Maksimal effektpunktsporing for små vindturbiner: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Det er mye DIY vindturbin på internett, men svært få forklarer klart resultatet de får når det gjelder kraft eller energi. Det er også ofte en forvirring mellom kraft, spenning og strøm. Mange ganger sier folk: "Jeg målte denne spenningen på generatoren!" Hyggelig! Men det betyr ikke at du kan trekke strøm og ha strøm (Strøm = spenning x strøm). Det er også mange hjemmelagde MPPT (Maximum Power Point Tracker) kontrollere for solapplikasjon, men ikke så mye for vindapplikasjon. Jeg gjorde dette prosjektet for å rette opp denne situasjonen.

Jeg designet en lav effekt (<1W) MPPT ladekontroll for 3,7V (enkeltcelle) litiumionpolymerbatterier. Jeg begynte med noe lite fordi jeg vil sammenligne forskjellige 3D -trykte vindturbindesign og størrelsen på disse turbinene bør ikke produsere mye mer enn 1W. Det endelige målet er å levere en frittstående stasjon eller et hvilket som helst off -grid -system.

For å teste kontrolleren bygde jeg et oppsett med en liten likestrømsmotor koblet til en trinnmotor (NEMA 17). Steppermotoren brukes som generator, og likestrømsmotoren lar meg simulere vinden som presser turbinbladene. I neste trinn vil jeg forklare problemet og oppsummere noen viktige konsepter, så hvis du bare er interessert ved å lage tavlen, hopper du til trinn 3.

Trinn 1: Problemet

Vi ønsker å ta kinetisk energi fra vinden, omdanne den til elektrisitet og lagre den strømmen i et batteri. Problemet er at vinden svinger, så den tilgjengelige energimengden svinger også. Dessuten er generatorens spenning avhengig av hastigheten, men batterispenningen er konstant. Hvordan kan vi løse det?

Vi må regulere generatorstrømmen fordi strømmen er proporsjonal med bremsemomentet. Det er faktisk en parallell mellom den mekaniske verden (mekanisk kraft = dreiemoment x hastighet) og den elektriske verden (elektrisk kraft = strøm x spenning) (jf. Graf). Detaljene om elektronikken vil bli diskutert senere.

Hvor er maksimal effekt? For en gitt vindhastighet, hvis vi lar turbinen snurre fritt (uten bremsemoment), vil hastigheten være maksimal (og spenningen også), men vi har ingen strøm, så strømmen er null. På den andre siden hvis vi maksimerer trukket strøm, er det sannsynlig at vi bremser for mye turbinen og at den optimale aerodynamiske hastigheten ikke oppnås. Mellom disse to ekstremene er det et punkt der produktet av dreiemomentet etter hastigheten er maksimalt. Dette er det vi leter etter!

Nå er det forskjellige tilnærminger: Hvis du for eksempel kjenner alle ligningene og parameterne som beskriver systemet, kan du sannsynligvis beregne den beste driftssyklusen for en bestemt vindhastighet og turbinhastighet. Eller, hvis du ikke vet noe, kan du si til kontrolleren: Endre litt på driftssyklusen og beregne effekten. Hvis det er større betyr det at vi beveget oss i den gode retningen, så fortsett i den retningen. Hvis den er lavere, bare flytt arbeidssyklusen i motsatt retning.

Trinn 2: Løsningen

Først må vi rette opp generatorens utgang med en diodebro og deretter regulere den injiserte strømmen i batteriet med en boost -omformer. Andre systemer bruker en buck eller en buck boost -omformer, men ettersom jeg har en turbin med lav effekt antar jeg at batterispenningen alltid er større enn generatorens utgang. For å regulere strømmen må vi endre driftssyklusen (Ton / (Ton+Toff)) til boostomformeren.

Delene på høyre side av skjemaet viser en forsterker (AD8603) med en differensinngang for å måle spenningen på R2. Resultatet brukes til å utlede gjeldende belastning.

De store kondensatorene vi ser på det første bildet er et eksperiment: Jeg snudde kretsen min i en Delon Voltage -dobler. Konklusjonene er gode, så hvis mer spenning er nødvendig, er det bare å legge til kondensatorer for å gjøre transformasjonen.

Trinn 3: Verktøy og materiale

Verktøy

• Arduino eller AVR programmerer
• Multimeter
• Fresemaskin eller kjemisk etsing (for PCB -prototyper selv)
• Loddejern, fluss, loddetråd
• Pinsett

Materiale

• Bakelitt enkeltsidig kobberplate (60*35 mm minimum)
• Mikrokontroller Attiny45
• Driftsforsterker AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky -diode CBM1100
• 8 Schottky -diode BAT46
• Transistorer og kondensatorer (størrelse 0603) (jf. BillOfMaterial.txt)

Trinn 4: Lag PCB

Jeg viser deg min metode for prototyping, men selvfølgelig, hvis du ikke kan lage PCB hjemme, kan du bestille den til din favorittfabrikk.

Jeg brukte en ProxxonMF70 konvertert til CNC og en trekantet endefres. For å generere G-koden bruker jeg en plugin for Eagle.

Deretter loddes komponentene fra den mindre.

Du kan observere at noen forbindelser mangler, det er her jeg gjør hopp for hånd. Jeg lodder buede motstandsben (jf. Bilde).

Trinn 5: Programmering av mikrokontroller

Jeg bruker en Arduino (Adafruit pro-trinket og FTDI USB-kabel) for å programmere Attiny45 mikrokontroller. Last ned filene til datamaskinen, koble til kontrollerpinnene:

1. til arduino pin 11
2. til arduino pin 12
3. til arduino pin 13 (til kontrolleren Vin (spenningssensor) når den ikke programmeres)
4. til arduino pin 10
5. til arduino pin 5V
6. til arduino pin G

Last deretter koden på kontrolleren.

Trinn 6: Testoppsettet

Jeg gjorde dette oppsettet (jf. Bilde) for å teste kontrolleren min. Jeg kan nå velge en hastighet og se hvordan kontrolleren reagerer. Jeg kan også estimere hvor mye strøm som leveres ved å multiplisere U og jeg viste på strømforsyningsskjermen. Selv om motoren ikke oppfører seg akkurat som en vindturbin, anser jeg at denne tilnærmingen ikke er så ille. Faktisk, som vindturbinen, når du bryter motoren, bremser den, og når du lar den snu fritt, når den en maksimal hastighet. (dreiemoment-hastighetskurven er en sundlinje for en likestrømsmotor og en slags parabel for vindturbiner)

Jeg beregnet en reduksjonsgirkasse (16: 1) for å få den lille likestrømsmotoren til å snurre med sin mest effektive hastighet og trinnmotoren som snurrer med en gjennomsnittlig hastighet (200 o/min) for en vindturbin med lav vindhastighet (3 m/s)

Trinn 7: Resultater

For dette eksperimentet (første graf) brukte jeg en strøm -LED som en last. Den har en fremspenning på 2,6 volt. Ettersom spenningen er stabilisert rundt 2,6, målte jeg bare strømmen.

1) Strømforsyning på 5,6 V (blå linje på grafen 1)

• generator min turtall 132 o / min
• generator maks hastighet 172 o / min
• generator maks effekt 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Strømforsyning ved 4 V (rød linje på grafen 1)

• generator min turtall 91 o / min
• generator maks hastighet 102 rpm
• generator maks effekt 23mW (9 mA x 2,6V)

I det siste eksperimentet (andre graf) beregnes effekten direkte av kontrolleren. I dette tilfellet har et 3,7 V li-po-batteri blitt brukt som last.

generator maks effekt 44mW

Trinn 8: Diskusjon

Den første grafen gir en ide om kraften vi kan forvente fra dette oppsettet.

Den andre grafen viser at det er noen lokale maksimumsgrenser. Dette er et problem for regulatoren fordi den setter seg fast i disse lokalbefolkningens maksimum. Ikke -lineariteten skyldes overgangen mellom fortsett og avslutt induktorledning. Det gode er at det alltid skjer for samme driftssyklus (avhenger ikke av generatorhastigheten). For å unngå at kontrolleren sitter fast i et lokalt maksimum, begrenser jeg ganske enkelt driftssyklusområdet til [0,45 0,8].

Den andre grafen viser maksimalt 0,044 watt. Siden lasten var et enkeltcellet li-po-batteri på 3,7 volt. Dette betyr at ladestrømmen er 12 mA. (I = P/U). Med denne hastigheten kan jeg lade en 500mAh på 42 timer eller bruke den til å kjøre en innebygd mikrokontroller (for eksempel Attiny for MPPT-kontrolleren). Forhåpentligvis blåser vinden sterkere.

Her er også noen problemer jeg la merke til med dette oppsettet:

• Batteriet over spenning kontrolleres ikke (det er en beskyttelseskrets i batteriet)
• Steppermotoren har en støyende utgang, så jeg må gjennomsnittlig måle over en lang periode på 0,6 sek.

Til slutt bestemte jeg meg for å gjøre et nytt eksperiment med en BLDC. Fordi BLDC har en annen topologi måtte jeg designe et nytt bord. Resultatene oppnådd i den første grafen vil bli brukt til å sammenligne de to generatorene, men jeg vil snart forklare alt i en annen instruks.