Maximális Power Point Tracker kis szélturbinákhoz: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Rengeteg DIY szélturbina található az interneten, de nagyon kevesen magyarázzák egyértelműen az általuk elért eredményt teljesítmény vagy energia tekintetében. Ezenkívül gyakran zűrzavar van a teljesítmény, a feszültség és az áram között. Sokan azt mondják: "Ezt a feszültséget mértem a generátoron!" Szép! De ez nem jelenti azt, hogy áramot tud húzni és van hatalma (teljesítmény = feszültség x áram). Sok házi készítésű MPPT (Maximum Power Point Tracker) vezérlő is létezik napelemes alkalmazásokhoz, de nem annyira a szélhez. Azért csináltam ezt a projektet, hogy orvosoljak ezt a helyzetet.

Kis teljesítményű (<1W) MPPT töltésvezérlőt terveztem 3,7 V (egycellás) lítium -ion polimer akkumulátorokhoz. Valami kicsivel kezdtem, mert össze szeretném hasonlítani a különböző 3D nyomtatott szélturbinákat, és ezeknek a turbináknak a mérete nem haladhatja meg az 1 W -ot. A végső cél egy önálló állomás vagy bármely hálózaton kívüli rendszer ellátása.

A vezérlő teszteléséhez létrehoztam egy beállítást egy kis egyenáramú motorral, amely egy léptetőmotorhoz volt csatlakoztatva (NEMA 17). A léptetőmotort generátorként használják, és az egyenáramú motor lehetővé teszi számomra, hogy szimuláljam a turbinák lapátját. A következő lépésben elmagyarázom a problémát, és összefoglalok néhány fontos fogalmat, így ha csak a tábla elkészítése érdekli, ugorjon a 3. lépésre.

1. lépés: A probléma

Szeretnénk kinetikus energiát venni a széltől, átalakítani árammá és tárolni azt egy akkumulátorban. A probléma az, hogy a szél ingadozik, így a rendelkezésre álló energiamennyiség is ingadozik. Ezenkívül a generátor feszültsége a sebességétől függ, de az akkumulátor feszültsége állandó. Hogyan tudjuk ezt megoldani?

Szabályoznunk kell a generátor áramát, mert az áram arányos a féknyomatékkal. Valóban van párhuzam a mechanikai világ (mechanikai teljesítmény = nyomaték x sebesség) és az elektromos világ (elektromos teljesítmény = áram x feszültség) között (vö. Grafikon). Az elektronika részleteiről később lesz szó.

Hol van a maximális teljesítmény? Adott szélsebesség esetén, ha hagyjuk, hogy a turbina szabadon forogjon (nincs fékezési nyomaték), a sebessége maximális lesz (és a feszültség is), de nincs áramunk, így a teljesítmény nulla. A másik oldalon, ha maximalizáljuk a húzott áramot, akkor valószínű, hogy túlságosan lefékezzük a turbinát, és nem érjük el az optimális aerodinamikai sebességet. E két szélső szél között van egy pont, ahol a nyomaték szorzata a sebességgel maximális. Ezt keressük!

Most különböző megközelítések léteznek: Például, ha ismeri a rendszert leíró összes egyenletet és paramétert, akkor valószínűleg kiszámíthatja a legjobb működési ciklust egy bizonyos szélsebességhez és turbinasebességhez. Vagy ha nem tud semmit, akkor mondhatja a vezérlőnek: Változtasson egy kicsit a munkacikluson, majd számítsa ki a teljesítményt. Ha ez nagyobb, az azt jelenti, hogy jó irányba haladtunk, ezért folytassa az irányt. Ha alacsonyabb, akkor csak fordítsa a működési ciklust az ellenkező irányba.

2. lépés: A megoldás

Először egy diódahíddal kell kijavítanunk a generátor kimenetét, majd egy erősítő átalakítóval szabályozni az akkumulátor befecskendezett áramát. Más rendszerek bak vagy buck boost átalakítót használnak, de mivel kis teljesítményű turbinám van, feltételezem, hogy az akkumulátor feszültsége mindig nagyobb, mint a generátor kimenete. Az áram szabályozásához meg kell változtatnunk az erősítő átalakító működési ciklusát (Ton / (Ton+Toff)).

A vázlatok jobb oldalán található alkatrészek egy erősítőt (AD8603) mutatnak, amelyen bemeneti különbség van az R2 feszültségének mérésére. Az eredmény az aktuális terhelés levezetésére szolgál.

A nagy kondenzátorok, amelyeket az első képen látunk, egy kísérlet: egy Delon Voltage duplázóban forgattam az áramkört. A következtetések jók, így ha több feszültségre van szükség, csak adjon hozzá kondenzátorokat az átalakításhoz.

3. lépés: Eszközök és anyagok

Eszközök

• Arduino vagy AVR programozó
• Multiméter
• Marógép vagy kémiai maratás (PCB prototípus készítéséhez saját kezűleg)
• Forrasztópáka, fluxus, forrasztóhuzal
• Csipesz

Anyag

• Bakelit egyoldalú rézlemez (minimum 60*35 mm)
• Mikrovezérlő Attiny45
• AD8605 operációs erősítő
• Induktor 100uF
• 1 Schottky CBM1100 dióda
• 8 Schottky dióda BAT46
• Tranzisztorok és kondenzátorok (0603 -as méret) (vö. BillOfMaterial.txt)

4. lépés: A NYÁK elkészítése

Mutatom a prototípus -készítési módszeremet, de természetesen, ha nem tud otthon PCB -t készíteni, megrendelheti kedvenc gyárában.

CNC -vé alakított ProxxonMF70 -et és háromszögletű marót használtam. A G-kód létrehozásához az Eagle plugint használom.

Ezután az alkatrészeket a kisebbtől kezdve forrasztják.

Megfigyelheti, hogy néhány kapcsolat hiányzik, itt kézzel ugrom. Ívelt ellenállás lábakat forrasztom (vö. Kép).

5. lépés: Mikrokontroller programozás

Arduino (Adafruit pro-trinket és FTDI USB kábel) segítségével programozom az Attiny45 mikrovezérlőt. Töltse le a fájlokat a számítógépére, csatlakoztassa a vezérlő csapjait:

1. az arduino 11 -es csaphoz
2. a 12. arduino csaphoz
3. az arduino 13 tűhöz (a Vin vezérlőhöz (feszültségérzékelő), ha nincs programozás)
4. az arduino 10 -es csaphoz
5. az arduino 5V -os csaphoz
6. hogy arduino pin G

Ezután töltse be a kódot a vezérlőre.

6. lépés: A tesztelési beállítás

Ezt a beállítást (vö. Kép) azért végeztem, hogy teszteljem a vezérlőmet. Most kiválaszthatom a sebességet, és láthatom, hogyan reagál a vezérlő. Azt is meg tudom becsülni, hogy mennyi energiát szállítunk az U szorzásával, és a tápegység képernyőn megmutattam. Bár a motor nem úgy viselkedik, mint egy szélturbina, úgy gondolom, hogy ez a közelítés nem olyan rossz. Valóban, a szélturbinaként a motor megtörésekor lelassul, és amikor hagyja szabadon forogni, eléri a maximális sebességet. (a nyomaték-fordulatszám görbe egy egyenáramú motor szoros vonala és egyfajta parabola a szélturbináknál)

Kiszámítottam egy redukciós sebességváltót (16: 1) annak érdekében, hogy a kis egyenáramú motor a leghatékonyabb sebességgel forogjon, a léptetőmotor pedig átlagos fordulatszámmal (200 fordulat/perc) forogjon egy alacsony szélességű (3 m/s) szélturbina esetén)

7. lépés: Eredmények

Ehhez a kísérlethez (első grafikon), egy teljesítmény LED -et használtam terhelésként. Előremenő feszültsége 2,6 volt. Mivel a feszültség 2,6 körül stabilizálódik, csak az áramot mértem.

1) Tápegység 5,6 V -nál (kék vonal az 1. grafikonon)

• generátor min. fordulatszáma 132 rpm
• generátor maximális sebessége 172 fordulat / perc
• generátor maximális teljesítménye 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Tápellátás 4 V -nál (piros vonal az 1. grafikonon)

• generátor min. fordulatszáma 91 rpm
• generátor maximális fordulatszáma 102 rpm
• generátor maximális teljesítménye 23mW (9 mA x 2,6V)

Az utolsó kísérletben (második grafikon) a teljesítményt közvetlenül a vezérlő számítja ki. Ebben az esetben 3,7 V-os li-po akkumulátort használtunk terhelésként.

generátor maximális teljesítménye 44mW

8. lépés: Vita

Az első grafikon képet ad arról, hogy milyen teljesítményre számíthatunk ettől a beállítástól.

A második grafikon azt mutatja, hogy vannak helyi maximumok. Ez problémát jelent a szabályozó számára, mert elakad ezekben a helyi maximumokban. A nemlinearitás oka az induktivitás folytatása és leállítása közötti átmenet. A jó dolog az, hogy ez mindig ugyanazon a cikluson történik (nem függ a generátor fordulatszámától). Annak elkerülése érdekében, hogy a vezérlő a helyi maximumban ragadjon, egyszerűen korlátozom a működési ciklus tartományát [0,45 0,8] értékre.

A második grafikon maximum 0,044 wattot mutat. Mivel a terhelés 3,7 voltos egycellás lítium-elem volt. Ez azt jelenti, hogy a töltőáram 12 mA. (I = P/U). Ennél a sebességnél 42 óra alatt tölthetek 500 mAh-t, vagy használhatok egy beágyazott mikrovezérlő futtatásához (például az Attiny az MPPT vezérlőhöz). Remélhetőleg a szél erősebb lesz.

Ezenkívül néhány problémát észleltem ezzel a beállítással:

• Az akkumulátor túlfeszültsége nincs szabályozva (védőáramkör van az akkumulátorban)
• A léptetőmotor zajos kimenettel rendelkezik, így a mérést átlagosan 0,6 másodperc alatt kell átlagolnom.

Végül úgy döntöttem, hogy újabb kísérletet végzek egy BLDC -vel. Mivel a BLDC -k más topológiával rendelkeznek, új táblát kellett terveznem. Az első grafikonon kapott eredményeket a két generátor összehasonlítására fogjuk használni, de hamarosan mindent elmagyarázok egy másik utasításban.