Maksimālais jaudas punktu izsekotājs mazām vēja turbīnām: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Internetā ir daudz DIY vēja turbīnu, taču ļoti nedaudzi skaidri izskaidro iegūto rezultātu jaudas vai enerģijas izteiksmē. Tāpat bieži rodas neskaidrības starp jaudu, spriegumu un strāvu. Daudz laika cilvēki saka: "Es izmērīju šo spriegumu uz ģeneratora!" Jauki! Bet tas nenozīmē, ka jūs varat uzņemt strāvu un iegūt jaudu (jauda = spriegums x strāva). Ir arī daudz mājās gatavotu MPPT (maksimālās jaudas punktu izsekotāja) kontrolieru saules izmantošanai, bet ne tik daudz vēja lietošanai. Es veicu šo projektu, lai labotu šo situāciju.

Es izstrādāju mazjaudas (<1W) MPPT uzlādes kontrolieri 3,7 V (vienas šūnas) litija jonu polimēru baterijām. Es sāku ar kaut ko mazu, jo es gribētu salīdzināt dažādu 3D drukātu vēja turbīnu dizainu, un šo turbīnu izmēram nevajadzētu radīt daudz vairāk par 1W. Galīgais mērķis ir piegādāt atsevišķu staciju vai jebkuru citu tīkla sistēmu.

Lai pārbaudītu kontrolieri, es izveidoju iestatījumu ar nelielu līdzstrāvas motoru, kas savienots ar pakāpju motoru (NEMA 17). Stepper motors tiek izmantots kā ģenerators, un līdzstrāvas motors ļauj man simulēt vēju, kas spiež turbīnas lāpstiņas. Nākamajā solī es izskaidrošu problēmu un apkopoju dažus svarīgus jēdzienus, tādēļ, ja jūs vienkārši interesē tāfeles izveide, pārejiet uz 3. darbību.

1. solis: problēma

Mēs vēlamies no vēja ņemt kinētisko enerģiju, pārveidot to elektrībā un uzglabāt šo elektrību akumulatorā. Problēma ir tā, ka vējš svārstās, tāpēc arī pieejamais enerģijas daudzums svārstās. Turklāt ģeneratora spriegums ir atkarīgs no tā ātruma, bet akumulatora spriegums ir nemainīgs. Kā mēs to varam atrisināt?

Mums ir jāregulē ģeneratora strāva, jo strāva ir proporcionāla bremzēšanas momentam. Patiešām pastāv paralēle starp mehānisko pasauli (mehāniskā jauda = griezes moments x ātrums) un elektrisko pasauli (elektroenerģija = strāva x spriegums) (sk. Grafiku). Sīkāka informācija par elektroniku tiks apspriesta vēlāk.

Kur ir maksimālā jauda? Pie noteikta vēja ātruma, ja ļausim turbīnai brīvi griezties (bez bremzēšanas griezes momenta), tās ātrums būs maksimālais (un arī spriegums), bet mums nav strāvas, tāpēc jauda ir nulle. No otras puses, ja mēs maksimāli palielinām ievilkto strāvu, iespējams, ka mēs pārāk daudz nobremzējam turbīnu un netiek sasniegts optimālais aerodinamiskais ātrums. Starp šiem diviem galiem ir punkts, kur griezes momenta reizinājums ar ātrumu ir maksimāls. Tas ir tas, ko mēs meklējam!

Tagad ir dažādas pieejas: Piemēram, ja jūs zināt visus vienādojumus un parametrus, kas raksturo sistēmu, jūs, iespējams, varat aprēķināt labāko darba ciklu noteiktam vēja ātrumam un turbīnas ātrumam. Vai arī, ja neko nezināt, varat kontrolierim pateikt: mazliet mainiet darba ciklu un pēc tam aprēķiniet jaudu. Ja tas ir lielāks, tas nozīmē, ka mēs gājām labā virzienā, tāpēc turpiniet iet šajā virzienā. Ja tas ir zemāks, pārvietojiet darba ciklu pretējā virzienā.

2. solis: risinājums

Vispirms mums ir jālabo ģeneratora izeja ar diodes tiltu un pēc tam jāregulē ievadītā strāva akumulatorā ar pastiprinātāja pārveidotāju. Citās sistēmās tiek izmantots buks vai buka palielināšanas pārveidotājs, bet, tā kā man ir mazjaudas turbīna, es pieņemu, ka akumulatora spriegums vienmēr ir lielāks nekā ģeneratora izeja. Lai regulētu strāvu, mums ir jāmaina jaudas pārveidotāja darba cikls (Ton / (Ton+Toff)).

Detaļas shēmas labajā pusē parāda pastiprinātāju (AD8603) ar atšķirības ievadi, lai izmērītu R2 spriegumu. Rezultātu izmanto, lai secinātu pašreizējo slodzi.

Lielie kondensatori, ko mēs redzam pirmajā attēlā, ir eksperiments: es pagriezu savu ķēdi Delon Voltage dubultā. Secinājumi ir labi, tādēļ, ja ir nepieciešams vairāk sprieguma, vienkārši pievienojiet kondensatorus, lai veiktu pārveidošanu.

3. solis: instrumenti un materiāls

Rīki

• Arduino vai AVR programmētājs
• Multimetrs
• Frēzmašīna vai ķīmiska kodināšana (PCB prototipēšanai pašam)
• Lodāmurs, plūsma, lodēšanas stieple
• Pincetes

Materiāls

• Bakelīta vienas puses vara plāksne (vismaz 60*35 mm)
• Mikrokontrolleris Attiny45
• Darbības pastiprinātājs AD8605
• Induktors 100uF
• 1 Schottky diode CBM1100
• 8 Schottky diode BAT46
• Tranzistori un kondensatori (0603 izmērs) (sal. BillOfMaterial.txt)

4. solis: PCB izgatavošana

Es jums parādīšu savu prototipēšanas metodi, bet, protams, ja nevarat izgatavot PCB mājās, varat to pasūtīt savā iecienītākajā rūpnīcā.

Es izmantoju ProxxonMF70, kas pārveidots par CNC, un trīsstūrveida gala dzirnavas. Lai ģenerētu G kodu, es izmantoju Eagle spraudni.

Pēc tam sastāvdaļas tiek pielodētas, sākot ar mazāko.

Jūs varat novērot, ka trūkst dažu savienojumu, šeit es veicu lēcienus ar rokām. Es lodēju izliektas rezistoru kājas (sal. Attēlu).

5. solis: mikrokontrolleru programmēšana

Es izmantoju Arduino (Adafruit pro-piekariņu un FTDI USB kabeli), lai ieprogrammētu Attiny45 mikrokontrolleri. Lejupielādējiet failus savā datorā, pievienojiet kontroliera tapas:

1. uz arduino pin 11
2. uz arduino tapu 12
3. uz arduino tapu 13 (uz kontrolieri Vin (sprieguma sensors), kad netiek programmēts)
4. uz arduino tapu 10
5. uz arduino tapu 5V
6. uz arduino pin G

Pēc tam ielādējiet kodu kontrollerī.

6. darbība: testēšanas iestatīšana

Es veicu šo iestatīšanu (sal. Attēlu), lai pārbaudītu savu kontrolieri. Tagad es varu izvēlēties ātrumu un redzēt, kā kontrolieris reaģē. Arī es varu novērtēt, cik daudz enerģijas tiek piegādāts, reizinot U, un es parādīju barošanas avota ekrānā. Lai gan motors nedarbojas gluži kā vēja turbīna, es uzskatu, ka šī tuvināšana nav tik slikta. Patiešām, kā vēja turbīna, salaužot motoru, tā palēninās un, ļaujot tai brīvi griezties, tā sasniedz maksimālo ātrumu. (griezes momenta ātruma līkne ir šauruma līnija līdzstrāvas motoram un sava veida parabola vēja turbīnām)

Es aprēķināju redukcijas pārnesumkārbu (16: 1), lai mazais līdzstrāvas motors grieztos ar visefektīvāko ātrumu un pakāpienu motors - ar vidējo ātrumu (200 apgr./min.) Vēja turbīnai ar zemu vēja ātrumu (3 m/s))

7. darbība: rezultāti

Šim eksperimentam (pirmais grafiks) es kā slodzi izmantoju strāvas LED. Tā priekšējais spriegums ir 2,6 volti. Tā kā spriedze ir stabilizējusies ap 2.6, es izmērīju tikai strāvu.

1) Barošanas avots pie 5,6 V (1. diagrammas zilā līnija)

• ģeneratora minimālais ātrums 132 apgr./min
• ģeneratora maksimālais ātrums 172 apgr./min
• ģeneratora maksimālā jauda 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Barošana pie 4 V (sarkanā līnija 1. diagrammā)

• ģeneratora minimālais ātrums 91 apgr./min
• ģeneratora maksimālais ātrums 102 apgr./min
• ģeneratora maksimālā jauda 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Pēdējā eksperimentā (otrais grafiks) jaudu tieši aprēķina kontrolieris. Šajā gadījumā kā slodze ir izmantots 3,7 V li-po akumulators.

ģeneratora maksimālā jauda 44mW

8. solis: diskusija

Pirmais grafiks sniedz priekšstatu par jaudu, ko varam sagaidīt no šīs iestatīšanas.

Otrajā diagrammā redzams, ka pastāv daži vietējie maksimumi. Šī ir regulatora problēma, jo tā iestrēgst šajos vietējos maksimumos. Nelinearitāte ir saistīta ar pāreju starp induktora vadīšanas turpināšanu un pārtraukšanu. Labā lieta ir tā, ka tas vienmēr notiek vienā un tajā pašā darba ciklā (nav atkarīgs no ģeneratora ātruma). Lai kontrolieris netiktu iestrēdzis vietējā maksimumā, es vienkārši ierobežoju darba cikla diapazonu līdz [0,45 0,8].

Otrā diagramma parāda maksimālo jaudu 0,044 vati. Tā kā slodze bija vienšūnu 3,7 voltu litija baterija. Tas nozīmē, ka uzlādes strāva ir 12 mA. (I = P/U). Ar šo ātrumu es varu uzlādēt 500 mAh 42 stundu laikā vai izmantot to, lai palaistu iegultu mikrokontrolleri (piemēram, Attiny MPPT kontrolierim). Cerams, ka vējš pūtīs stiprāks.

Šeit ir arī dažas problēmas, ko pamanīju, veicot šo iestatīšanu:

• Akumulatora pārspriegums netiek kontrolēts (akumulatorā ir aizsardzības ķēde)
• Stepper motoram ir trokšņaina izeja, tāpēc man vidējais mērījums ilgā laika posmā ir 0,6 sek.

Visbeidzot, es nolēmu veikt vēl vienu eksperimentu ar BLDC. Tā kā BLDC ir cita topoloģija, man bija jāizstrādā jauna tāfele. Pirmajā grafikā iegūtie rezultāti tiks izmantoti, lai salīdzinātu abus ģeneratorus, bet es drīz visu paskaidrošu citā instrukcijā.