Счетчик максимальной мощности для малых ветряных турбин: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В Интернете есть много ветряных турбин, сделанных своими руками, но очень немногие ясно объясняют результат, который они получают, с точки зрения мощности или энергии. Также часто путают мощность, напряжение и ток. Очень часто люди говорят: «Я замерил это напряжение на генераторе!» Отлично! Но это не значит, что вы можете потреблять ток и иметь мощность (мощность = напряжение x ток). Существует также много самодельных контроллеров MPPT (Maximum Power Point Tracker) для солнечной энергии, но не так много для ветровой установки. Я сделал этот проект, чтобы исправить эту ситуацию.

Я разработал маломощный (<1 Вт) контроллер заряда MPPT для литий-ионно-полимерных батарей 3,7 В (одноэлементный). Я начал с чего-то небольшого, потому что хотел бы сравнить различные модели ветряных турбин, напечатанных на 3D-принтере, и размер этих турбин не должен давать больше 1 Вт. Конечная цель - поставить отдельную станцию или любую автономную систему.

Для тестирования контроллера я построил установку с небольшим двигателем постоянного тока, соединенным с шаговым двигателем (NEMA 17). Шаговый двигатель используется в качестве генератора, а двигатель постоянного тока позволяет мне имитировать ветер, толкающий лопасти турбины. На следующем шаге я объясню проблему и резюмирую некоторые важные концепции, поэтому, если вас просто интересует создание доски, переходите к шагу 3.

Шаг 1. Проблема

Мы хотим получить кинетическую энергию ветра, преобразовать ее в электричество и сохранить это электричество в батарее. Проблема в том, что ветер колеблется, поэтому колеблется и доступное количество энергии. Кроме того, напряжение генератора зависит от его скорости, но напряжение аккумулятора постоянно. Как мы можем это решить?

Нам нужно регулировать ток генератора, потому что ток пропорционален тормозному моменту. Действительно, существует параллель между миром механики (Механическая мощность = Крутящий момент x Скорость) и миром электричества (Электрическая мощность = Ток x Напряжение) (см. График). Подробнее об электронике мы поговорим позже.

Где максимум мощности? Для данной скорости ветра, если мы позволим турбине вращаться свободно (без тормозного момента), ее скорость будет максимальной (и напряжение тоже), но у нас нет тока, поэтому мощность равна нулю. С другой стороны, если мы максимизируем потребляемый ток, вполне вероятно, что мы слишком сильно затормозим турбину и не будет достигнута оптимальная аэродинамическая скорость. Между этими двумя экстремумами есть точка, в которой произведение крутящего момента на скорость является максимальным. Это то, что мы ищем!

Теперь есть разные подходы: например, если вы знаете все уравнения и параметры, описывающие систему, вы, вероятно, можете рассчитать лучший рабочий цикл для определенной скорости ветра и скорости турбины. Или, если вы ничего не знаете, вы можете сказать контроллеру: измените немного рабочий цикл, а затем рассчитайте мощность. Если он больше, значит, мы двигались в правильном направлении, так что продолжайте двигаться в этом направлении. Если он ниже, просто сместите рабочий цикл в противоположном направлении.

Шаг 2: решение

Сначала нам нужно выпрямить выход генератора с помощью диодного моста, а затем отрегулировать вводимый ток в батарею с помощью повышающего преобразователя. В других системах используется понижающий или понижающий повышающий преобразователь, но, поскольку у меня турбина малой мощности, я предполагаю, что напряжение батареи всегда больше, чем выходная мощность генератора. Чтобы регулировать ток, нам нужно изменить рабочий цикл (Ton / (Ton + Toff)) повышающего преобразователя.

На правой стороне схемы показан усилитель (AD8603) с дифференциальным входом для измерения напряжения на R2. Результат используется для определения текущей нагрузки.

Большие конденсаторы, которые мы видим на первом изображении, являются экспериментом: я включил свою схему в удвоитель напряжения Делона. Выводы хорошие, поэтому, если требуется большее напряжение, просто добавьте конденсаторы для преобразования.

Шаг 3: Инструменты и материалы

Инструменты

• Программатор Arduino или AVR
• Мультиметр
• Фрезерный станок или химическое травление (для самостоятельного макета печатной платы)
• Паяльник, флюс, паяльная проволока
• Пинцет

Материал

• Бакелитовая односторонняя медная пластина (минимум 60 * 35 мм)
• Микроконтроллер Attiny45
• Операционный усилитель AD8605
• Индуктор 100 мкФ
• 1 диод Шоттки CBM1100
• 8 диод Шоттки BAT46
• Транзисторы и конденсаторы (размер 0603) (см. BillOfMaterial.txt)

Шаг 4: Изготовление печатной платы

Я покажу вам свой метод прототипирования, но, конечно, если вы не можете изготовить печатные платы дома, вы можете заказать их на своем любимом заводе.

Я использовал ProxxonMF70, преобразованный в ЧПУ, и треугольную концевую фрезу. Для создания G-кода я использую плагин для Eagle.

Затем припаиваются компоненты, начиная с меньшего.

Вы можете заметить, что некоторые соединения отсутствуют, это то место, где я прыгаю вручную. Припаиваю изогнутые ножки резистора (см. Изображение).

Шаг 5: Программирование микроконтроллера

Я использую Arduino (про-брелок Adafruit и USB-кабель FTDI) для программирования микроконтроллера Attiny45. Загрузите файлы на свой компьютер, подключите пины контроллера:

1. к контакту 11 Arduino
2. к пину 12 Arduino
3. к контакту 13 Arduino (к контроллеру Vin (датчик напряжения), когда не программируется)
4. к контакту 10 Arduino
5. к контакту arduino 5V
6. к контакту G Arduino

Затем загрузите код в контроллер.

Шаг 6: Настройка тестирования

Я сделал эту настройку (см. Рисунок), чтобы протестировать свой контроллер. Теперь я могу выбрать скорость и посмотреть, как реагирует контроллер. Также я могу оценить, сколько мощности доставляется, умножив U, и я показал на экране источника питания. Хотя двигатель ведет себя не совсем как ветряная турбина, я считаю, что это приближение не так уж и плохо. Действительно, как и ветряная турбина, когда вы ломаете двигатель, он замедляется, а когда вы позволяете ему свободно вращаться, он достигает максимальной скорости. (кривая крутящего момента - скорость - прямая линия для двигателя постоянного тока и своего рода парабола для ветряных турбин)

Я рассчитал редуктор (16: 1), чтобы маленький двигатель постоянного тока вращался на своей наиболее эффективной скорости, а шаговый двигатель вращался на средней скорости (200 об / мин) для ветряной турбины с низкой скоростью ветра (3 м / с.)

Шаг 7: Результаты

Для этого эксперимента (первый график) я использовал светодиод питания в качестве нагрузки. Он имеет прямое напряжение 2,6 В. Так как напряжение стабилизировалось около 2,6, я измерял только ток.

1) Питание на 5,6 В (синяя линия на графике 1)

• мин. скорость генератора 132 об / мин
• Макс.скорость генератора 172 об / мин
• максимальная мощность генератора 67 мВт (26 мА x 2,6 В)

2) Питание на 4 В (красная линия на графике 1)

• мин. скорость генератора 91 об / мин
• Макс.скорость генератора 102 об / мин
• максимальная мощность генератора 23 мВт (9 мА x 2,6 В)

В последнем эксперименте (второй график) мощность рассчитывается напрямую контроллером. В этом случае в качестве нагрузки использовалась литий-полимерная батарея 3,7 В.

максимальная мощность генератора 44 мВт

Шаг 8: Обсуждение

Первый график дает представление о мощности, которую мы можем ожидать от этой установки.

Второй график показывает, что есть несколько локальных максимумов. Это проблема регулятора, потому что он застревает в этих локальных максимумах. Нелинейность обусловлена переходом между продолжением и прекращением проводимости индуктора. Хорошо то, что это происходит всегда для одного и того же рабочего цикла (не зависит от скорости генератора). Чтобы избежать застревания контроллера в локальном максимуме, я просто ограничиваю диапазон рабочего цикла до [0,45 0,8].

Второй график показывает максимум 0,044 Вт. В качестве нагрузки использовалась одноячеечная литий-полимерная батарея на 3,7 вольта. Это означает, что зарядный ток составляет 12 мА. (I = P / U). На этой скорости я могу зарядить 500 мАч за 42 часа или использовать его для запуска встроенного микроконтроллера (например, Attiny для контроллера MPPT). Надеюсь, ветер будет сильнее.

Также вот некоторые проблемы, которые я заметил с этой настройкой:

• Перенапряжение АКБ не контролируется (в АКБ есть схема защиты)
• Шаговый двигатель имеет шумный выход, поэтому мне нужно усреднить измерение за длительный период 0,6 секунды.

В конце концов я решил провести еще один эксперимент с BLDC. Поскольку у BLDC другая топология, мне пришлось разработать новую плату. Результаты, полученные на первом графике, будут использованы для сравнения двух генераторов, но я скоро объясню все в других инструкциях.