Maksimalni Power Point Tracker za male vjetroturbine: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Na internetu postoji mnogo DIY vjetroturbina, ali vrlo malo njih jasno objašnjava rezultat koji dobivaju u smislu snage ili energije. Često dolazi i do zabune između snage, napetosti i struje. Puno vremena ljudi govore: "Izmjerio sam ovu napetost na generatoru!" Nice! Ali to ne znači da možete crpiti struju i imati snagu (Snaga = napetost x struja). Postoji i mnogo domaćih MPPT (Maximum Power Point Tracker) kontrolera za solarnu primjenu, ali ne toliko za primjenu vjetra. Napravio sam ovaj projekat kako bih popravio ovu situaciju.

Dizajnirao sam MPPT regulator punjenja male snage (<1W) za litij -ionske polimerne baterije od 3,7 V (jednoćelije). Počeo sam s nečim malim jer bih želio usporediti različite dizajne vjetroturbina s 3D printom, a veličina ovih turbina ne bi trebala proizvoditi mnogo više od 1W. Konačni cilj je opskrba samostalne stanice ili bilo kojeg van mreže.

Za testiranje kontrolera izgradio sam postavku s malim istosmjernim motorom spojenim sa koračnim motorom (NEMA 17). Koračni motor se koristi kao generator, a istosmjerni motor mi omogućava da simuliram vjetar koji gura lopatice turbine. U sljedećem koraku objasnit ću problem i sažeti neke važne koncepte pa ako vas samo zanima izrada ploče, prijeđite na korak 3.

Korak 1: Problem

Želimo uzeti kinetičku energiju od vjetra, pretvoriti je u električnu energiju i tu električnu energiju pohraniti u bateriju. Problem je u tome što vjetar fluktuira pa i raspoloživa količina energije varira. Osim toga, napetost generatora ovisi o njegovoj brzini, ali napetost baterije je konstantna. Kako to možemo riješiti?

Moramo regulirati struju generatora jer je struja proporcionalna kočionom momentu. Zaista, postoji paralela između mehaničkog svijeta (Mehanička snaga = Zakretni moment x Brzina) i električnog svijeta (Električna snaga = Struja x Napetost) (usp. Grafikon). O detaljima o elektronici bit će riječi kasnije.

Gdje je najveća snaga? Za datu brzinu vjetra, ako pustimo turbinu da se slobodno okreće (bez kočionog momenta), njezina će brzina biti maksimalna (a napon također), ali nemamo struju pa je snaga nula. S druge strane, ako povećamo izvučenu struju, vjerovatno je da previše kočimo turbinu i da se ne postiže optimalna aerodinamička brzina. Između ova dva ekstrema postoji točka u kojoj je umnožak zakretnog momenta na brzinu najveći. Ovo je ono što tražimo!

Sada postoje različiti pristupi: Na primjer, ako znate sve jednadžbe i parametre koji opisuju sistem, vjerojatno možete izračunati najbolji radni ciklus za određenu brzinu vjetra i brzinu turbine. Ili, ako ništa ne znate, možete reći kontroleru: Promijenite malo radni ciklus, a zatim izračunajte snagu. Ako je veći, to znači da smo krenuli u dobrom smjeru, pa nastavite u tom smjeru. Ako je niža, samo pomaknite radni ciklus u suprotnom smjeru.

Korak 2: Rješenje

Prvo moramo ispraviti izlaz generatora s diodnim mostom, a zatim regulirati ubrizganu struju u bateriji s pretvaračem za povećanje snage. Ostali sustavi koriste pretvarač u povećanju vrijednosti, ali budući da imam turbinu male snage, pretpostavljam da je napon baterije uvijek veći od izlaza generatora. Za regulaciju struje moramo promijeniti radni ciklus (Ton / (Ton+Toff)) pretvarača za pojačavanje.

Dijelovi s desne strane sheme prikazuju pojačalo (AD8603) s ulazom za mjerenje napetosti na R2. Rezultat se koristi za zaključivanje trenutnog opterećenja.

Veliki kondenzatori koje vidimo na prvoj slici su eksperiment: pretvorio sam svoj krug u Delonov udvostručivač napona. Zaključci su dobri pa ako je potrebno više napona, samo dodajte kondenzatore kako biste izvršili transformaciju.

Korak 3: Alati i materijal

Alati

• Arduino ili AVR programer
• Multimetar
• Glodalica ili hemijsko jetkanje (za izradu prototipa na PCB -u sami)
• Lemilica, fluks, žica za lemljenje
• Pinceta

Materijal

• Bakelit jednostrana bakrena ploča (najmanje 60*35 mm)
• Mikrokontroler Attiny45
• Operativno pojačalo AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky dioda CBM1100
• 8 Schottkyjeva dioda BAT46
• Tranzistori i kondenzatori (veličina 0603) (usp. BillOfMaterial.txt)

Korak 4: Izrada PCB -a

Pokazaću vam svoju metodu za izradu prototipova, ali naravno ako ne možete napraviti PCB -ove kod kuće, možete ih naručiti u svojoj omiljenoj tvornici.

Koristio sam ProxxonMF70 pretvoren u CNC i trokutastu glodalicu. Za generiranje G-koda koristim dodatak za Eagle.

Zatim se komponente leme počevši od manjih.

Možete primijetiti da neke veze nedostaju, ovdje ručno skačem. Lemio sam zakrivljene otporničke noge (slika).

Korak 5: Programiranje mikrokontrolera

Koristim Arduino (Adafruit pro-trinket i FTDI USB kabel) za programiranje Attiny45 mikrokontrolera. Preuzmite datoteke na svoj računar, povežite pinove kontrolera:

1. na arduino pin 11
2. na arduino pin 12
3. na arduino pin 13 (na kontroler Vin (senzor napona) kada se ne programira)
4. na arduino pin 10
5. na arduino pin 5V
6. na arduino pin G

Zatim učitajte kôd na kontroler.

Korak 6: Postavljanje testiranja

Napravio sam ovo podešavanje (uporedi sliku) kako bih testirao svoj kontroler. Sada mogu odabrati brzinu i vidjeti kako regulator reagira. Također mogu procijeniti koliko se energije isporučuje množenjem U i prikazao sam na ekranu za napajanje. Iako se motor ne ponaša baš poput vjetroturbine, smatram da ovo približavanje nije tako loše. Zaista, kao vjetroturbina, kada pokvarite motor, on se usporava, a kad mu dopustite da se slobodno okreće, postiže maksimalnu brzinu. (krivulja obrtnog momenta je brzinska linija za istosmjerni motor i neka vrsta parabole za vjetroturbine)

Izračunao sam redukcijski mjenjač (16: 1) kako bi se mali istosmjerni motor okretao najefikasnijom brzinom, a koračni motor prosječnom brzinom (200 o/min) za vjetroagregate s malom brzinom vjetra (3 m/s)))

Korak 7: Rezultati

Za ovaj eksperiment (prvi grafikon) koristio sam LED za napajanje kao opterećenje. Ima prednji napon od 2,6 volti. Kako se napetost stabilizirala oko 2,6, mjerio sam samo struju.

1) Napajanje na 5,6 V (plava linija na grafikonu 1)

• minimalna brzina generatora 132 o / min
• maksimalna brzina generatora 172 o / min
• maksimalna snaga generatora 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Napajanje na 4 V (crvena linija na grafikonu 1)

• minimalna brzina generatora 91 o / min
• maksimalna brzina generatora 102 o / min
• maksimalna snaga generatora 23mW (9 mA x 2.6V)

U posljednjem eksperimentu (drugi grafikon), snagu direktno izračunava kontroler. U ovom slučaju 3,7 V li-po baterija je korištena kao opterećenje.

maksimalna snaga generatora 44mW

Korak 8: Diskusija

Prvi grafikon daje ideju o snazi koju možemo očekivati od ovog postavljanja.

Drugi grafikon pokazuje da postoje neki lokalni maksimumi. Ovo predstavlja problem za regulator jer se zaglavi u ovim lokalnim maksimumima. Nelinearnost je posljedica prijelaza između nastavka i prekida induktivne provodljivosti. Dobra stvar je što se to događa uvijek za isti radni ciklus (ne ovisi o brzini generatora). Kako bih izbjegao zaglavljivanje kontrolera u lokalnom maksimumu, jednostavno ograničavam raspon radnog ciklusa na [0,45 0,8].

Drugi grafikon prikazuje maksimalno 0,044 vata. Kao opterećenje bila je jednoćelijska li-po baterija od 3,7 volti. To znači da je struja punjenja 12 mA. (I = P/U). Ovom brzinom mogu napuniti 500mAh za 42 sata ili ga koristiti za pokretanje ugrađenog mikrokontrolera (na primjer Attiny za MPPT kontroler). Nadajmo se da će vetar duvati jače.

Evo i nekih problema koje sam primijetio pri ovoj postavci:

• Preopterećenje akumulatora nije kontrolirano (u bateriji postoji zaštitni krug)
• Koračni motor ima bučnu izlaznu snagu pa moram prosječno mjeriti duži period od 0,6 sekundi.

Konačno sam odlučio napraviti još jedan eksperiment s BLDC -om. Budući da BLDC -ovi imaju drugu topologiju, morao sam dizajnirati novu ploču. Rezultati dobiveni u prvom grafikonu će se koristiti za usporedbu dva generatora, ali uskoro ću sve objasniti u drugim uputama.