Tracker Power Point Maksimum untuk Turbin Angin Kecil: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Terdapat banyak turbin angin DIY di internet tetapi sangat sedikit yang menjelaskan dengan jelas hasil yang mereka peroleh dari segi kuasa atau tenaga. Juga sering terdapat kekeliruan antara daya, ketegangan dan arus. Banyak masa, orang berkata: "Saya mengukur ketegangan ini pada generator!" Bagus! Tetapi itu tidak bermaksud anda boleh menarik arus dan mempunyai daya (Daya = ketegangan x arus). Terdapat juga banyak pengawal MPPT (Maximum Power Point Tracker) buatan sendiri untuk aplikasi solar tetapi tidak begitu banyak untuk aplikasi angin. Saya melakukan projek ini untuk memperbaiki keadaan ini.

Saya merancang pengawal cas MPPT berkuasa rendah (<1W) untuk bateri Lithium Ion Polymer 3.7V (sel tunggal). Saya bermula dengan sesuatu yang kecil kerana saya ingin membandingkan reka bentuk turbin angin bercetak 3D yang berbeza dan ukuran turbin ini tidak boleh menghasilkan lebih daripada 1W. Matlamat terakhir adalah untuk menyediakan stesen yang berdiri sendiri atau sistem luar grid.

Untuk menguji pengawal, saya membina persediaan dengan motor DC kecil yang digabungkan dengan motor stepper (NEMA 17). Motor stepper digunakan sebagai penjana dan motor DC membolehkan saya mensimulasikan angin yang mendorong bilah turbin. Pada langkah seterusnya saya akan menerangkan masalahnya dan meringkaskan beberapa konsep penting jadi jika anda hanya berminat dengan membuat papan, lompat ke langkah 3.

Langkah 1: Masalahnya

Kami mahu mengambil tenaga kinetik dari angin, mengubahnya menjadi elektrik dan menyimpan elektrik itu dalam bateri. Masalahnya ialah angin berubah-ubah sehingga jumlah tenaga yang ada juga turun naik. Lebih-lebih lagi ketegangan penjana bergantung pada kelajuannya tetapi ketegangan bateri tetap. Bagaimana kita dapat menyelesaikannya?

Kita perlu mengatur arus penjana kerana arus berkadar dengan tork brek. Sesungguhnya terdapat selari antara dunia mekanikal (Kuasa mekanikal = Tork x Kelajuan) dan dunia elektrik (Kuasa elektrik = Arus x Ketegangan) (rujuk graf). Perincian mengenai elektronik akan dibincangkan kemudian.

Di manakah daya maksimum? Untuk kelajuan angin tertentu, jika kita membiarkan turbin berputar dengan bebas (tidak ada tork pengereman), kelajuannya akan maksimum (dan voltan juga) tetapi kita tidak mempunyai arus sehingga kekuatannya kosong. Di sisi lain jika kita memaksimumkan arus yang ditarik, kemungkinan kita menggerakkan turbin terlalu banyak dan kelajuan aerodinamik optimum tidak tercapai. Di antara kedua-dua ekstrem ini terdapat titik di mana produk daya kilas mengikut kelajuan maksimum. Inilah yang kami cari!

Sekarang terdapat pendekatan yang berbeza: Contohnya jika anda mengetahui semua persamaan dan parameter yang menerangkan sistem, anda mungkin dapat mengira kitaran tugas terbaik untuk kelajuan angin dan kelajuan turbin tertentu. Atau, jika anda tidak tahu apa-apa, anda boleh mengatakan kepada pengawal: Ubah sedikit kitaran tugas kemudian hitung kuasanya. Sekiranya lebih besar itu bermakna kita bergerak ke arah yang baik jadi terus ke arah itu. Sekiranya lebih rendah gerakkan kitaran tugas ke arah yang bertentangan.

Langkah 2: Penyelesaiannya

Mula-mula kita perlu membetulkan output penjana dengan jambatan dioda dan kemudian mengatur arus yang disuntikkan di dalam bateri dengan penukar rangsangan. Sistem lain menggunakan penukar buck atau buck boost tetapi kerana saya mempunyai turbin kuasa rendah saya menganggap bahawa voltan bateri selalu lebih besar daripada output penjana. Untuk mengatur arus, kita perlu mengubah kitaran tugas (Ton / (Ton + Toff)) penukar rangsangan.

Bahagian di sebelah kanan skema menunjukkan penguat (AD8603) dengan input perbezaan untuk mengukur ketegangan pada R2. Hasilnya digunakan untuk mengurangkan beban semasa.

Kapasitor besar yang kita lihat pada gambar pertama adalah eksperimen: Saya menghidupkan litar saya dalam pengganda Voltage Delon. Kesimpulannya bagus jadi jika lebih banyak voltan diperlukan, tambahkan saja kapasitor untuk melakukan transformasi.

Langkah 3: Alat dan Bahan

Alat

• Pengaturcara Arduino atau AVR
• Multimeter
• Mesin penggilingan atau pengilangan kimia (untuk prototaip PCB sendiri)
• Besi solder, fluks, kawat pematerian
• Pinset

Bahan

• Plat tembaga sisi tunggal Bakelite (minimum 60 * 35 mm)
• Mikrokontroler Attiny45
• Penguat operasi AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky diod CBM1100
• 8 Schottky diod BAT46
• Transistor dan Kapasitor (saiz 0603) (rujuk BillOfMaterial.txt)

Langkah 4: Membuat PCB

Saya menunjukkan kaedah saya untuk membuat prototaip tetapi sudah tentu jika anda tidak dapat membuat PCB di rumah anda boleh memesannya ke kilang kegemaran anda.

Saya menggunakan ProxxonMF70 yang ditukar menjadi CNC dan kilang akhir segitiga. Untuk menghasilkan G-Code saya menggunakan plugin untuk Eagle.

Kemudian komponen disolder bermula dengan yang lebih kecil.

Anda dapat melihat bahawa beberapa sambungan hilang, di sinilah saya membuat lompatan dengan tangan. Saya solder kaki perintang melengkung (rujuk gambar).

Langkah 5: Pengaturcaraan Mikrokontroler

Saya menggunakan Arduino (Adafruit pro-trinket dan kabel USB FTDI) untuk memprogram pengawal mikro Attiny45. Muat turun fail ke komputer anda, sambungkan pin pengawal:

1. ke pin arduino 11
2. ke pin arduino 12
3. ke arduino pin 13 (ke pengawal Vin (sensor voltan) semasa tidak memprogram)
4. ke pin arduino 10
5. ke arduino pin 5V
6. ke pin arduino G

Kemudian muatkan kod pada pengawal.

Langkah 6: Persediaan Ujian

Saya membuat persediaan ini (rujuk gambar) untuk menguji pengawal saya. Saya sekarang dapat memilih kelajuan dan melihat bagaimana pengawal bertindak balas. Saya juga dapat menganggarkan berapa banyak daya yang dihantar dengan mengalikan U dan saya menunjukkan pada skrin bekalan kuasa. Walaupun motor tidak berkelakuan sama seperti turbin angin, saya menganggap bahawa pendekatan ini tidak begitu buruk. Sesungguhnya, sebagai turbin angin, semasa anda mematikan motor, ia akan menjadi perlahan dan apabila anda membiarkannya berpusing dengan bebas, ia akan mencapai kelajuan maksimum. (kurva kelajuan tork adalah garis selat untuk motor DC dan sejenis parabola untuk turbin angin)

Saya mengira kotak gear pengurangan (16: 1) agar motor DC kecil berputar pada kelajuan paling efisien dan motor stepper berputar pada kelajuan rata-rata (200 rpm) untuk turbin angin dengan kelajuan angin rendah (3 m / s)

Langkah 7: Hasil

Untuk percubaan ini (grafik pertama), saya menggunakan LED kuasa sebagai beban. Ia mempunyai voltan hadapan 2.6 volt. Oleh kerana ketegangan stabil sekitar 2.6, saya hanya mengukur arus.

1) Bekalan kuasa pada 5.6 V (garis biru pada grafik 1)

• kelajuan min penjana 132 rpm
• kelajuan maksimum penjana 172 rpm
• kuasa maksimum penjana 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Bekalan kuasa pada 4 V (garis merah pada grafik 1)

• kelajuan min penjana 91 rpm
• kelajuan maksimum penjana 102 rpm
• kuasa maksimum penjana 23mW (9 mA x 2.6V)

Dalam eksperimen terakhir (grafik kedua), kuasa dikira secara langsung oleh pengawal. Dalam kes ini, bateri li-po 3,7 V telah digunakan sebagai beban.

kuasa maksimum penjana 44mW

Langkah 8: Perbincangan

Grafik pertama memberi idea tentang kekuatan yang dapat kita harapkan dari persediaan ini.

Graf kedua menunjukkan bahawa terdapat beberapa maksimum tempatan. Ini adalah masalah bagi pengatur kerana ia terjebak dalam jumlah maksimum penduduk setempat ini. Ketiadaan linear disebabkan oleh peralihan antara terus dan menghentikan pengaliran induktor. Perkara yang baik ialah ia selalu berlaku untuk kitaran tugas yang sama (tidak bergantung pada kelajuan penjana). Untuk mengelakkan pengawal terjebak dalam maksimum tempatan, saya hanya mengehadkan julat kitaran tugas ke [0,45 0,8].

Graf kedua menunjukkan maksimum 0.044 watt. Sebagai beban adalah bateri li-po sel tunggal 3.7 volt. Ini bermaksud arus pengecasan adalah 12 mA. (I = P / U). Pada kelajuan ini saya dapat mengecas 500mAh dalam 42 jam atau menggunakannya untuk menjalankan pengawal mikro tertanam (contohnya Attiny untuk pengawal MPPT). Semoga angin bertiup lebih kuat.

Berikut adalah beberapa masalah yang saya perhatikan dengan persediaan ini:

• Voltan bateri tidak dikawal (terdapat litar perlindungan di dalam bateri)
• Motor stepper mempunyai output yang bising jadi saya perlu mengukur rata-rata pengukuran dalam jangka masa panjang 0.6 saat.

Akhirnya saya memutuskan untuk membuat percubaan lain dengan BLDC. Oleh kerana BLDC mempunyai topologi lain saya harus merancang papan baru. Hasil yang diperoleh dalam grafik pertama akan digunakan untuk membandingkan kedua penjana itu tetapi saya akan menerangkan semuanya dalam arahan lain.