Največji sledilnik moči Power Point za majhne vetrne turbine: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Na internetu je veliko DIY vetrnih turbin, vendar le redki jasno pojasnijo rezultat, ki ga dobijo v smislu moči ali energije. Pogosto pride tudi do zmede med močjo, napetostjo in tokom. Veliko časa ljudje pravijo: "Izmeril sem to napetost na generatorju!" Lepo! Vendar to ne pomeni, da lahko črpate tok in imate moč (moč = napetost x tok). Obstaja tudi veliko domačih krmilnikov MPPT (Maximum Power Point Tracker) za sončno uporabo, vendar ne toliko za vetrno uporabo. Ta projekt sem naredil, da bi popravil to situacijo.

Oblikoval sem krmilnik polnjenja MPPT z nizko porabo energije (<1 W) za litij -ionske polimerne baterije 3,7 V (enocelične). Začel sem z nečim majhnim, ker bi želel primerjati različno obliko 3D vetrnih turbin, velikost teh turbin pa ne bi smela proizvajati več kot 1 W. Končni cilj je dobava samostojne postaje ali katerega koli drugega omrežnega sistema.

Za preizkus krmilnika sem zgradil nastavitev z majhnim enosmernim motorjem, povezanim s koračnim motorjem (NEMA 17). Koračni motor se uporablja kot generator, enosmerni motor pa mi omogoča simulacijo vetra, ki potiska lopatice turbine. V naslednjem koraku bom razložil težavo in povzel nekaj pomembnih pojmov, zato, če vas zanima samo izdelava deske, skočite na 3. korak.

1. korak: Problem

Od vetra želimo vzeti kinetično energijo, jo pretvoriti v električno energijo in jo shraniti v baterijo. Težava je v tem, da veter niha, zato niha tudi razpoložljiva količina energije. Poleg tega je napetost generatorja odvisna od njegove hitrosti, vendar je napetost baterije konstantna. Kako lahko to rešimo?

Regulirati moramo tok generatorja, ker je tok sorazmeren z zavornim momentom. Dejansko obstaja vzporednica med mehanskim svetom (Mehanska moč = Navor x hitrost) in električnim svetom (Električna moč = Tok x Napetost) (prim. Graf). Podrobnosti o elektroniki bodo obravnavane kasneje.

Kje je največja moč? Če za določeno hitrost vetra pustimo, da se turbina prosto vrti (brez zavornega navora), bo njena hitrost največja (in tudi napetost), vendar nimamo toka, zato je moč ničelna. Na drugi strani, če povečamo vlečeni tok, je verjetno, da turbino preveč zaviramo in da optimalna aerodinamična hitrost ni dosežena. Med tema dvema ekstremoma je točka, kjer je zmnožek navora na hitrost največji. To je tisto, kar iščemo!

Zdaj obstajajo različni pristopi: če na primer poznate vse enačbe in parametre, ki opisujejo sistem, lahko verjetno izračunate najboljši obratovalni cikel za določeno hitrost vetra in hitrost turbine. Če pa nič ne veste, lahko krmilniku rečete: nekoliko spremenite delovni cikel in nato izračunajte moč. Če je večji, to pomeni, da smo šli v dobro smer, zato nadaljujte v tej smeri. Če je nižja, premaknite obratovalni cikel v nasprotno smer.

2. korak: Rešitev

Najprej moramo popravljati izhod generatorja z diodnim mostom, nato pa z ojačevalnim pretvornikom uravnavati vbrizgani tok v bateriji. Drugi sistemi uporabljajo pretvornik denarja ali povečanje denarja, a ker imam turbino z nizko močjo, predvidevam, da je napetost akumulatorja vedno večja od izhoda generatorja. Za regulacijo toka moramo spremeniti obratovalni cikel (Ton / (Ton+Toff)) ojačevalnega pretvornika.

Deli na desni strani sheme prikazujejo ojačevalnik (AD8603) z vhodom za razliko za merjenje napetosti na R2. Rezultat se uporabi za izračun trenutne obremenitve.

Veliki kondenzatorji, ki jih vidimo na prvi sliki, so eksperiment: vezje sem obrnil v Delonovem podvojitelju napetosti. Zaključki so dobri, zato, če je potrebna večja napetost, samo dodajte kondenzatorje, da izvedete transformacijo.

3. korak: Orodja in material

Orodja

• Arduino ali AVR programer
• Multimeter
• Rezkalni stroj ali kemično jedkanje (za izdelavo prototipov PCB sami)
• Spajkalnik, fluks, spajkalna žica
• Pinceta

Material

• Bakelitna enostranska bakrena plošča (najmanj 60*35 mm)
• Mikrokrmilnik Attiny45
• Operacijski ojačevalnik AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottkyjeva dioda CBM1100
• 8 Schottkyjeva dioda BAT46
• Tranzistorji in kondenzatorji (velikost 0603) (prim. BillOfMaterial.txt)

4. korak: Izdelava tiskanega vezja

Pokazal vam bom svojo metodo izdelave prototipov, če pa ne morete izdelovati PCB -jev doma, jo lahko naročite v svoji najljubši tovarni.

Uporabil sem ProxxonMF70, pretvorjen v CNC, in trikotni končni mlin. Za ustvarjanje kode G uporabljam vtičnik za Eagle.

Nato se komponente spajkajo, začenši z manjšimi.

Opazite lahko, da nekatere povezave manjkajo, tu skočim ročno. Spajal sem ukrivljene uporovne noge (prim. Sliko).

5. korak: Programiranje mikrokrmilnika

Za programiranje mikrokrmilnika Attiny45 uporabljam Arduino (Adafruit pro-trinket in USB kabel FTDI). Prenesite datoteke v računalnik, priključite zatiče krmilnika:

1. na arduino pin 11
2. na arduino pin 12
3. na arduino pin 13 (na krmilnik Vin (senzor napetosti), ko ne programira)
4. na arduino pin 10
5. na arduino pin 5V
6. na arduino pin G

Nato kodo naložite na krmilnik.

6. korak: Nastavitev testiranja

To nastavitev sem naredil (prim. Sliko), da preizkusim svoj krmilnik. Zdaj lahko izberem hitrost in vidim, kako se odzove krmilnik. Prav tako lahko ocenim, koliko energije je dostavljeno z množenjem U, ki sem ga prikazal na zaslonu za napajanje. Čeprav se motor ne obnaša ravno kot vetrna turbina, menim, da ta približek ni tako slab. Dejansko se vetrna turbina, ko motor pokvari, upočasni in ko mu dovolite, da se prosto vrti, doseže največjo hitrost. (krivulja navora-hitrost je prehodna črta za motor z enosmernim tokom in nekakšna parabola za vetrne turbine)

Izračunal sem redukcijski menjalnik (16: 1), da bi se mali enosmerni motor vrtel s svojo najučinkovitejšo hitrostjo, koračni motor pa s povprečno hitrostjo (200 vrt/min) za vetrno turbino z nizko hitrostjo vetra (3 m/s))

7. korak: Rezultati

Za ta poskus (prvi graf) sem kot obremenitev uporabil LED za napajanje. Ima sprednjo napetost 2,6 voltov. Ker se napetost stabilizira okoli 2,6, sem izmeril samo tok.

1) Napajanje pri 5,6 V (modra črta na grafu 1)

• Najmanjša hitrost generatorja 132 vrt / min
• največja hitrost generatorja 172 vrt / min
• največja moč generatorja 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Napajanje pri 4 V (rdeča črta na grafu 1)

• Najmanjša hitrost generatorja 91 vrt / min
• največja hitrost generatorja 102 vrt / min
• največja moč generatorja 23mW (9 mA x 2.6V)

V zadnjem poskusu (drugi graf) krmilnik neposredno izračuna moč. V tem primeru je bila kot obremenitev uporabljena 3,7 V li-po baterija.

največja moč generatorja 44mW

8. korak: Pogovor

Prvi graf daje predstavo o moči, ki jo lahko pričakujemo od te nastavitve.

Drugi graf prikazuje, da obstaja nekaj lokalnih maksimumov. To je problem za regulator, ker se zatakne v teh maksimumih domačinov. Nelinearnost je posledica prehoda med nadaljevanjem in prekinitvijo prevodnosti induktorja. Dobra stvar je, da se to zgodi vedno za isti delovni cikel (ni odvisno od hitrosti generatorja). Da bi se izognili, da bi se regulator zataknil v lokalnem maksimumu, preprosto omejim območje delovnega cikla na [0,45 0,8].

Drugi graf prikazuje največ 0,044 vata. Ker je bila obremenitev enocelična li-po baterija 3,7 volta. To pomeni, da je polnilni tok 12 mA. (I = P/U). Pri tej hitrosti lahko v 42 urah napolnim 500mAh ali ga uporabim za zagon vgrajenega mikrokrmilnika (na primer Attiny za krmilnik MPPT). Upajmo, da bo veter pihal močneje.

Tudi pri tej nastavitvi sem opazil nekaj težav:

• Prenapetost akumulatorja ni nadzorovana (v akumulatorju je zaščitno vezje)
• Koračni motor ima hrupno moč, zato moram meriti povprečje za dolgo obdobje 0,6 sekunde.

Nazadnje sem se odločil narediti še en poskus z BLDC. Ker imajo BLDC še eno topologijo, sem moral oblikovati novo ploščo. Rezultati, dobljeni v prvem grafu, bodo uporabljeni za primerjavo obeh generatorjev, vendar bom kmalu vse razložil v drugih navodilih.