Maksymalne śledzenie punktu mocy dla małych turbin wiatrowych: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W Internecie jest wiele turbin wiatrowych typu „zrób to sam”, ale bardzo niewiele wyjaśnia jasno wynik, jaki uzyskują pod względem mocy lub energii. Często też myli się moc, napięcie i prąd. Dużo czasu ludzie mówią: „Zmierzyłem to napięcie na generatorze!” Miły! Ale to nie znaczy, że możesz pobierać prąd i mieć moc (Moc = napięcie x prąd). Istnieje również wiele domowych sterowników MPPT (Maximum Power Point Tracker) do zastosowań słonecznych, ale nie tak bardzo do zastosowań wiatrowych. Zrobiłem ten projekt, aby zaradzić tej sytuacji.

Zaprojektowałem kontroler ładowania MPPT o niskiej mocy (<1W) do akumulatorów litowo-polimerowych 3,7V (jednoogniwowych). Zacząłem od czegoś małego, ponieważ chciałbym porównać różne projekty turbin wiatrowych wydrukowanych w 3D, a rozmiar tych turbin nie powinien wytwarzać znacznie więcej niż 1W. Ostatecznym celem jest dostarczenie samodzielnej stacji lub dowolnego systemu poza siecią.

Aby przetestować kontroler, zbudowałem układ z małym silnikiem prądu stałego sprzężonym z silnikiem krokowym (NEMA 17). Silnik krokowy służy jako generator, a silnik prądu stałego pozwala mi symulować wiatr popychający łopaty turbiny. W następnym kroku wyjaśnię problem i podsumuję kilka ważnych pojęć, więc jeśli interesuje Cię tylko wykonanie tablicy, przejdź do kroku 3.

Krok 1: Problem

Chcemy pobierać energię kinetyczną z wiatru, przekształcać ją w energię elektryczną i przechowywać ją w baterii. Problem polega na tym, że wiatr się zmienia, więc dostępna ilość energii również się zmienia. Ponadto napięcie generatora zależy od jego prędkości, ale napięcie akumulatora jest stałe. Jak możemy to rozwiązać?

Musimy regulować prąd generatora, ponieważ prąd jest proporcjonalny do momentu hamowania. Rzeczywiście istnieje paralela między światem mechanicznym (Moc mechaniczna = Moment obrotowy x Prędkość) a światem elektrycznym (Moc elektryczna = Prąd x Napięcie) (por. wykres). Szczegóły dotyczące elektroniki zostaną omówione później.

Gdzie jest maksymalna moc? Dla danej prędkości wiatru, jeśli pozwolimy turbinie obracać się swobodnie (brak momentu hamowania), to prędkość będzie maksymalna (i napięcie też), ale nie mamy prądu, więc moc jest zerowa. Z drugiej strony, jeśli maksymalizujemy pobierany prąd, prawdopodobnie za bardzo hamujemy turbinę i nie osiągamy optymalnej prędkości aerodynamicznej. Pomiędzy tymi dwoma ekstremami znajduje się punkt, w którym iloczyn momentu obrotowego przez prędkość jest maksymalny. Tego właśnie szukamy!

Teraz są różne podejścia: Na przykład, jeśli znasz wszystkie równania i parametry opisujące system, prawdopodobnie możesz obliczyć najlepszy cykl pracy dla określonej prędkości wiatru i prędkości turbiny. Lub, jeśli nic nie wiesz, możesz powiedzieć kontrolerowi: zmień nieco cykl pracy, a następnie oblicz moc. Jeśli jest większy, oznacza to, że poszliśmy w dobrym kierunku, więc idź dalej w tym kierunku. Jeśli jest niższy, po prostu przesuń cykl pracy w przeciwnym kierunku.

Krok 2: Rozwiązanie

Najpierw musimy wyprostować wyjście generatora mostkiem diodowym, a następnie wyregulować prąd wtryskiwany w akumulatorze za pomocą konwertera doładowania. Inne systemy używają konwertera buck lub buck boost, ale ponieważ mam turbinę małej mocy, zakładam, że napięcie akumulatora jest zawsze większe niż moc generatora. Aby regulować prąd, musimy zmienić cykl pracy (Ton / (Ton+Toff)) konwertera doładowania.

Części po prawej stronie schematu przedstawiają wzmacniacz (AD8603) z wejściem różnicowym do pomiaru napięcia na R2. Wynik służy do wywnioskowania aktualnego obciążenia.

Duże kondensatory, które widzimy na pierwszym obrazie, to eksperyment: włączyłem obwód w podwajaczu Delon Voltage. Wnioski są dobre, więc jeśli potrzebne jest większe napięcie, wystarczy dodać kondensatory, aby dokonać transformacji.

Krok 3: Narzędzia i materiały

Narzędzia

• Programator Arduino lub AVR
• Multimetr
• Frezarka lub trawienie chemiczne (do samodzielnego prototypowania PCB)
• Lutownica, topnik, drut lutowniczy
• Pinceta

Materiał

• Bakelitowa płyta miedziana jednostronna (minimum 60*35 mm)
• Mikrokontroler Attiny45
• Wzmacniacz operacyjny AD8605
• Cewka indukcyjna 100uF
• 1 dioda Schottky'ego CBM1100
• 8 dioda Schottky'ego BAT46
• Tranzystory i kondensatory (rozmiar 0603) (por. BillOfMaterial.txt)

Krok 4: Wykonanie PCB

Pokazuję Ci moją metodę prototypowania, ale oczywiście jeśli nie możesz zrobić PCB w domu, możesz ją zamówić do swojej ulubionej fabryki.

Użyłem ProxxonMF70 przerobionego na CNC i trójkątnego frezu palcowego. Do wygenerowania G-Code używam wtyczki do Eagle.

Następnie elementy są lutowane zaczynając od mniejszych.

Widać, że brakuje niektórych połączeń, tutaj ręcznie wykonuję skoki. Lutuję zakrzywione nogi rezystora (por. zdjęcie).

Krok 5: Programowanie mikrokontrolera

Do programowania mikrokontrolera Attiny45 używam Arduino (Adafruit pro-trinket i kabel FTDI USB). Pobierz pliki na swój komputer, podłącz piny kontrolera:

1. do pinu arduino 11
2. do pinu arduino 12
3. do arduino pin 13 (do kontrolera Vin (czujnik napięcia) gdy nie programuje)
4. do arduino pin 10
5. do pinu arduino 5V
6. do pinu arduino G

Następnie załaduj kod do kontrolera.

Krok 6: Konfiguracja testowania

Wykonałem tę konfigurację (patrz zdjęcie), aby przetestować mój kontroler. Teraz mogę wybrać prędkość i zobaczyć, jak zareaguje kontroler. Mogę też oszacować, ile mocy jest dostarczane przez pomnożenie U i pokazałem na ekranie zasilacza. Chociaż silnik nie zachowuje się dokładnie jak turbina wiatrowa, uważam, że to przybliżenie nie jest takie złe. Rzeczywiście, jak turbina wiatrowa, gdy zepsujesz silnik, zwalnia, a gdy pozwolisz mu się swobodnie obracać, osiąga maksymalną prędkość. (krzywa momentu obrotowego jest cieśniną dla silnika prądu stałego i rodzajem paraboli dla turbin wiatrowych)

Obliczyłem przekładnię redukcyjną (16:1), aby mały silnik prądu stałego obracał się z najbardziej wydajną prędkością, a silnik krokowy obracał się ze średnią prędkością (200 obr/min) dla turbiny wiatrowej o niskiej prędkości wiatru (3 m/s)

Krok 7: Wyniki

W tym eksperymencie (pierwszy wykres) jako obciążenia użyłem diody LED zasilania. Ma napięcie przewodzenia 2,6 wolta. Ponieważ napięcie ustabilizowało się w okolicach 2,6, zmierzyłem tylko prąd.

1) Zasilanie 5,6 V (niebieska linia na wykresie 1)

• min prędkość generatora 132 obr/min
• maksymalna prędkość generatora 172 obr/min
• max moc generatora 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Zasilanie 4 V (czerwona linia na wykresie 1)

• min prędkość generatora 91 obr/min
• maksymalna prędkość generatora 102 obr/min
• maksymalna moc generatora 23mW (9 mA x 2,6V)

W ostatnim eksperymencie (drugi wykres) moc jest bezpośrednio obliczana przez sterownik. W tym przypadku jako obciążenie zastosowano akumulator li-po 3,7 V.

maksymalna moc generatora 44mW

Krok 8: Dyskusja

Pierwszy wykres daje wyobrażenie o mocy, jakiej możemy się spodziewać po tej konfiguracji.

Drugi wykres pokazuje, że istnieją pewne lokalne maksima. Jest to problem dla regulatora, ponieważ utknie w tych lokalnych maksimach. Nieliniowość jest spowodowana przejściem między ciągłym i przerywanym przewodnictwem cewki indukcyjnej. Dobrą rzeczą jest to, że dzieje się to zawsze w tym samym cyklu pracy (nie zależy od prędkości generatora). Aby kontroler nie utknął w lokalnym maksimum, po prostu ograniczam zakres cyklu pracy do [0,45 0,8].

Drugi wykres pokazuje maksymalnie 0,044 wata. Jako obciążenie była pojedyncza bateria li-po o napięciu 3,7 wolta. Oznacza to, że prąd ładowania wynosi 12 mA. (I=P/U). Przy tej prędkości mogę naładować 500mAh w 42 godziny lub użyć go do uruchomienia wbudowanego mikrokontrolera (na przykład Attiny dla kontrolera MPPT). Miejmy nadzieję, że wiatr będzie silniejszy.

Oto kilka problemów, które zauważyłem w tej konfiguracji:

• Przepięcie akumulatora nie jest kontrolowane (w akumulatorze znajduje się obwód ochronny)
• Silnik krokowy ma głośne wyjście, więc muszę uśredniać pomiar przez długi okres 0,6 sekundy.

W końcu zdecydowałem się na kolejny eksperyment z BLDC. Ponieważ BLDC mają inną topologię, musiałem zaprojektować nową płytkę. Wyniki uzyskane na pierwszym wykresie zostaną użyte do porównania dwóch generatorów, ale wszystko wyjaśnię wkrótce w innych instrukcjach.