Maksimal Power Point Tracker til små vindmøller: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Der er en masse DIY vindmøller på internettet, men meget få forklarer klart, hvilket resultat de opnår med hensyn til effekt eller energi. Der er også ofte en forvirring mellem magt, spænding og strøm. Mange gange siger folk: "Jeg målte denne spænding på generatoren!" Pæn! Men det betyder ikke, at du kan trække strøm og have strøm (Strøm = spænding x strøm). Der er også mange hjemmelavede MPPT (Maximum Power Point Tracker) controllere til solapplikation, men ikke så meget til vindapplikation. Jeg lavede dette projekt for at afhjælpe denne situation.

Jeg har designet en lav effekt (<1W) MPPT -opladningsregulator til 3,7V (enkeltcelle) litiumionpolymerbatterier. Jeg startede med noget lille, fordi jeg gerne ville sammenligne forskellige 3D -printede vindmølledesign, og størrelsen på disse møller bør ikke producere meget mere end 1W. Det endelige mål er at levere en stand alone station eller et off -grid system.

For at teste controlleren byggede jeg et setup med en lille DC -motor koblet til en trinmotor (NEMA 17). Steppermotoren bruges som generator, og DC -motoren tillader mig at simulere vinden, der skubber turbinebladene. I det næste trin vil jeg forklare problemet og opsummere nogle vigtige begreber, så hvis du bare er interesseret ved at lave tavlen, skal du hoppe til trin 3.

Trin 1: Problemet

Vi vil tage kinetisk energi fra vinden, omdanne den til elektricitet og gemme den elektricitet i et batteri. Problemet er, at vinden svinger, så den tilgængelige mængde energi også svinger. Desuden afhænger generatorens spænding af dens hastighed, men batterispændingen er konstant. Hvordan kan vi løse det?

Vi er nødt til at regulere generatorstrømmen, fordi strømmen er proportional med bremsemomentet. Der er faktisk en parallel mellem den mekaniske verden (mekanisk effekt = drejningsmoment x hastighed) og den elektriske verden (elektrisk effekt = strøm x spænding) (jf. Graf). Detaljerne om elektronikken vil blive diskuteret senere.

Hvor er maksimal effekt? For en given vindhastighed, hvis vi lader møllen rotere frit (intet bremsemoment), vil dens hastighed være maksimal (og spændingen også), men vi har ingen strøm, så strømmen er nul. På den anden side, hvis vi maksimerer den trukne strøm, er det sandsynligt, at vi bremser for meget turbinen, og at den optimale aerodynamiske hastighed ikke nås. Mellem disse to ekstremer er der et punkt, hvor produktet af momentet ved hastigheden er maksimalt. Det er det, vi leder efter!

Nu er der forskellige tilgange: Hvis du f.eks. Kender alle ligninger og parametre, der beskriver systemet, kan du sandsynligvis beregne den bedste driftscyklus for en bestemt vindhastighed og turbinehastighed. Eller hvis du ikke ved noget, kan du sige til controlleren: Ændre en smule driftscyklus, og bereg derefter effekten. Hvis det er større betyder det, at vi bevægede os i den gode retning, så fortsæt i den retning. Hvis den er lavere, skal du bare flytte arbejdscyklussen i den modsatte retning.

Trin 2: Løsningen

Først skal vi rette op på generatorens output med en diodebro og derefter regulere den indsprøjtede strøm i batteriet med en boost -omformer. Andre systemer bruger en buck eller en buck boost -konverter, men da jeg har en turbine med lav effekt, antager jeg, at batterispændingen altid er større end generatorens output. For at regulere strømmen er vi nødt til at ændre driftscyklussen (Ton / (Ton+Toff)) for boostomformeren.

Delene på højre side af skemaerne viser en forstærker (AD8603) med en differensindgang for at måle spændingen på R2. Resultatet bruges til at udlede den aktuelle belastning.

De store kondensatorer, som vi ser på det første billede, er et eksperiment: Jeg vendte mit kredsløb i en Delon Voltage -fordobler. Konklusionerne er gode, så hvis der er brug for mere spænding, skal du bare tilføje kondensatorer for at foretage transformationen.

Trin 3: Værktøjer og materiale

Værktøjer

• Arduino eller AVR programmerer
• Multimeter
• Fræsemaskine eller kemisk ætsning (til PCB -prototyper selv)
• Loddejern, flux, lodningstråd
• Pincet

Materiale

• Bakelit enkeltsidet kobberplade (60*35 mm minimum)
• Mikrocontroller Attiny45
• Driftsforstærker AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky -diode CBM1100
• 8 Schottky -diode BAT46
• Transistorer og kondensatorer (størrelse 0603) (jf. BillOfMaterial.txt)

Trin 4: Fremstilling af printkortet

Jeg viser dig min metode til prototyping, men hvis du ikke kan lave printkort derhjemme, kan du bestille den til din yndlingsfabrik.

Jeg brugte en ProxxonMF70 konverteret til CNC og en trekantet endefræser. For at generere G-koden bruger jeg et plugin til Eagle.

Derefter loddes komponenterne begyndende med de mindre.

Du kan observere, at der mangler nogle forbindelser, det er her, jeg laver spring i hånden. Jeg lodder buede modstandsben (jf. Billede).

Trin 5: Mikrokontrollerprogrammering

Jeg bruger en Arduino (Adafruit pro-trinket og FTDI USB-kabel) til at programmere Attiny45 mikrokontroller. Download filerne til din computer, tilslut controller -benene:

1. til arduino pin 11
2. til arduino pin 12
3. til arduino pin 13 (til controller Vin (spændingssensor) når den ikke programmeres)
4. til arduino pin 10
5. til arduino pin 5V
6. til arduino pin G

Indlæs derefter koden på controlleren.

Trin 6: Testopsætningen

Jeg lavede denne opsætning (jf. Billede) for at teste min controller. Jeg kan nu vælge en hastighed og se, hvordan controlleren reagerer. Jeg kan også estimere, hvor meget strøm der leveres ved at gange U, og jeg viste på skærmen med strømforsyning. Selvom motoren ikke opfører sig nøjagtigt som en vindmølle, mener jeg, at denne tilnærmelse ikke er så slem. Faktisk, som vindmøllen, når du bryder motoren, sænkes den, og når du lader den dreje frit, når den en maksimal hastighed. (moment-hastighedskurven er en strækningslinje for en jævnstrømsmotor og en slags parabel for vindmøller)

Jeg beregnede en reduktionsgearkasse (16: 1) for at få den lille jævnstrømsmotor til at rotere med sin mest effektive hastighed og steppermotoren dreje med en gennemsnitshastighed (200 o/min) for en vindmølle med lav vindhastighed (3 m/s)

Trin 7: Resultater

Til dette eksperiment (første graf) brugte jeg en power -LED som en belastning. Den har en fremspænding på 2,6 volt. Da spændingen er stabiliseret omkring 2,6, målte jeg kun strømmen.

1) Strømforsyning ved 5,6 V (blå linje på grafen 1)

• generator min. hastighed 132 o / min
• generator maks. hastighed 172 omdr./min
• generator maks. effekt 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Strømforsyning ved 4 V (rød linje på grafen 1)

• generator min. hastighed 91 o / min
• generatorens maks. hastighed 102 omdr./min
• generator maks. effekt 23mW (9 mA x 2,6V)

I det sidste forsøg (anden graf) beregnes effekten direkte af controlleren. I dette tilfælde er et 3,7 V li-po batteri blevet brugt som belastning.

generator maks effekt 44mW

Trin 8: Diskussion

Den første graf giver en idé om den effekt, vi kan forvente af denne opsætning.

Den anden graf viser, at der er nogle lokale maksimumsgrænser. Dette er et problem for regulatoren, fordi den sidder fast i disse lokalmaksimumsgrænser. Den ikke -linearitet skyldes overgangen mellem fortsæt og afbryd induktorledning. Det gode er, at det altid sker for den samme driftscyklus (afhænger ikke af generatorhastigheden). For at undgå at controlleren sidder fast i et lokalt maksimum, begrænser jeg simpelthen arbejdscyklusområdet til [0,45 0,8].

Den anden graf viser maksimalt 0,044 watt. Da belastningen var et enkeltcelle li-po batteri på 3,7 volt. Det betyder, at ladestrømmen er 12 mA. (I = P/U). Ved denne hastighed kan jeg oplade en 500mAh på 42 timer eller bruge den til at køre en integreret mikro-controller (f.eks. Attiny til MPPT-controlleren). Forhåbentlig blæser vinden stærkere.

Her er også nogle problemer, jeg bemærkede med denne opsætning:

• Batteriets overspænding styres ikke (der er et beskyttelseskredsløb i batteriet)
• Steppermotoren har en støjende ydelse, så jeg skal gennemsnitlig måle over en lang periode 0,6 sek.

Endelig besluttede jeg mig for at lave endnu et eksperiment med en BLDC. Fordi BLDC'er har en anden topologi, måtte jeg designe et nyt bord. Resultaterne i den første graf vil blive brugt til at sammenligne de to generatorer, men jeg vil snart forklare alt i en anden instruktør.