Maximum Power Point Tracker para sa Maliit na Mga Turbine ng Hangin: 8 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Maraming DIY turbine ng hangin sa internet ngunit kakaunti ang nagpapaliwanag nang malinaw sa resulta na nakuha nila sa mga tuntunin ng lakas o enerhiya. Gayundin mayroong madalas na pagkalito sa pagitan ng lakas, pag-igting at kasalukuyang. Maraming oras, sinasabi ng mga tao: "Sinukat ko ang tensyon na ito sa generator!" Ang ganda! Ngunit hindi ito nangangahulugang maaari kang gumuhit ng kasalukuyan at magkaroon ng kapangyarihan (Lakas = pag-igting x kasalukuyang). Mayroon ding maraming mga kontrolado para sa solar application ng MPPT (Maximum Power Point Tracker) para sa solar application ngunit hindi gaanong para sa application ng hangin. Ginawa ko ang proyektong ito upang malunasan ang sitwasyong ito.

Dinisenyo ko ang isang mababang power (<1W) MPPT charge Controller para sa 3.7V (solong cell) na baterya ng Lithium Ion Polymer. Nagsimula ako sa isang maliit na bagay dahil nais kong ihambing ang iba't ibang 3D naka-print na disenyo ng turbine ng hangin at ang laki ng mga turbine na ito ay hindi dapat gumawa ng higit sa 1W. Ang pangwakas na layunin ay upang matustusan ang isang stand alone na istasyon o anumang off grid system.

Upang masubukan ang tagataguyod ay nagtayo ako ng isang pag-setup na may isang maliit na motor na DC na isinama sa isang stepper motor (NEMA 17). Ang stepper motor ay ginagamit bilang isang generator at pinapayagan ako ng DC motor na gayahin ang hangin na tinutulak ang mga blades ng turbine. Sa susunod na hakbang ay ipaliwanag ko ang problema at ibubuod ang ilang mahahalagang konsepto kaya kung interesado ka lamang sa pamamagitan ng paggawa ng board, tumalon sa hakbang 3.

Hakbang 1: Ang Suliranin

Nais naming kumuha ng enerhiya na gumagalaw mula sa hangin, ibahin ito sa kuryente at itago ang kuryente na iyon sa isang baterya. Ang problema ay ang pabagu-bago ng hangin kaya't ang magagamit na dami ng enerhiya ay nagbabago din. Bukod dito ang pag-igting ng generator ay nakasalalay sa bilis nito ngunit ang pag-igting ng baterya ay pare-pareho. Paano natin ito malulutas?

Kailangan naming ayusin ang kasalukuyang generator dahil ang kasalukuyang ay proporsyonal sa braking torque. Sa katunayan mayroong isang parallel sa pagitan ng mundo ng mekanikal (lakas ng Mekanikal = Torque x Bilis) at ng mundo ng elektrikal (Kuryente elektrikal = Kasalukuyang x Pag-igting) (cf. Grap). Ang mga detalye tungkol sa electronics ay tatalakayin sa paglaon.

Nasaan ang maximum na kapangyarihan? Para sa isang naibigay na bilis ng hangin, kung hahayaan natin ang turbine na malayang umikot (walang braking torque), ang bilis nito ay magiging maximum (at ang boltahe din) ngunit wala kaming kasalukuyang kaya't ang lakas ay null. Sa kabilang panig kung i-maximize natin ang iginuhit na kasalukuyang, malamang na sobrang preno natin ang turbine at hindi naabot ang pinakamainam na bilis ng aerodynamic. Sa pagitan ng dalawang Extrumum na ito ay may isang punto kung saan ang produkto ng metalikang kuwintas sa pamamagitan ng bilis ay maximum. Ito ang hinahanap namin!

Ngayon mayroong iba't ibang mga diskarte: Halimbawa kung alam mo ang lahat ng mga equation at parameter na naglalarawan sa system maaari mong kalkulahin ang pinakamahusay na ikot ng tungkulin para sa isang tiyak na bilis ng hangin at bilis ng turbine. O, kung wala kang alam, maaari mong sabihin sa controller: Baguhin nang kaunti ang cycle ng tungkulin pagkatapos kalkulahin ang lakas. Kung mas malaki ito nangangahulugan na lumipat tayo sa mabuting direksyon kaya't magpatuloy sa direksyon na iyon. Kung ito ay mas mababa ilipat lamang ang duty cycle sa kabaligtaran direksyon.

Hakbang 2: Ang Solusyon

Una kailangan naming maitama ang output ng generator gamit ang isang diode bridge at pagkatapos ay ayusin ang kasalukuyang na-injected sa baterya gamit ang isang boost converter. Ang iba pang mga system ay gumagamit ng isang buck o isang buck boost converter ngunit dahil mayroon akong isang mababang turbine ng kuryente ipinapalagay ko na ang boltahe ng baterya ay palaging mas malaki kaysa sa output ng generator. Upang makontrol ang kasalukuyang kailangan namin upang baguhin ang duty cycle (Ton / (Ton + Toff)) ng boost converter.

Ang mga bahagi sa kanang bahagi ng mga eskematiko ay nagpapakita ng isang amplifier (AD8603) na may pagkakaiba sa input upang masukat ang pag-igting sa R2. Ginagamit ang resulta upang mabawasan ang kasalukuyang karga.

Ang malalaking capacitor na nakikita natin sa unang imahe ay isang eksperimento: Inikot ko ang aking circuit sa isang Delon Voltage na nagdodoble. Ang mga konklusyon ay mabuti kaya kung kailangan ng higit na boltahe, magdagdag lamang ng mga capacitor upang maisagawa ang pagbabago.

Hakbang 3: Mga Tool at Materyal

Mga kasangkapan

• Arduino o AVR programmer
• Multimeter
• Milling machine o kemikal na pag-ukit (para sa PCB prototyping sa iyong sarili)
• Panghinang na bakal, pagkilos ng bagay, wire ng panghinang
• Mga Tweezer

Materyal

• Bakelite solong gilid plate na tanso (minimum na 60 * 35 mm)
• Attiny ng Microcontroller45
• Operational amplifier AD8605
• Inductor 100uF
• 1 Schottky diode CBM1100
• 8 Schottky diode BAT46
• Mga Transistor at Capacitor (laki 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Hakbang 4: Paggawa ng PCB

Ipinapakita ko sa iyo ang aking pamamaraan para sa prototyping ngunit syempre kung hindi ka makakagawa ng mga PCB sa bahay maaari mo itong iorder sa iyong paboritong pabrika.

Gumamit ako ng isang ProxxonMF70 na nai-convert sa CNC at isang tatsulok na mill mill. Upang makabuo ng G-Code Gumagamit ako ng isang plugin para sa Eagle.

Pagkatapos ang mga sangkap ay solder na nagsisimula sa mas maliit.

Maaari mong obserbahan na ang ilang mga koneksyon ay nawawala, dito ako gumagawa ng mga jumps sa pamamagitan ng kamay. Naghinang ako ng mga hubog na risistor na paa (cf. imahe).

Hakbang 5: Programming ng Microcontroller

Gumagamit ako ng isang Arduino (Adafruit pro-trinket at FTDI USB cable) upang mai-program ang Attiny45 micro-controller. I-download ang mga file sa iyong computer, ikonekta ang mga pin ng controller:

1. sa arduino pin 11
2. sa arduino pin 12
3. sa arduino pin 13 (upang makontrol ang Vin (boltahe sensor) kapag hindi nagprogram)
4. sa arduino pin 10
5. upang arduino pin 5V
6. upang arduino pin G

Pagkatapos i-load ang code sa controller.

Hakbang 6: Ang Pag-setup ng Pagsubok

Ginawa ko ang pag-setup na ito (cf. larawan) upang subukan ang aking controller. Napili ko ngayon ang isang bilis at makita kung paano tumutugon ang tagakontrol. Gayundin maaari kong tantyahin kung magkano ang kapangyarihan na naihatid sa pamamagitan ng pagpaparami ng U at ipinakita ko sa power supply screen. Kahit na ang motor ay hindi kumilos nang eksakto tulad ng isang turbine ng hangin ay isinasaalang-alang ko na ang pamamaraang ito ay hindi masama. Sa katunayan, tulad ng turbine ng hangin, kapag sinira mo ang motor, bumagal ito at kapag hinayaan mong lumiko ito, umabot ito sa pinakamataas na bilis. (ang curve na bilis ng metalikang kuwintas ay isang linya na kipot para sa isang motor na DC at isang uri ng parabola para sa mga turbine ng hangin)

Kinakalkula ko ang isang gearbox ng pagbawas (16: 1) upang magkaroon ng maliit na DC motor na umiikot sa pinakamabisang bilis nito at ang stepper motor na umiikot sa isang average na bilis (200 rpm) para sa isang turbine ng hangin na may mababang bilis ng hangin (3 m / s)

Hakbang 7: Mga Resulta

Para sa eksperimentong ito (unang grap), gumamit ako ng isang LED power bilang isang pagkarga. Mayroon itong pasulong na boltahe na 2.6 volts. Tulad ng pag-igting ay nagpapatatag sa paligid ng 2.6, Sinukat ko lamang ang kasalukuyang.

1) supply ng kuryente sa 5.6 V (asul na linya sa grap na 1)

• bilis ng generator min 132 rpm
• generator max bilis 172 rpm
• generator max power 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) supply ng kuryente sa 4 V (pulang linya sa grap na 1)

• generator min bilis 91 rpm
• generator max bilis 102 rpm
• generator max power 23mW (9 mA x 2.6V)

Sa huling eksperimento (pangalawang grap), ang kapangyarihan ay direktang kinakalkula ng controller. Sa kasong ito ang isang 3.7 V li-po na baterya ay ginamit bilang isang pagkarga.

generator max kapangyarihan 44mW

Hakbang 8: Pagtalakay

Ang unang grap ay nagbibigay ng isang ideya ng lakas na maaari nating asahan mula sa pag-setup na ito.

Ipinapakita ng ikalawang grap na mayroong ilang mga lokal na maximum. Ito ay isang problema para sa regulator dahil ma-stuck ito sa maximum na mga lokal na ito. Ang hindi linearity ay sanhi ng paglipat sa pagitan ng pagpapatuloy at ihinto ang pagpapadaloy ng inductor. Ang magandang bagay ay nangyayari ito palagi para sa parehong cycle ng tungkulin (hindi nakasalalay sa bilis ng generator). Upang maiwasan ang Controller na ma-stuck sa isang lokal na maximum, nililimitahan ko lang ang saklaw ng cycle ng tungkulin sa [0.45 0.8].

Ang pangalawang grap ay nagpapakita ng maximum na 0.044 watts. Tulad ng pag-load ay isang solong cell li-po na baterya na 3.7 volt. Nangangahulugan ito na ang kasalukuyang singilin ay 12 mA. (I = P / U). Sa bilis na ito maaari kong singilin ang isang 500mAh sa 42 oras o gamitin ito upang magpatakbo ng isang naka-embed na micro-controller (halimbawa ang Attiny para sa MPPT controller). Sana lumakas ang ihip ng hangin.

Narito din ang ilang mga problemang napansin ko sa pag-setup na ito:

• Ang baterya sa paglipas ng boltahe ay hindi kontrolado (mayroong isang circuit ng proteksyon sa baterya)
• Ang stepper motor ay may maingay na output kaya kailangan kong i-average ang pagsukat sa mahabang panahon na 0.6 sec.

Sa wakas ay nagpasya akong gumawa ng isa pang eksperimento sa isang BLDC. Dahil ang BLDCs ay may isa pang topology kinailangan kong magdisenyo ng isang bagong board. Ang mga resulta na nakuha sa unang grap ay gagamitin upang ihambing ang dalawang mga generator ngunit ipapaliwanag ko ang lahat sa lalong madaling panahon sa ibang mga itinuturo.