Power Point Tracker maxim pentru turbine eoliene mici: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Există o mulțime de turbine eoliene DIY pe internet, dar foarte puțini explică clar rezultatul pe care îl obțin în termeni de putere sau energie. De asemenea, există adesea o confuzie între putere, tensiune și curent. O mulțime de timp, oamenii spun: "Am măsurat această tensiune pe generator!" Grozav! Dar nu înseamnă că poți trage curent și ai putere (Putere = tensiune x curent). Există, de asemenea, o mulțime de controlere de casă MPPT (Maximum Power Point Tracker) pentru aplicații solare, dar nu atât pentru aplicații eoliene. Am făcut acest proiect pentru a remedia această situație.

Am proiectat un controler de încărcare MPPT de putere redusă (<1W) pentru baterii cu polimer litiu-ion de 3,7 V (o singură celulă). Am început cu ceva mic, deoarece aș dori să compar diferite designuri de turbine eoliene imprimate 3D și dimensiunea acestor turbine nu ar trebui să producă mult mai mult de 1W. Scopul final este de a furniza o stație autonomă sau orice sistem în afara rețelei.

Pentru a testa controlerul am construit o configurație cu un mic motor DC cuplat la un motor pas cu pas (NEMA 17). Motorul pas cu pas este folosit ca generator, iar motorul de curent continuu îmi permite să simulez vântul care împinge palele turbinei. În pasul următor voi explica problema și voi rezuma câteva concepte importante, așa că, dacă sunteți doar interesat de realizarea tabloului, treceți la pasul 3.

Pasul 1: problema

Vrem să luăm energia cinetică din vânt, să o transformăm în energie electrică și să o stocăm într-o baterie. Problema este că vântul fluctuează, astfel încât cantitatea disponibilă de energie fluctuează și ea. Mai mult, tensiunea generatorului depinde de viteza acestuia, dar tensiunea bateriei este constantă. Cum putem rezolva asta?

Trebuie să reglăm curentul generatorului, deoarece curentul este proporțional cu cuplul de frânare. Într-adevăr, există o paralelă între lumea mecanică (putere mecanică = cuplu x viteză) și lumea electrică (putere electrică = curent x tensiune) (cf. grafic). Detaliile despre electronice vor fi discutate mai târziu.

Unde este puterea maximă? Pentru o viteză dată a vântului, dacă lăsăm turbina să se învârtă liber (fără cuplu de frânare), viteza acesteia va fi maximă (și și tensiunea), dar nu avem curent, astfel încât puterea este nulă. Pe de altă parte, dacă maximizăm curentul tras, este probabil să frânăm prea mult turbina și să nu se atingă viteza aerodinamică optimă. Între aceste două extremități există un punct în care produsul cuplului de viteză este maxim. Asta căutăm!

Acum există diferite abordări: De exemplu, dacă cunoașteți toate ecuațiile și parametrii care descriu sistemul, probabil puteți calcula cel mai bun ciclu de funcționare pentru o anumită viteză a vântului și a vitezei turbinei. Sau, dacă nu știți nimic, puteți spune controlerului: Schimbați puțin ciclul de funcționare, apoi calculați puterea. Dacă este mai mare înseamnă că ne-am deplasat în direcția bună, așa că continuați să mergeți în acea direcție. Dacă este mai mic, deplasați ciclul de funcționare în direcția opusă.

Pasul 2: Soluția

Mai întâi trebuie să rectificăm ieșirea generatorului cu o punte de diodă și apoi să reglăm curentul injectat în baterie cu un convertor boost. Alte sisteme folosesc un convertor Buck sau un Buck Boost dar, deoarece am o turbină cu putere redusă, presupun că tensiunea bateriei este întotdeauna mai mare decât puterea generatorului. Pentru a regla curentul, trebuie să schimbăm ciclul de funcționare (Ton / (Ton + Toff)) al convertorului de creștere.

Părțile din partea dreaptă a schemei arată un amplificator (AD8603) cu o diferență de intrare pentru a măsura tensiunea pe R2. Rezultatul este folosit pentru a deduce sarcina curentă.

Condensatorii mari pe care îi vedem pe prima imagine este un experiment: mi-am transformat circuitul într-un dublor Delon Voltage. Concluziile sunt bune, deci dacă este nevoie de mai multă tensiune, adăugați condensatori pentru a face transformarea.

Pasul 3: Instrumente și material

Instrumente

• Programator Arduino sau AVR
• Multimetru
• Mașină de frezat sau gravare chimică (pentru prototiparea PCB de unul singur)
• Fier de lipit, flux, sârmă de lipit
• Pensetă

Material

• Placă de cupru cu o singură parte din baquelită (minimum 60 * 35 mm)
• Microcontroler Attiny45
• Amplificator operațional AD8605
• Inductor 100uF
• 1 diodă Schottky CBM1100
• 8 diodă Schottky BAT46
• Tranzistoare și condensatoare (dimensiunea 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Pasul 4: Realizarea PCB-ului

Îți arăt metoda mea pentru prototipare, dar, bineînțeles, dacă nu poți face PCB-uri acasă, o poți comanda la fabrica ta preferată.

Am folosit un ProxxonMF70 transformat în CNC și o moară cu capăt triunghiular. Pentru a genera codul G, folosesc un plugin pentru Eagle.

Apoi componentele sunt lipite începând cu cele mai mici.

Puteți observa că unele conexiuni lipsesc, aici fac salturi cu mâna. Am lipit picioarele rezistorului curbat (cf. imagine).

Pasul 5: Programarea microcontrolerului

Folosesc un Arduino (Adafruit pro-trinket și cablu USB FTDI) pentru a programa microcontrolerul Attiny45. Descărcați fișierele pe computer, conectați pinii controlerului:

1. la pinul arduino 11
2. la pinul arduino 12
3. la pinul arduino 13 (la controlerul Vin (senzor de tensiune) când nu se programează)
4. la pinul 10 arduino
5. la pinul arduino 5V
6. la pinul arduino G

Apoi încărcați codul pe controler.

Pasul 6: Configurarea testării

Am făcut această configurare (cf. imagine) pentru a-mi testa controlerul. Acum pot să selectez o viteză și să văd cum reacționează controlerul. De asemenea, pot estima cât de multă energie este livrată înmulțind U și am arătat pe ecranul sursei de alimentare. Deși motorul nu se comportă exact ca o turbină eoliană, consider că această aproximare nu este atât de rea. Într-adevăr, ca turbină eoliană, atunci când spargeți motorul, acesta încetinește și când îl lăsați să se rotească liber, atinge o viteză maximă. (curba cuplu-viteză este o linie îngustă pentru un motor de curent continuu și un fel de parabolă pentru turbine eoliene)

Am calculat o cutie de viteze de reducere (16: 1) pentru a avea micul motor DC care se rotește la viteza cea mai eficientă și motorul pas cu pas se învârte la o viteză medie (200 rpm) pentru o turbină eoliană cu viteză redusă a vântului (3 m / s)

Pasul 7: Rezultate

Pentru acest experiment (primul grafic), am folosit un LED de alimentare ca sarcină. Are o tensiune înainte de 2,6 volți. Deoarece tensiunea este stabilizată în jurul valorii de 2,6, am măsurat doar curentul.

1) Sursa de alimentare la 5,6 V (linia albastră pe graficul 1)

• Viteza min. a generatorului 132 rpm
• Viteza maximă a generatorului 172 rpm
• putere maxima generator 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Alimentare la 4 V (linia roșie pe graficul 1)

• Viteza min. generator 91 rpm
• Viteza maximă a generatorului 102 rpm
• putere maxima generatorului 23mW (9 mA x 2.6V)

În ultimul experiment (al doilea grafic), puterea este calculată direct de către controler. În acest caz, o baterie de 3,7 V li-po a fost utilizată ca încărcare.

generator maxim putere 44mW

Pasul 8: Discuție

Primul grafic oferă o idee despre puterea pe care ne putem aștepta de la această configurare.

Al doilea grafic arată că există unele maxime locale. Aceasta este o problemă pentru autoritatea de reglementare, deoarece se blochează în maximele locale. Neliniaritatea se datorează tranziției între continuarea și întreruperea conducerii inductorului. Lucrul bun este că se întâmplă întotdeauna pentru același ciclu de funcționare (nu depinde de viteza generatorului). Pentru a evita blocarea controlerului într-un maxim local, restricționez pur și simplu intervalul ciclului de funcționare la [0,45 0,8].

Al doilea grafic arată maximum 0,044 wați. Deoarece sarcina era o baterie li-po cu o singură celulă de 3,7 volți. Aceasta înseamnă că curentul de încărcare este de 12 mA. (I = P / U). La această viteză pot încărca 500 mAh în 42 de ore sau îl pot folosi pentru a rula un microcontroler încorporat (de exemplu, Attiny pentru controlerul MPPT). Sperăm că vântul va sufla mai puternic.

Iată, de asemenea, câteva probleme pe care le-am observat cu această configurare:

• Supratensiunea bateriei nu este controlată (există un circuit de protecție în baterie)
• Motorul pas cu pas are o ieșire zgomotoasă, așa că trebuie să mediez măsurarea pe o perioadă lungă de 0,6 secunde.

În cele din urmă am decis să fac un alt experiment cu un BLDC. Deoarece BLDC-urile au o altă topologie, a trebuit să proiectez o nouă placă. Rezultatele obținute în primul grafic vor fi folosite pentru a compara cele două generatoare, dar voi explica totul în curând într-un alt instructable.