Maksimum kragpunttracker vir klein windturbines: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Daar is baie DIY windturbines op die internet, maar baie min verduidelik die resultaat wat hulle behaal in terme van krag of energie. Daar is ook dikwels 'n verwarring tussen krag, spanning en stroom. Baie tyd sê mense: "Ek het hierdie spanning op die kragopwekker gemeet!" Lekker! Maar dit beteken nie dat u stroom kan trek en krag kan hê nie (Power = spanning x stroom). Daar is ook baie tuisgemaakte MPPT (Maximum Power Point Tracker) beheerders vir sonkrag, maar nie soseer vir windtoepassing nie. Ek het hierdie projek gedoen om hierdie situasie reg te stel.

Ek het 'n lae -krag (<1W) MPPT -laaibestuurder ontwerp vir 3,7V (enkelselle) litium -ioon -polimeerbatterye. Ek het met iets klein begin omdat ek verskillende 3D -gedrukte windturbine -ontwerp wil vergelyk en die grootte van hierdie turbines nie veel meer as 1W moet lewer nie. Die uiteindelike doelwit is om 'n losstaande stasie of 'n off -grid stelsel te voorsien.

Om die kontroleerder te toets, het ek 'n opstelling gebou met 'n klein DC -motor gekoppel aan 'n stapmotor (NEMA 17). Die stepper motor word gebruik as 'n kragopwekker en die DC motor laat my toe om die wind wat die turbine lemme druk, te simuleer. In die volgende stap sal ek die probleem verduidelik en 'n paar belangrike konsepte opsom, so as u net belangstel deur die bord te maak, gaan na stap 3.

Stap 1: Die probleem

Ons wil kinetiese energie uit die wind neem, dit omskakel in elektrisiteit en die elektrisiteit in 'n battery stoor. Die probleem is dat die wind wissel, sodat die beskikbare hoeveelheid energie ook wissel. Boonop hang die spanning van die kragopwekker af van die snelheid daarvan, maar die batteryspanning is konstant. Hoe kan ons dit oplos?

Ons moet die kragopwekker reguleer omdat die stroom eweredig is aan die remkrag. Daar is inderdaad 'n parallel tussen die meganiese wêreld (meganiese krag = wringkrag x snelheid) en die elektriese wêreld (elektriese krag = stroom x spanning) (vgl. Grafiek). Die besonderhede oor die elektronika sal later bespreek word.

Waar is die maksimum krag? Vir 'n gegewe windspoed, as ons die turbine vrylik laat draai (geen remkrag nie), sal die spoed maksimum wees (en ook die spanning), maar ons het geen stroom nie, dus is die krag nul. Aan die ander kant, as ons die getekende stroom maksimeer, is dit waarskynlik dat ons die turbine te veel rem en dat die optimale aërodinamiese snelheid nie bereik word nie. Tussen hierdie twee ekstremums is daar 'n punt waar die produk van die wringkrag volgens die snelheid die maksimum is. Dit is wat ons soek!

Nou is daar verskillende benaderings: As u byvoorbeeld al die vergelykings en parameters ken wat die stelsel beskryf, kan u waarskynlik die beste werksiklus vir 'n sekere windsnelheid en turbinesnelheid bereken. Of, as u niks weet nie, kan u aan die beheerder sê: Verander die dienssiklus 'n bietjie en bereken dan die krag. As dit groter is, beteken dit dat ons in die goeie rigting beweeg het, so hou aan om in daardie rigting te gaan. As dit laer is, skuif die dienssiklus in die teenoorgestelde rigting.

Stap 2: Die oplossing

Eerstens moet ons die kragopwekker met 'n diodebrug regstel en dan die ingespuite stroom in die battery reguleer met 'n boost -omskakelaar. Ander stelsels gebruik 'n bok- of 'n bok -boost -omskakelaar, maar omdat ek 'n turbine met 'n lae krag het, neem ek aan dat die batteryspanning altyd groter is as die kragopwekker. Om die stroom te reguleer, moet ons die werksiklus (Ton / (Ton+Toff)) van die versterkingsomskakelaar verander.

Die dele aan die regterkant van die skemas toon 'n versterker (AD8603) met 'n verskil -inset om die spanning op R2 te meet. Die resultaat word gebruik om die huidige las af te lei.

Die groot kondensators wat ons op die eerste prent sien, is 'n eksperiment: ek het my stroombaan in 'n Delon Voltage -verdubbelaar omgeskakel. Die gevolgtrekkings is goed, so as meer spanning nodig is, voeg net kapasitors by om die transformasie te bewerkstellig.

Stap 3: gereedskap en materiaal

Gereedskap

• Arduino of AVR programmeerder
• Multimeter
• Freesmasjien of chemiese ets (vir PCB -prototipering self)
• Soldeerbout, vloed, soldeerdraad
• Pincet

Materiaal

• Bakeliet koperplaat aan die een kant (minimum 60*35 mm)
• Mikrokontroleerder Attiny45
• Operasionele versterker AD8605
• Induktor 100uF
• 1 Schottky -diode CBM1100
• 8 Schottky -diode BAT46
• Transistors en kondensators (grootte 0603) (vgl. BillOfMaterial.txt)

Stap 4: Maak die PCB

Ek wys u my metode vir prototipering, maar as u nie tuis PCB's kan maak nie, kan u dit by u gunsteling fabriek bestel.

Ek het 'n ProxxonMF70 gebruik wat omskep is in CNC en 'n driehoekige eindmeul. Om die G-kode te genereer, gebruik ek 'n inprop vir Eagle.

Dan word die komponente gesoldeer, begin met die kleiner.

U kan sien dat sommige verbindings ontbreek; dit is waar ek met die hand spring. Ek soldeer geboë weerstandsbene (vgl. Prent).

Stap 5: Microcontroller -programmering

Ek gebruik 'n Arduino (Adafruit pro-trinket en FTDI USB-kabel) om die Attiny45 mikrobeheerder te programmeer. Laai die lêers af na u rekenaar, verbind die kontroleerderspenne:

1. na arduino -pen 11
2. na arduino -pen 12
3. na arduino -pen 13 (na die kontroleerder Vin (spanningsensor) as dit nie programmeer nie)
4. na arduino -pen 10
5. na arduino -pen 5V
6. na arduino -pen G

Laai dan die kode op die beheerder.

Stap 6: Die toetsopstelling

Ek het hierdie opstelling gemaak (vgl. Prentjie) om my beheerder te toets. Ek kan nou 'n spoed kies en sien hoe die beheerder reageer. Ek kan ook skat hoeveel krag gelewer word deur U te vermenigvuldig en ek het op die kragtoevoer skerm getoon. Alhoewel die motor nie presies soos 'n windturbine gedra nie, is ek van mening dat hierdie benadering nie so erg is nie. Soos die windturbine, as u die motor breek, dit stadiger word en as u dit vrylik laat draai, bereik dit 'n maksimum spoed. (die wringkrag-spoedkurwe is 'n seeplyn vir 'n GS-motor en 'n soort parabool vir windturbines)

Ek het 'n verminderingsratkas (16: 1) bereken om die klein GS -motor teen die doeltreffendste snelheid te laat draai en die stappermotor teen 'n gemiddelde spoed (200 rpm) vir 'n windturbine met 'n lae windspoed (3 m/s))

Stap 7: Resultate

Vir hierdie eksperiment (eerste grafiek) het ek 'n krag -LED as las gebruik. Dit het 'n voorwaartse spanning van 2,6 volt. Aangesien die spanning ongeveer 2,6 gestabiliseer is, het ek slegs die stroom gemeet.

1) Kragtoevoer by 5,6 V (blou lyn op grafiek 1)

• kragopwekker min spoed 132 rpm
• generator maksimum spoed 172 rpm
• kragopwekker maksimum krag 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Kragtoevoer by 4 V (rooi lyn op grafiek 1)

• kragopwekker min spoed 91 rpm
• generator maksimum spoed 102 rpm
• generator maksimum krag 23mW (9 mA x 2.6V)

In die laaste eksperiment (tweede grafiek) word die krag direk deur die beheerder bereken. In hierdie geval is 'n 3,7 V li-po-battery as las gebruik.

kragopwekker maksimum krag 44mW

Stap 8: Bespreking

Die eerste grafiek gee 'n idee van die krag wat ons van hierdie opstelling kan verwag.

Die tweede grafiek toon dat daar 'n paar plaaslike maksimums is. Dit is 'n probleem vir die reguleerder, omdat dit by hierdie maksimum maksimum van die plaaslike bevolking vasval. Die nie -lineariteit is te wyte aan die oorgang tussen voortgaan en stop van induktorgeleiding. Die goeie ding is dat dit altyd tydens dieselfde werksiklus gebeur (hang nie af van die kragopwekker nie). Om te verhoed dat die kontroleerder in 'n plaaslike maksimum vassteek, beperk ek die werkingsiklus slegs tot [0,45 0,8].

Die tweede grafiek toon 'n maksimum van 0,044 watt. Aangesien die las 'n enkelselle-li-po-battery van 3,7 volt was. Dit beteken dat die laadstroom 12 mA is. (Ek = P/U). Teen hierdie spoed kan ek 'n 500mAh in 42 uur laai of dit gebruik om 'n ingeboude mikrobeheerder te bestuur (byvoorbeeld die Attiny vir die MPPT-beheerder). Hopelik waai die wind sterker.

Hier is ook 'n paar probleme wat ek opgemerk het met hierdie opstelling:

• Die spanning van die battery word nie beheer nie (daar is 'n beskermingskring in die battery)
• Die stepper motor het 'n raserige uitset, so ek moet die meting oor 'n lang tydperk 0,6 sek.

Uiteindelik het ek besluit om nog 'n eksperiment met 'n BLDC te maak. Omdat BLDC's 'n ander topologie het, moes ek 'n nuwe bord ontwerp. Die resultate wat in die eerste grafiek verkry word, sal gebruik word om die twee kragopwekkers te vergelyk, maar ek sal alles binnekort in 'n ander instruksies verduidelik.