Maximum Power Point Tracker pro malé větrné turbíny: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Na internetu je spousta kutilských větrných turbín, ale jen málo z nich jasně vysvětluje výsledek, který získávají z hlediska výkonu nebo energie. Také často dochází k záměně mezi silou, napětím a proudem. Lidé často říkají: „Toto napětí jsem změřil na generátoru!“Pěkný! To ale neznamená, že můžete odebírat proud a mít energii (Power = napětí x proud). Existuje také mnoho domácích MPPT (Maximum Power Point Tracker) ovladačů pro solární aplikaci, ale ne tolik pro větrné aplikace. Udělal jsem tento projekt, abych tuto situaci napravil.

Navrhl jsem nízkoenergetický (<1W) MPPT regulátor nabíjení pro 3,7V (jednočlánkové) lithium -iontové polymerové baterie. Začal jsem něčím malým, protože bych chtěl porovnat různé 3D tištěné konstrukce větrných turbín a velikost těchto turbín by neměla produkovat mnohem více než 1W. Konečným cílem je dodat samostatnou stanici nebo jakýkoli off grid systém.

K otestování ovladače jsem postavil sestavu s malým stejnosměrným motorem spojeným s krokovým motorem (NEMA 17). Krokový motor se používá jako generátor a stejnosměrný motor mi umožňuje simulovat vítr tlačící lopatky turbíny. V dalším kroku vysvětlím problém a shrnu několik důležitých pojmů, takže pokud vás zajímá jen vytvoření desky, přejděte ke kroku 3.

Krok 1: Problém

Chceme vzít kinetickou energii větru, přeměnit ji na elektřinu a tuto elektřinu uložit do baterie. Problém je v tom, že vítr kolísá, takže kolísá i dostupné množství energie. Napětí generátoru navíc závisí na jeho rychlosti, ale napětí baterie je konstantní. Jak to můžeme vyřešit?

Potřebujeme regulovat proud generátoru, protože proud je úměrný brzdnému momentu. Skutečně existuje paralela mezi mechanickým světem (mechanický výkon = točivý moment x rychlost) a elektrickým světem (elektrický výkon = proud x napětí) (viz graf). Podrobnosti o elektronice budou probrány později.

Kde je maximální výkon? Pokud pro danou rychlost větru necháme turbínu volně se otáčet (žádný brzdný moment), bude její rychlost maximální (a také napětí), ale nemáme žádný proud, takže výkon je nulový. Na druhou stranu, pokud maximalizujeme odebíraný proud, je pravděpodobné, že příliš zabrzdíme turbínu a nedosáhneme optimální aerodynamické rychlosti. Mezi těmito dvěma extrémy je bod, kde je součin točivého momentu podle otáček maximální. To je to, co hledáme!

Nyní existují různé přístupy: Pokud například znáte všechny rovnice a parametry, které systém popisují, můžete pravděpodobně vypočítat nejlepší pracovní cyklus pro určitou rychlost větru a rychlost turbíny. Nebo pokud nic nevíte, můžete regulátoru říci: Změňte trochu pracovní cyklus a poté vypočítejte výkon. Pokud je větší, znamená to, že jsme se pohnuli dobrým směrem, takže pokračujte tímto směrem. Pokud je nižší, přesuňte pracovní cyklus v opačném směru.

Krok 2: Řešení

Nejprve musíme usměrnit výstup generátoru diodovým můstkem a poté regulovat vstřikovaný proud v baterii posilovacím převodníkem. Jiné systémy používají převodník buck nebo buck boost, ale protože mám turbínu s nízkým výkonem, předpokládám, že napětí baterie je vždy větší než výkon generátoru. Abychom mohli regulovat proud, musíme změnit pracovní cyklus (Ton / (Ton+Toff)) posilovače.

Díly na pravé straně schémat ukazují zesilovač (AD8603) s rozdílovým vstupem pro měření napětí na R2. Výsledek slouží k odvození aktuálního zatížení.

Velké kondenzátory, které vidíme na prvním obrázku, jsou experimenty: Otočil jsem svůj obvod zdvojovačem napětí Delon. Závěry jsou dobré, takže pokud je potřeba větší napětí, stačí k transformaci přidat kondenzátory.

Krok 3: Nástroje a materiál

Nástroje

• Programátor Arduino nebo AVR
• Multimetr
• Frézka nebo chemické leptání (pro vlastní prototypování DPS)
• Páječka, tavidlo, pájecí drát
• Pinzeta

Materiál

• Bakelitová jednostranná měděná deska (minimálně 60 x 35 mm)
• Mikrokontrolér Attiny45
• Operační zesilovač AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottkyho dioda CBM1100
• 8 Schottkyho dioda BAT46
• Tranzistory a kondenzátory (velikost 0603) (viz BillOfMaterial.txt)

Krok 4: Výroba DPS

Ukážu vám svůj způsob prototypování, ale pokud si nemůžete vyrobit PCB doma, můžete si jej objednat do své oblíbené továrny.

Použil jsem ProxxonMF70 převedený na CNC a trojúhelníkovou stopkovou frézu. K vygenerování G-kódu používám plugin pro Eagle.

Poté jsou součásti pájeny počínaje menším.

Můžete pozorovat, že některá spojení chybí, tady dělám skoky ručně. Pájím zakřivené odporové nohy (viz obrázek).

Krok 5: Programování mikrokontroléru

K programování mikrokontroléru Attiny45 používám Arduino (Pro-trinket Adafruit a USB kabel FTDI). Stáhněte si soubory do počítače, připojte piny ovladače:

1. na arduino pin 11
2. na arduino pin 12
3. na arduino pin 13 (na ovladač Vin (napěťový senzor), když neprogramujete)
4. na pin arduino 10
5. na arduino pin 5V
6. na arduino pin G

Poté načtěte kód do ovladače.

Krok 6: Nastavení testování

Toto nastavení (viz obrázek) jsem provedl k otestování svého ovladače. Nyní mohu zvolit rychlost a zjistit, jak ovladač reaguje. Také mohu odhadnout, kolik energie je dodáno vynásobením U a já jsem ukázal na obrazovce napájecího zdroje. Přestože se motor nechová přesně jako větrná turbína, domnívám se, že tato aproximace není tak špatná. Skutečně, když větrná turbína rozbije motor, zpomalí a když ji necháte volně otáčet, dosáhne maximální rychlosti. (křivka točivého momentu a rychlosti je přímá čára pro stejnosměrný motor a druh paraboly pro větrné turbíny)

Vypočítal jsem redukční převodovku (16: 1), aby se malý stejnosměrný motor točil nejúčinnější rychlostí a krokový motor točil průměrnou rychlostí (200 ot/min) pro větrnou turbínu s nízkou rychlostí větru (3 m/s)

Krok 7: Výsledky

Pro tento experiment (první graf) jsem jako zátěž použil výkonovou LED. Má dopředné napětí 2,6 voltů. Protože je napětí stabilizováno kolem 2,6, změřil jsem pouze proud.

1) Napájení 5,6 V (modrá čára na grafu 1)

• min. otáčky generátoru 132 ot./min
• maximální rychlost generátoru 172 ot./min
• maximální výkon generátoru 67 mW (26 mA x 2,6 V)

2) Napájení 4 V (červená čára na grafu 1)

• min. otáčky generátoru 91 ot./min
• maximální rychlost generátoru 102 ot./min
• maximální výkon generátoru 23 mW (9 mA x 2,6 V)

V posledním experimentu (druhý graf) je výkon přímo vypočítán regulátorem. V tomto případě byla jako zátěž použita 3,7 V li-po baterie.

maximální výkon generátoru 44 mW

Krok 8: Diskuse

První graf poskytuje představu o síle, kterou od tohoto nastavení můžeme očekávat.

Druhý graf ukazuje, že existují nějaká lokální maxima. To je pro regulátor problém, protože se zasekává v těchto místních maximech. Nelinearita je způsobena přechodem mezi pokračováním a přerušením vedení induktoru. Dobrá věc je, že se to děje vždy pro stejný pracovní cyklus (nezávisí na rychlosti generátoru). Aby se regulátor nedostal do místního maxima, jednoduše omezím rozsah pracovního cyklu na [0,45 0,8].

Druhý graf ukazuje maximálně 0,044 wattů. Jako zátěž byla jednobuněčná li-po baterie 3,7 voltů. To znamená, že nabíjecí proud je 12 mA. (I = P/U). Při této rychlosti mohu nabít 500mAh za 42 hodin nebo jej použít ke spuštění vestavěného mikrořadiče (například Attiny pro ovladač MPPT). Snad bude foukat silnější vítr.

Také zde jsou některé problémy, kterých jsem si u tohoto nastavení všiml:

• Přepětí baterie není kontrolováno (v baterii je ochranný obvod)
• Krokový motor má hlučný výstup, takže potřebuji průměrovat měření po dlouhou dobu 0,6 s.

Nakonec jsem se rozhodl udělat další experiment s BLDC. Protože BLDC mají jinou topologii, musel jsem navrhnout novou desku. Výsledky získané v prvním grafu budou použity k porovnání obou generátorů, ale vše brzy vysvětlím v dalších instruktabilech.