Maximum Power Point Tracker för små vindkraftverk: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Det finns mycket DIY vindkraftverk på internet men väldigt få förklarar tydligt resultatet de får när det gäller effekt eller energi. Det finns också ofta en förvirring mellan kraft, spänning och ström. Många gånger säger folk: "Jag mätte denna spänning på generatorn!" Trevlig! Men det betyder inte att du kan dra ström och ha ström (Effekt = spänning x ström). Det finns också många hemgjorda MPPT -kontroller (Maximum Power Point Tracker) för solapplikation men inte så mycket för vindapplikation. Jag gjorde det här projektet för att åtgärda denna situation.

Jag konstruerade en låg effekt (<1W) MPPT laddningskontroll för 3,7V (encells) litiumjonpolymerbatterier. Jag började med något litet eftersom jag skulle vilja jämföra olika 3D -tryckta vindkraftverk och storleken på dessa turbiner borde inte producera mycket mer än 1W. Det slutliga målet är att tillhandahålla en fristående station eller något off -grid -system.

För att testa regulatorn byggde jag en installation med en liten likströmsmotor kopplad till en stegmotor (NEMA 17). Stegmotorn används som generator och likströmsmotorn låter mig simulera vinden som trycker på turbinbladen. I nästa steg kommer jag att förklara problemet och sammanfatta några viktiga begrepp, så om du bara är intresserad av att göra tavlan, hoppa till steg 3.

Steg 1: Problemet

Vi vill ta rörelseenergi från vinden, förvandla den till el och lagra den elen i ett batteri. Problemet är att vinden svänger så den tillgängliga mängden energi fluktuerar också. Dessutom beror generatorns spänning på dess hastighet men batterispänningen är konstant. Hur kan vi lösa det?

Vi måste reglera generatorströmmen eftersom strömmen är proportionell mot bromsmomentet. Det finns verkligen en parallell mellan den mekaniska världen (mekanisk effekt = vridmoment x hastighet) och den elektriska världen (elektrisk effekt = ström x spänning) (se graf). Detaljerna om elektroniken kommer att diskuteras senare.

Var är maxeffekten? För en given vindhastighet, om vi låter turbinen snurra fritt (inget bromsmoment), kommer dess hastighet att vara maximal (och spänningen också) men vi har ingen ström så kraften är noll. Å andra sidan om vi maximerar dragströmmen är det troligt att vi bromsar för mycket turbinen och att den optimala aerodynamiska hastigheten inte uppnås. Mellan dessa två extremiteter finns det en punkt där vridmomentets produkt med hastigheten är maximal. Detta är vad vi letar efter!

Nu finns det olika tillvägagångssätt: Om du till exempel känner till alla ekvationer och parametrar som beskriver systemet kan du förmodligen beräkna den bästa arbetscykeln för en viss vindhastighet och turbinhastighet. Eller, om du inte vet någonting, kan du säga till regulatorn: Ändra lite arbetscykeln och beräkna sedan effekten. Om det är större betyder det att vi rörde oss i den goda riktningen så fortsätt i den riktningen. Om den är lägre är det bara att flytta arbetscykeln i motsatt riktning.

Steg 2: Lösningen

Först måste vi korrigera generatorutgången med en diodbro och sedan reglera den insprutade strömmen i batteriet med en boost -omvandlare. Andra system använder en buck eller en buck boost -omvandlare, men eftersom jag har en turbin med låg effekt antar jag att batterispänningen alltid är större än generatorutgången. För att reglera strömmen måste vi ändra driftscykeln (Ton / (Ton+Toff)) för boostomvandlaren.

Delarna på höger sida av schemat visar en förstärkare (AD8603) med en differensingång för att mäta spänningen på R2. Resultatet används för att härleda den aktuella belastningen.

De stora kondensatorerna som vi ser på den första bilden är ett experiment: jag vände min krets i en Delon Voltage -dubblare. Slutsatserna är bra, så om mer spänning behövs, lägg bara till kondensatorer för att göra omvandlingen.

Steg 3: Verktyg och material

Verktyg

• Arduino eller AVR programmerare
• Multimeter
• Fräsmaskin eller kemisk etsning (för PCB -prototyper själv)
• Lödkolv, flussmedel, lödtråd
• Pincett

Material

• Bakelit enkel sida kopparplatta (60*35 mm minimum)
• Mikrocontroller Attiny45
• Driftförstärkare AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky -diod CBM1100
• 8 Schottky -diod BAT46
• Transistorer och kondensatorer (storlek 0603) (jfr BillOfMaterial.txt)

Steg 4: Gör kretskortet

Jag visar dig min metod för prototyper, men om du inte kan göra PCB hemma kan du naturligtvis beställa den till din favoritfabrik.

Jag använde en ProxxonMF70 konverterad till CNC och en triangulär ändfräs. För att generera G-koden använder jag ett plugin för Eagle.

Därefter löds komponenterna med det mindre.

Du kan observera att vissa anslutningar saknas, det är här jag gör hopp för hand. Jag lödder böjda motståndsben (jfr bild).

Steg 5: Programmering av mikrokontroller

Jag använder en Arduino (Adafruit pro-trinket och FTDI USB-kabel) för att programmera Attiny45 mikrokontroller. Ladda ner filerna till din dator, anslut controllerns stift:

1. till arduino pin 11
2. till arduino pin 12
3. till arduino pin 13 (till controller Vin (spänningssensor) när den inte programmeras)
4. till arduino pin 10
5. till arduino pin 5V
6. till arduino pin G

Ladda sedan koden på styrenheten.

Steg 6: Testinställningen

Jag gjorde denna inställning (jfr bild) för att testa min handkontroll. Jag kan nu välja en hastighet och se hur regulatorn reagerar. Jag kan också uppskatta hur mycket ström som levereras genom att multiplicera U och jag visade på skärmen för strömförsörjning. Även om motorn inte beter sig exakt som ett vindkraftverk anser jag att denna approximation inte är så dålig. Faktum är att vindkraftverket, när du bryter motorn, saktar ner och när du låter den svänga fritt når den en maximal hastighet. (vridmoment-hastighetskurvan är en sundlinje för en likströmsmotor och en slags parabel för vindkraftverk)

Jag beräknade en reduktionsväxellåda (16: 1) för att få den lilla likströmsmotorn att snurra med sitt mest effektiva varvtal och stegmotorn snurra med en medelhastighet (200 rpm) för ett vindkraftverk med låg vindhastighet (3 m/s)

Steg 7: Resultat

För detta experiment (första grafen) använde jag en power -LED som en last. Den har en framspänning på 2,6 volt. Eftersom spänningen stabiliseras runt 2,6 mätte jag bara strömmen.

1) Strömförsörjning vid 5,6 V (blå linje på diagrammet 1)

• generator min varvtal 132 rpm
• generatorns maxhastighet 172 rpm
• generator max effekt 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Strömförsörjning vid 4 V (röd linje på diagrammet 1)

• generator min varvtal 91 rpm
• generatorns maxhastighet 102 rpm
• generator max effekt 23mW (9 mA x 2,6V)

I det sista experimentet (andra grafen) beräknas effekten direkt av regulatorn. I detta fall har ett 3,7 V li-po-batteri använts som last.

generator max effekt 44mW

Steg 8: Diskussion

Den första grafen ger en uppfattning om vilken effekt vi kan förvänta oss av den här installationen.

Det andra diagrammet visar att det finns några lokala maxvärden. Detta är ett problem för regulatorn eftersom den fastnar i dessa lokalbefolkningars maxvärden. Olinjäriteten beror på övergången mellan fortsätta och avbryta induktorledning. Det som är bra är att det alltid händer under samma arbetscykel (beror inte på generatorhastigheten). För att undvika att regulatorn fastnar i ett lokalt maximum begränsar jag helt enkelt arbetscykelområdet till [0,45 0,8].

Den andra grafen visar maximalt 0,044 watt. Eftersom belastningen var ett encells li-po-batteri på 3,7 volt. Det betyder att laddströmmen är 12 mA. (I = P/U). Med denna hastighet kan jag ladda en 500mAh på 42 timmar eller använda den för att köra en inbäddad mikrokontroller (till exempel Attiny för MPPT-styrenheten). Förhoppningsvis blåser vinden starkare.

Här är också några problem jag märkte med den här installationen:

• Batteriets överspänning styrs inte (det finns en skyddskrets i batteriet)
• Stegmotorn har en bullrig effekt så jag måste genomsnittliga mätningen under en lång period 0,6 sek.

Slutligen bestämde jag mig för att göra ett nytt experiment med en BLDC. Eftersom BLDC har en annan topologi var jag tvungen att designa en ny tavla. Resultaten som erhålls i den första grafen kommer att användas för att jämföra de två generatorerna men jag kommer snart att förklara allt i en annan instruktion.