Suurin Power Point Tracker pienille tuulivoimaloille: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Internetissä on paljon DIY -tuuliturbiinia, mutta hyvin harvat selittävät selvästi saamansa tuloksen tehon tai energian suhteen. Myös tehon, jännityksen ja virran välillä on usein sekaannus. Paljon aikaa ihmiset sanovat: "Mittasin tämän jännitteen generaattorista!" Kiva! Mutta se ei tarkoita, että voit vetää virtaa ja saada virtaa (teho = jännitys x virta). On myös paljon kotitekoisia MPPT (Maximum Power Point Tracker) -ohjaimia aurinkosovelluksiin, mutta ei niinkään tuulisovelluksiin. Tein tämän projektin tilanteen korjaamiseksi.

Suunnittelin pienitehoisen (<1 W) MPPT -latausohjaimen 3,7 V (yksikennoisille) litiumionipolymeeriakkuille. Aloitin pienestä, koska haluaisin verrata erilaisia 3D -tulostettuja tuuliturbiinimalleja, eikä näiden turbiinien koon pitäisi tuottaa paljon enempää kuin 1 W. Lopullinen tavoite on toimittaa erillinen asema tai mikä tahansa verkon ulkopuolinen järjestelmä.

Säätimen testaamiseksi rakensin kokoonpanon pienellä tasavirtamoottorilla, joka oli kytketty askelmoottoriin (NEMA 17). Askelmoottoria käytetään generaattorina ja tasavirtamoottorin avulla voin simuloida tuulta, joka työntää turbiinin siipiä. Seuraavassa vaiheessa selitän ongelman ja tiivistän joitain tärkeitä käsitteitä, joten jos olet kiinnostunut pelistä, siirry vaiheeseen 3.

Vaihe 1: Ongelma

Haluamme ottaa tuulen liike -energiaa, muuttaa sen sähköksi ja varastoida sen akkuun. Ongelmana on, että tuuli vaihtelee, joten myös käytettävissä oleva energia vaihtelee. Lisäksi generaattorin jännitys riippuu sen nopeudesta, mutta akun jännitys on vakio. Kuinka voimme ratkaista sen?

Meidän on säädettävä generaattorin virtaa, koska virta on verrannollinen jarrutusmomenttiin. Itse asiassa mekaanisen maailman (mekaaninen teho = vääntömomentti x nopeus) ja sähkömaailman (sähköteho = virta x jännitys) välillä on yhtäläisyys (vrt. Kaavio). Elektroniikan yksityiskohdista keskustellaan myöhemmin.

Missä on maksimiteho? Jos annamme tietyn tuulen nopeuden, jos annamme turbiinin pyöriä vapaasti (ei jarrutusmomenttia), sen nopeus on suurin (ja myös jännite), mutta meillä ei ole virtaa, joten teho on nolla. Toisaalta, jos maksimoimme vedetyn virran, jarrutamme todennäköisesti liikaa turbiinia ja optimaalista aerodynaamista nopeutta ei saavuteta. Näiden kahden ääripään välissä on piste, jossa vääntömomentin tulo nopeudella on suurin. Tätä etsimme!

Nyt on olemassa erilaisia lähestymistapoja: Esimerkiksi jos tiedät kaikki yhtälöt ja parametrit, jotka kuvaavat järjestelmää, voit todennäköisesti laskea parhaan käyttöjakson tietylle tuulen nopeudelle ja turbiinin nopeudelle. Tai jos et tiedä mitään, voit sanoa ohjaimelle: Muuta hieman käyttöjaksoa ja laske sitten teho. Jos se on suurempi, se tarkoittaa, että olemme siirtyneet hyvään suuntaan, joten jatka samaan suuntaan. Jos se on alhaisempi, siirrä käyttöjaksoa vastakkaiseen suuntaan.

Vaihe 2: Ratkaisu

Ensin meidän on korjattava generaattorin lähtö diodisillalla ja sitten säädettävä akkuun syötetty virta virranmuuntimella. Muut järjestelmät käyttävät buck- tai buck boost -muunninta, mutta koska minulla on pienitehoinen turbiini, oletan, että akun jännite on aina suurempi kuin generaattorin lähtö. Virran säätämiseksi meidän on muutettava tehostusmuuntimen käyttöjaksoa (Ton / (Ton+Toff)).

Kaavioiden oikealla puolella olevissa osissa on vahvistin (AD8603), jossa on ero -tulo R2: n jännityksen mittaamiseksi. Tulosta käytetään nykyisen kuormituksen päättämiseen.

Ensimmäisessä kuvassa näkyvät suuret kondensaattorit ovat kokeilu: käänsin piirini Delonin jännitteen kaksinkertaistimessa. Johtopäätökset ovat hyviä, joten jos tarvitaan enemmän jännitettä, lisää vain kondensaattoreita muutoksen tekemiseksi.

Vaihe 3: Työkalut ja materiaalit

Työkalut

• Arduino- tai AVR -ohjelmoija
• Yleismittari
• Jyrsinkone tai kemiallinen etsaus (PCB -prototyyppien tekemiseen itse)
• Juotosrauta, virtaus, juotoslanka
• Pinsetit

Materiaali

• Bakeliitti yksipuolinen kuparilevy (vähintään 60*35 mm)
• Mikro -ohjain Attiny45
• Operatiivinen vahvistin AD8605
• Induktori 100uF
• 1 Schottky -diodi CBM1100
• 8 Schottky -diodi BAT46
• Transistorit ja kondensaattorit (koko 0603) (vrt. BillOfMaterial.txt)

Vaihe 4: Piirilevyn valmistus

Näytän menetelmäni prototyyppien laatimiseen, mutta tietysti, jos et voi valmistaa piirilevyjä kotona, voit tilata sen suosikkitehtaastasi.

Käytin ProxxonMF70: tä muunnettuna CNC: ksi ja kolmiomaista päämyllyä. G-koodin luomiseksi käytän Eaglen laajennusta.

Sitten komponentit juotetaan pienemmästä alkaen.

Voit huomata, että jotkut liitännät puuttuvat, tässä teen hyppyjä käsin. Juotin kaarevat vastusjalat (vrt. Kuva).

Vaihe 5: Mikro -ohjaimen ohjelmointi

Ohjelmoin Attiny45-mikro-ohjaimen Arduinolla (Adafruit pro-trinket ja FTDI USB -kaapeli). Lataa tiedostot tietokoneellesi, yhdistä ohjaimen nastat:

1. arduino -nastaan 11
2. arduino -nastaan 12
3. Arduino -nastaan 13 (ohjaimeen Vin (jänniteanturi), kun sitä ei ohjelmoida)
4. arduino -nastaan 10
5. arduino -nastaan 5V
6. arduino -nastaan G.

Lataa sitten koodi ohjaimeen.

Vaihe 6: Testausasetukset

Tein tämän asennuksen (vrt. Kuva) testatakseni ohjainta. Voin nyt valita nopeuden ja nähdä, miten ohjain reagoi. Lisäksi voin arvioida kuinka paljon virtaa saadaan kertomalla U ja näytin virtalähteen näytössä. Vaikka moottori ei käyttäydy aivan kuin tuuliturbiini, katson, että tämä lähentäminen ei ole niin huono. Itse asiassa, kun tuuliturbiini rikkoo moottorin, se hidastuu ja kun annat sen kääntyä vapaasti, se saavuttaa suurimman nopeuden. (vääntömomentti-nopeuskäyrä on salmiviiva tasavirtamoottorille ja eräänlainen parabola tuuliturbiinille)

Laskin alennusvaihteiston (16: 1), jotta pieni tasavirtamoottori pyörii tehokkaimmalla nopeudellaan ja askelmoottori pyörii keskinopeudella (200 rpm) tuuliturbiinille, jonka tuulen nopeus on pieni (3 m/s))

Vaihe 7: Tulokset

Tässä kokeessa (ensimmäinen kuvaaja) käytin tehon LEDiä kuormana. Sen etujännite on 2,6 volttia. Koska jännitys on vakiintunut noin 2,6, mittain vain virran.

1) Virtalähde 5,6 V (sininen viiva kaaviossa 1)

• generaattorin min. nopeus 132 rpm
• generaattorin maksiminopeus 172 rpm
• generaattorin maksimiteho 67 mW (26 mA x 2,6 V)

2) Virtalähde 4 V (punainen viiva kaaviossa 1)

• generaattorin min. nopeus 91 rpm
• generaattorin maksiminopeus 102 rpm
• generaattorin enimmäisteho 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Viimeisessä kokeessa (toinen kuvaaja) ohjain laskee tehon suoraan. Tässä tapauksessa kuormana on käytetty 3,7 V: n li-po-akkua.

generaattorin maksimiteho 44mW

Vaihe 8: Keskustelu

Ensimmäinen kaavio antaa käsityksen tehosta, jota voimme odottaa tältä asetukselta.

Toinen kaavio osoittaa, että on olemassa joitakin paikallisia maksimia. Tämä on ongelma sääntelyviranomaiselle, koska se jumittuu näihin paikallisiin maksimiin. Epälineaarisuus johtuu siirtymisestä induktorin johtamisen jatkamisen ja lopettamisen välillä. Hyvä asia on, että se tapahtuu aina samalla käyttöjaksolla (ei riipu generaattorin nopeudesta). Välttääkseni ohjaimen jumittumisen paikalliseen maksimirajaan, rajoitan toimintajakson vain arvoon [0,45 0,8].

Toinen kaavio näyttää enintään 0,044 wattia. Koska kuorma oli yksisoluinen 3,7 voltin li-po-akku. Tämä tarkoittaa, että latausvirta on 12 mA. (I = P/U). Tällä nopeudella voin ladata 500 mAh: n 42 tunnissa tai käyttää sitä sulautetun mikro-ohjaimen suorittamiseen (esimerkiksi Attiny MPPT-ohjaimelle). Toivottavasti tuuli puhaltaa voimakkaammin.

Tässä on myös joitain ongelmia, joita huomasin tämän asennuksen yhteydessä:

• Akun ylijännitettä ei ohjata (akussa on suojapiiri)
• Askelmoottorin ulostulo on meluisa, joten minun täytyy keskittää mittaus pitkällä aikavälillä 0,6 sekuntia.

Lopulta päätin tehdä toisen kokeilun BLDC: n kanssa. Koska BLDC -levyillä on toinen topologia, minun piti suunnitella uusi levy. Ensimmäisessä kaaviossa saatuja tuloksia käytetään kahden generaattorin vertaamiseen, mutta selitän kaiken pian toisessa ohjeessa.