Maksimaalne Power Point Tracker väikeste tuuleturbiinide jaoks: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Internetis on palju isetegija tuuleturbiini, kuid väga vähesed selgitavad selgelt, millist tulemust nad jõu või energia osas saavad. Samuti on sageli segadus võimsuse, pinge ja voolu vahel. Paljud inimesed ütlevad: "Ma mõõtsin seda pinget generaatoril!" Tore! Kuid see ei tähenda, et saate voolu tõmmata ja teil on võimsus (võimsus = pinge x vool). Samuti on palju kodus valmistatud MPPT (Maximum Power Point Tracker) kontrollereid päikeseenergia jaoks, kuid mitte nii palju tuule jaoks. Tegin selle projekti selle olukorra parandamiseks.

Kujundasin väikese võimsusega (<1W) MPPT laadimiskontrolleri 3,7 V (üheelemendiliste) liitium -ioonpolümeerpatareide jaoks. Alustasin millegi väikesega, sest tahaksin võrrelda erinevat 3D -trükitud tuuleturbiini konstruktsiooni ja nende turbiinide suurus ei tohiks toota palju rohkem kui 1W. Lõplik eesmärk on varustada eraldiseisev jaam või võrguvälisüsteem.

Kontrolleri testimiseks koostasin seadistuse väikese alalisvoolumootoriga, mis oli ühendatud samm -mootoriga (NEMA 17). Sammumootorit kasutatakse generaatorina ja alalisvoolumootor võimaldab mul simuleerida turbiini labasid suruvat tuult. Järgmises etapis selgitan probleemi ja võtan kokku mõned olulised mõisted, nii et kui olete lihtsalt tahvlit valmistades huvitatud, jätkake 3. sammuga.

Samm: probleem

Tahame võtta tuulest kineetilise energia, muuta selle elektrienergiaks ja salvestada selle elektri akusse. Probleem on selles, et tuul kõigub, seega kõigub ka olemasolev energiakogus. Lisaks sõltub generaatori pinge selle kiirusest, kuid aku pinge on konstantne. Kuidas me saame selle lahendada?

Peame generaatori voolu reguleerima, kuna vool on proportsionaalne pidurdusmomendiga. Tõepoolest, mehaanilise maailma (mehaaniline võimsus = pöördemoment x kiirus) ja elektrimaailma (elektrivõimsus = vool x pinge) vahel on tõepoolest paralleel (vt graafik). Elektroonika üksikasju arutatakse hiljem.

Kus on maksimaalne võimsus? Teatud tuulekiiruse korral, kui laseme turbiinil vabalt ringi liikuda (pidurdusmomenti pole), on selle kiirus maksimaalne (ja ka pinge), kuid meil pole voolu, nii et võimsus on null. Teisest küljest, kui maksimeerime tõmmatud voolu, on tõenäoline, et pidurdame turbiini liiga palju ja optimaalset aerodünaamilist kiirust ei saavutata. Nende kahe äärmuse vahel on punkt, kus pöördemomendi korrutis kiiruse järgi on maksimaalne. Seda me otsime!

Nüüd on erinevaid lähenemisviise. Näiteks kui teate kõiki süsteemi kirjeldavaid võrrandeid ja parameetreid, saate tõenäoliselt välja arvutada parima töötsükli teatud tuulekiiruse ja turbiini kiiruse jaoks. Või kui te midagi ei tea, võite kontrollerile öelda: muutke natuke töötsüklit ja arvutage võimsus. Kui see on suurem, tähendab see, et liikusime heas suunas, nii et jätkake selles suunas. Kui see on madalam, liigutage töötsüklit vastupidises suunas.

2. samm: lahendus

Kõigepealt peame generaatori väljundi dioodsillaga parandama ja seejärel reguleerima aku sissepritsitud voolu võimendusmuunduriga. Teised süsteemid kasutavad buck või buck boost converterit, kuid kuna mul on väikese võimsusega turbiin, eeldan, et aku pinge on alati suurem kui generaatori väljund. Voolu reguleerimiseks peame muutma võimendusmuunduri töötsüklit (Ton / (Ton+Toff)).

Skeemide paremal küljel olevad osad näitavad võimendit (AD8603), millel on erinev sisend R2 pinge mõõtmiseks. Tulemust kasutatakse praeguse koormuse tuletamiseks.

Suured kondensaatorid, mida näeme esimesel pildil, on eksperiment: keerasin oma ahela Deloni pinge kahekordistajaks. Järeldused on head, nii et kui on vaja rohkem pinget, lisage transformatsiooni tegemiseks lihtsalt kondensaatorid.

Samm: tööriistad ja materjal

Tööriistad

• Arduino või AVR programmeerija
• Multimeeter
• Freespink või keemiline söövitus (PCB prototüüpimiseks ise)
• Jootekolb, voog, jootetraat
• Pintsetid

Materjal

• Bakeliit ühepoolne vaskplaat (vähemalt 60*35 mm)
• Mikrokontroller Attiny45
• Operatsioonivõimendi AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky diood CBM1100
• 8 Schottky diood BAT46
• Transistorid ja kondensaatorid (suurus 0603) (vt BillOfMaterial.txt)

Samm: trükkplaadi valmistamine

Näitan teile oma prototüüpimise meetodit, kuid muidugi, kui te ei saa kodus PCB -sid teha, saate selle oma lemmikvabrikusse tellida.

Kasutasin ProxxonMF70, mis oli muundatud CNC -ks, ja kolmnurkset otsafreesit. G-koodi genereerimiseks kasutan Eagle'i jaoks pistikprogrammi.

Seejärel joodetakse komponendid, alustades väiksematest.

Võite täheldada, et mõned ühendused puuduvad, siin teen käsitsi hüppeid. Joodan kõverad takisti jalad (vrd pilt).

Samm: mikrokontrolleri programmeerimine

Kasutan Attiny45 mikrokontrolleri programmeerimiseks Arduinot (Adafruit pro-nipsasja ja FTDI USB-kaabel). Laadige failid arvutisse, ühendage kontrolleri tihvtid:

1. arduino tihvti 11 juurde
2. arduino tihvtile 12
3. arduino kontaktile 13 (kontrollerile Vin (pingeandur), kui seda ei programmeerita)
4. arduino tihvtile 10
5. kuni arduino pin 5V
6. kuni arduino pin G

Seejärel laadige kood kontrollerile.

6. samm: testimise seadistamine

Tegin selle seadistuse (vt pilti) kontrolleri testimiseks. Nüüd saan valida kiiruse ja näha, kuidas kontroller reageerib. Samuti võin hinnata U võimsuse korrutamise teel saadud energiat ja ma nägin toiteallika ekraanil. Kuigi mootor ei käitu täpselt nagu tuuleturbiin, arvan, et see lähendamine pole nii halb. Tõepoolest, kui tuuleturbiin aeglustab mootorit, siis see aeglustub ja kui lasete sellel vabalt pöörduda, saavutab see maksimaalse kiiruse. (pöördemomendi ja kiiruse kõver on alalisvoolumootori väinajoon ja tuuleturbiinide omamoodi parabool)

Arvutasin reduktorkäigukasti (16: 1), et väike alalisvoolumootor pöörleks kõige tõhusamal kiirusel ja samm -mootor pöörleks keskmise kiirusega (200 p/min) väikese tuulekiirusega (3 m/s) tuuleturbiinil)

Samm 7: Tulemused

Selle katse jaoks (esimene graafik) kasutasin koormusena toite LED -i. Selle esipinge on 2,6 volti. Kuna pinge stabiliseerub 2,6 ümber, siis mõõtsin ainult voolu.

1) Toide 5,6 V juures (sinine joon graafikul 1)

• generaatori min kiirus 132 p / min
• generaatori maksimumkiirus 172 p / min
• generaatori maksimaalne võimsus 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Toide 4 V juures (punane joon graafikul 1)

• generaatori min kiirus 91 p / min
• generaatori maksimumkiirus 102 p / min
• generaatori maksimaalne võimsus 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Viimases katses (teine graafik) arvutab võimsuse otse kontroller. Sel juhul on koormuseks kasutatud 3,7 V li-po akut.

generaatori maksimaalne võimsus 44mW

8. samm: arutelu

Esimene graafik annab aimu võimsusest, mida me sellest seadistusest oodata võime.

Teine graafik näitab, et kohalikud maksimumid on olemas. See on regulaatori probleem, sest see jääb nende kohalike maksimumide vahele kinni. Mittelineaarsus tuleneb üleminekust induktiivjuhtimise jätkamise ja katkestamise vahel. Hea on see, et see juhtub alati sama töötsükli jooksul (ei sõltu generaatori kiirusest). Et vältida kontrolleri kinni jäämist kohalikku maksimumini, piiran lihtsalt töötsükli vahemikku [0,45 0,8].

Teine graafik näitab maksimaalselt 0,044 vatti. Kuna koormus oli üheelemendiline 3,7-voldine li-po aku. See tähendab, et laadimisvool on 12 mA. (I = P/U). Sellise kiirusega saan laadida 500 mAh 42 tunni jooksul või kasutada seda sisseehitatud mikrokontrolleri käitamiseks (näiteks Attiny MPPT-kontrolleri jaoks). Loodetavasti puhub tuul tugevamaks.

Siin on ka mõned probleemid, mida ma selle seadistusega märkasin:

• Aku ülepinget ei kontrollita (akus on kaitselülitus)
• Sammumootoril on mürarikas väljund, nii et pean pika aja jooksul mõõtma keskmiselt 0,6 sekundit.

Lõpuks otsustasin teha veel ühe katse BLDC -ga. Kuna BLDC -del on teine topoloogia, pidin kavandama uue plaadi. Esimeses graafikus saadud tulemusi kasutatakse kahe generaatori võrdlemiseks, kuid ma selgitan kõike varsti teises juhendis.