adafruit pro-trinket и FTDI USB кабел) за програмиране на микроконтролера Attiny45. Изтеглете файловете на компютъра си, свържете щифтовете на контролера:

1. към щифт 11 на arduino
2. към щифт 12 на arduino
3. към щифт 13 на arduino (към контролер Vin (сензор за напрежение), когато не се програмира)
4. към щифт 10 на arduino
5. към щифт arduino 5V
6. към щифт G на arduino

След това заредете кода на контролера.

Стъпка 6: Настройка за тестване

Направих тази настройка (ср. Снимка), за да тествам моя контролер. Вече мога да избера скорост и да видя как реагира контролерът. Също така мога да преценя колко енергия се доставя, като умножа U и показах на екрана за захранване. Въпреки че двигателят не се държи точно като вятърна турбина, смятам, че това приближение не е толкова лошо. Всъщност, като вятърната турбина, когато счупите двигателя, той се забавя и когато го оставите да се върти свободно, достига максимална скорост. (кривата на въртящия момент е скоростна линия за постоянен двигател и нещо като парабола за вятърни турбини)

Изчислих редукционна скоростна кутия (16: 1), за да може малкият DC мотор да се върти с най -ефективната си скорост, а стъпковият двигател да се върти със средна скорост (200 об/мин) за вятърна турбина с ниска скорост на вятъра (3 m/s))

Стъпка 7: Резултати

За този експеримент (първа графика) използвах светодиод за захранване като товар. Той има напрежение от 2,6 волта. Тъй като напрежението се стабилизира около 2.6, измерих само тока.

1) Захранване при 5.6 V (синя линия на графиката 1)

• минимална скорост на генератора 132 об / мин
• максимална скорост на генератора 172 об / мин
• максимална мощност на генератора 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Захранване при 4 V (червена линия на графиката 1)

• минимална скорост на генератора 91 об / мин
• максимална скорост на генератора 102 об / мин
• максимална мощност на генератора 23mW (9 mA x 2.6V)

В последния експеримент (втора графика) мощността се изчислява директно от контролера. В този случай 3,7 V li-po батерия е използвана като товар.

максимална мощност на генератора 44mW

Стъпка 8: Дискусия

Първата графика дава представа за силата, която можем да очакваме от тази настройка.

Втората графика показва, че има някои локални максимуми. Това е проблем за регулатора, защото се забива в тези максимални стойности на местните жители. Нелинейността се дължи на прехода между продължаване и прекъсване на проводимостта на индуктора. Хубавото е, че това се случва винаги за един и същ работен цикъл (не зависи от скоростта на генератора). За да избегна забиването на контролера в локален максимум, просто ограничавам диапазона на работния цикъл до [0,45 0,8].

Втората графика показва максимум 0,044 вата. Тъй като товарът беше единична клетъчна литиево-батерийна батерия от 3,7 волта. Това означава, че зарядният ток е 12 mA. (I = P/U). При тази скорост мога да заредя 500mAh за 42 часа или да го използвам за стартиране на вграден микроконтролер (например Attiny за MPPT контролера). Дано вятърът да духа по -силно.

Също така има някои проблеми, които забелязах с тази настройка:

• Пренапрежението на батерията не се контролира (в батерията има защитна верига)
• Стъпковият двигател има шумен изход, така че трябва да усредня измерването за дълъг период от 0,6 сек.

Накрая реших да направя още един експеримент с BLDC. Тъй като BLDC имат друга топология, трябваше да проектирам нова платка. Резултатите, получени в първата графика, ще бъдат използвани за сравняване на двата генератора, но скоро ще обясня всичко в други инструкции.