Kiçik Külək Türbinləri üçün Maksimum Power Point Tracker: 8 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:44

İnternetdə bir çox DIY külək turbini var, amma çox az adam əldə etdikləri nəticəni güc və ya enerji baxımından açıq şəkildə izah edir. Həm də tez -tez güc, gərginlik və cərəyan arasında qarışıqlıq olur. Çox vaxt insanlar deyirlər: "Mən bu gərginliyi generatorda ölçdüm!" Gözəl! Ancaq bu, cərəyan çəkə və güc əldə edə biləcəyiniz demək deyil (Güc = gərginlik x cərəyan). Günəş tətbiqi üçün çoxlu ev istehsalı MPPT (Maksimum Power Point Tracker) nəzarətçiləri də var, ancaq külək üçün çox deyil. Bu vəziyyəti düzəltmək üçün bu layihəni etdim.

3.7V (tək hüceyrəli) Lityum İon Polimer batareyaları üçün aşağı güclü (<1W) MPPT şarj tənzimləyicisi hazırladım. Kiçik bir şeylə başladım, çünki fərqli 3D çaplı külək turbini dizaynını müqayisə etmək istəyirəm və bu türbinlərin ölçüsü 1W -dan çox olmamalıdır. Son məqsəd tək bir stansiya və ya hər hansı bir şəbəkədən kənar sistem təmin etməkdir.

Nəzarətçini sınamaq üçün bir step motoruna qoşulmuş kiçik bir DC motoru olan bir qurğu qurdum (NEMA 17). Step motoru bir generator olaraq istifadə olunur və DC mühərriki, turbin bıçaqlarını itələyən küləyi təqlid etməyə imkan verir. Növbəti addımda problemi izah edəcəyəm və bəzi vacib anlayışları ümumiləşdirəcəyəm, buna görə də lövhəni düzəltməklə maraqlanırsınızsa, 3 -cü addıma keçin.

Addım 1: Problem

Küləkdən kinetik enerji almaq, onu elektrik enerjisinə çevirmək və həmin enerjini batareyada saxlamaq istəyirik. Problem küləyin dalğalanmasıdır, buna görə də mövcud enerji miqdarı da dəyişir. Bundan əlavə, generatorun gərginliyi onun sürətindən asılıdır, lakin batareyanın gərginliyi sabitdir. Bunu necə həll edə bilərik?

Generator cərəyanını tənzimləməliyik, çünki cərəyan əyləc momenti ilə mütənasibdir. Həqiqətən də mexaniki dünya (Mexaniki güc = Tork x Sürət) ilə elektrik dünyası (Elektrik gücü = Cərəyan x Gərilmə) arasında bir paralel var (qrafikə baxın). Elektronikanın detalları daha sonra müzakirə olunacaq.

Maksimum güc haradadır? Müəyyən bir külək sürəti üçün, əgər turbinin sərbəst fırlanmasına icazə verəriksə (əyləc momenti yoxdursa), onun sürəti maksimum olacaq (və gərginlik də), amma cərəyanımız yoxdur, ona görə də güc sıfırdır. Digər tərəfdən, çəkilən cərəyanı maksimuma çatdırsaq, çox güman ki, turbini çox əyləc edirik və optimal aerodinamik sürətə çatılmır. Bu iki ekstremum arasında fırlanma anının sürətlə maksimuma çatdığı bir nöqtə var. Axtardığımız budur!

İndi fərqli yanaşmalar var: Məsələn, sistemi izah edən bütün tənlikləri və parametrləri bilirsinizsə, yəqin ki, müəyyən bir külək sürəti və turbin sürəti üçün ən yaxşı iş dövrünü hesablaya bilərsiniz. Və ya heç bir şey bilmirsinizsə, nəzarətçiyə deyə bilərsiniz: Bir az iş dövrünü dəyişdirin, sonra gücü hesablayın. Daha böyükdürsə, bu, yaxşı istiqamətdə irəlilədiyimiz deməkdir, o istiqamətdə davam edin. Daha aşağıdırsa, iş dövrünü əks istiqamətə keçirin.

Addım 2: Həll

Əvvəlcə generatorun çıxışını bir diod körpüsü ilə düzəltməliyik və sonra gücləndirici çevirici ilə batareyaya vurulan cərəyanı tənzimləməliyik. Digər sistemlər bir dollar və ya bir dollar artırma çeviricisi istifadə edir, lakin aşağı gücə malik bir turbinə malik olduğum üçün batareya gərginliyinin həmişə generator çıxışından daha böyük olduğunu düşünürəm. Cərəyanı tənzimləmək üçün gücləndirici çeviricinin iş dövrünü (Ton / (Ton+Toff)) dəyişdirməliyik.

Sxemlərin sağ tərəfindəki hissələr, R2 üzərindəki gərginliyi ölçmək üçün fərq girişi olan gücləndiricini (AD8603) göstərir. Nəticə cari yükü çıxarmaq üçün istifadə olunur.

İlk görüntüdə gördüyümüz böyük kondansatörlər bir təcrübədir: Dövrümü Delon Gərginlik dublörünə çevirdim. Nəticələr yaxşıdır, buna görə daha çox gərginliyə ehtiyac varsa, transformasiya etmək üçün yalnız kondansatörlər əlavə edin.

Addım 3: Alətlər və Material

Alətlər

• Arduino və ya AVR proqramçısı
• Multimetr
• Freze maşını və ya kimyəvi aşındırma (özünüz PCB prototip hazırlamaq üçün)
• Lehimləmə dəmiri, axı, lehim teli
• Cımbız

Material

• Bakelit tək tərəfli mis lövhə (minimum 60*35 mm)
• Mikro nəzarətçi Attiny45
• Əməliyyat gücləndiricisi AD8605
• İnduktor 100 uF
• 1 Schottky diod CBM1100
• 8 Schottky diod BAT46
• Transistorlar və Kondansatörler (ölçü 0603) (bax: BillOfMaterial.txt)

Addım 4: PCB hazırlayın

Sizə prototip hazırlamaq üsulumu göstərirəm, amma təbii ki, evdə PCB hazırlaya bilmirsinizsə, sevdiyiniz fabrikə sifariş edə bilərsiniz.

CNC -ə çevrilmiş bir ProxxonMF70 və üçbucaqlı bir freze istifadə etdim. G kodu yaratmaq üçün Eagle üçün bir plagin istifadə edirəm.

Sonra komponentlər kiçikdən başlayaraq lehimlənir.

Bəzi əlaqələrin olmadığını görə bilərsiniz, burada əllə atlamalar edirəm. Mən əyri rezistor ayaqlarını lehimləyirəm (şəklə bax).

Addım 5: Mikrokontrolör Proqramlaşdırması

Attiny45 mikro nəzarətçisini proqramlaşdırmaq üçün Arduino (Adafruit pro-trinket və FTDI USB kabeli) istifadə edirəm. Faylları kompüterinizə yükləyin, nəzarətçi pinlərini bağlayın:

1. arduino pin 11 -ə
2. arduino pin 12 -ə
3. arduino pin 13 -ə (proqramlaşdırılmadıqda Vin nəzarətçisinə (gərginlik sensoru))
4. arduino pin 10 -a
5. arduino pin 5V üçün
6. arduino pin G üçün

Sonra kodu nəzarətçiyə yükləyin.

Addım 6: Test Quraşdırması

Nəzarətçimi sınamaq üçün bu quruluşu (cf. şəkil) etdim. İndi bir sürət seçə bilərəm və nəzarətçinin necə reaksiya verdiyini görə bilərəm. Həm də U -nu çoxaltmaqla nə qədər gücün verildiyini təxmin edə bilərəm və enerji təchizatı ekranında göstərdim. Mühərrik tam olaraq bir külək turbini kimi davranmasa da, hesab edirəm ki, bu yaxınlaşma o qədər də pis deyil. Həqiqətən də, külək türbini olaraq, motoru qıranda yavaşlayır və sərbəst dönməsinə icazə verdiyiniz zaman maksimum sürətə çatır. (tork sürəti əyrisi DC mühərriki üçün bir boğaz xətti və külək turbinləri üçün bir növ parabola)

Kiçik DC mühərrikinin ən səmərəli sürətlə dönməsi və aşağı motorlu külək turbininin (3 m/s) orta sürətlə (200 rpm) dönməsi üçün redüktör qutusunu (16: 1) hesabladım.)

Addım 7: Nəticələr

Bu sınaq üçün (ilk qrafik) yük olaraq güc LEDindən istifadə etdim. 2,6 volt irəli bir gərginliyə malikdir. Gərginlik 2.6 ətrafında sabitləşdiyi üçün yalnız cərəyanı ölçdüm.

1) 5.6 V -da enerji təchizatı (qrafikdəki mavi xətt 1)

• generatorun minimum sürəti 132 rpm
• generator maksimum sürəti 172 rpm
• generator maksimum gücü 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) 4 V -da enerji təchizatı (qrafik 1 -də qırmızı xətt)

• generatorun minimum sürəti 91 rpm
• generatorun maksimal sürəti 102 rpm
• generatorun maksimum gücü 23mW (9 mA x 2.6V)

Son təcrübədə (ikinci qrafik) güc birbaşa nəzarətçi tərəfindən hesablanır. Bu vəziyyətdə yük olaraq 3.7 V li-po batareya istifadə edilmişdir.

generator maksimum gücü 44 mW

Addım 8: Müzakirə

Birinci qrafik, bu qurğudan gözləyə biləcəyimiz güc haqqında bir fikir verir.

İkinci qrafik bəzi yerli maksimumların olduğunu göstərir. Bu tənzimləyicinin problemidir, çünki bu yerli əhaliyə maksimum yapışır. Qeyri -xətti indüktör keçiriciliyinin davam etməsi və dayandırılması arasındakı keçidlə əlaqədardır. Yaxşı şey, həmişə eyni iş dövrü üçün baş verməsi (generatorun sürətindən asılı deyil). Nəzarətçinin lokal maksimumda ilişib qalmaması üçün iş dövrü aralığını [0.45 0.8] ilə məhdudlaşdırıram.

İkinci qrafik maksimum 0,044 vat göstərir. Yük 3.7 volt tək hüceyrəli li-po batareyası olduğu üçün. Bu, şarj cərəyanının 12 mA olması deməkdir. (I = P/U). Bu sürətlə 42 saat ərzində 500 mAh şarj edə bilərəm və ya quraşdırılmış mikro nəzarətçini işə salmaq üçün istifadə edə bilərəm (məsələn, MPPT nəzarətçisi üçün Attiny). İnşallah külək daha güclü əsəcək.

Həm də bu quruluşda gördüyüm bəzi problemlər:

• Batareyanın həddindən artıq gərginliyi idarə olunmur (batareyada bir qoruyucu dövrə var)
• Step motorunun səs -küylü bir çıxışı var, buna görə ölçməni uzun müddət 0,6 saniyə ərzində orta hesabla aparmalıyam.

Nəhayət, bir BLDC ilə başqa bir təcrübə etmək qərarına gəldim. BLDC -lərin başqa bir topologiyası olduğu üçün yeni bir lövhə hazırlamalı oldum. İlk qrafikdə əldə edilən nəticələr iki generatoru müqayisə etmək üçün istifadə ediləcək, amma tezliklə hər şeyi başqa bir təlimatda izah edəcəyəm.