Didžiausias galios taškų stebėjimo įrankis mažoms vėjo turbinoms: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Internete yra daug „pasidaryk pats“vėjo jėgainių, tačiau tik nedaugelis aiškiai paaiškina gautą rezultatą galios ar energijos požiūriu. Taip pat dažnai yra painiavos tarp galios, įtampos ir srovės. Daug laiko žmonės sako: "Aš išmatavau šią įtampą ant generatoriaus!" Puiku! Bet tai nereiškia, kad galite pritraukti srovę ir turėti galią (galia = įtampa x srovė). Taip pat yra daug namuose pagamintų MPPT (maksimalios galios taško stebėjimo) valdiklių, skirtų saulės energijai, bet ne tiek daug, kaip vėjo. Aš padariau šį projektą, kad ištaisyčiau šią situaciją.

Sukūriau mažos galios (<1W) MPPT įkrovimo valdiklį, skirtą 3,7 V (vieno elemento) ličio jonų polimerų baterijoms. Pradėjau nuo kažko mažo, nes norėčiau palyginti skirtingą 3D spausdintą vėjo turbinų dizainą, o šių turbinų dydis neturėtų pagaminti daug daugiau nei 1W. Galutinis tikslas yra tiekti atskirą stotį ar bet kokią tinklo sistemą.

Norėdami išbandyti valdiklį, sukūriau sąranką su mažu nuolatinės srovės varikliu, prijungtu prie žingsninio variklio (NEMA 17). Žingsninis variklis naudojamas kaip generatorius, o nuolatinės srovės variklis leidžia man imituoti vėją, stumiantį turbinos mentes. Kitame žingsnyje aš paaiškinsiu problemą ir apibendrinsiu kai kurias svarbias sąvokas, taigi, jei jus tiesiog domina sudaryti lentą, pereikite prie 3 veiksmo.

1 žingsnis: problema

Mes norime iš vėjo paimti kinetinę energiją, paversti ją elektra ir išsaugoti tą energiją akumuliatoriuje. Problema ta, kad vėjas svyruoja, todėl svyruoja ir turimas energijos kiekis. Be to, generatoriaus įtampa priklauso nuo jo greičio, tačiau akumuliatoriaus įtampa yra pastovi. Kaip galime tai išspręsti?

Turime reguliuoti generatoriaus srovę, nes srovė yra proporcinga stabdymo momentui. Iš tiesų egzistuoja paralelė tarp mechaninio pasaulio (mechaninė galia = sukimo momentas x greitis) ir elektros pasaulio (elektros galia = srovė x įtampa) (žr. Grafiką). Išsami informacija apie elektroniką bus aptarta vėliau.

Kur yra maksimali galia? Esant tam tikram vėjo greičiui, jei leisime turbinai laisvai suktis (be stabdymo momento), jos greitis bus maksimalus (o taip pat ir įtampa), tačiau neturime srovės, todėl galia yra nulinė. Kita vertus, jei maksimaliai padidiname traukiamą srovę, tikėtina, kad per daug stabdome turbiną ir nepasiekiamas optimalus aerodinaminis greitis. Tarp šių dviejų galūnių yra taškas, kuriame sukimo momento sandaugos greitis yra didžiausias. Štai ko mes ieškome!

Dabar yra įvairių metodų: Pavyzdžiui, jei žinote visas lygtis ir parametrus, kurie apibūdina sistemą, tikriausiai galite apskaičiuoti geriausią tam tikro vėjo greičio ir turbinos greičio darbo ciklą. Arba, jei nieko nežinote, galite pasakyti valdikliui: šiek tiek pakeiskite darbo ciklą, tada apskaičiuokite galią. Jei jis didesnis, tai reiškia, kad mes judėjome gera linkme, todėl eikite ta kryptimi. Jei jis yra žemesnis, tiesiog pakeiskite darbo ciklą priešinga kryptimi.

2 žingsnis: sprendimas

Pirmiausia turime ištaisyti generatoriaus išėjimą diodiniu tiltu, o paskui reguliuoti įpurškiamą srovę akumuliatoriuje su padidinimo keitikliu. Kitos sistemos naudoja „Buck“arba „Buck Boost“keitiklį, bet kadangi turiu mažos galios turbiną, manau, kad akumuliatoriaus įtampa visada yra didesnė nei generatoriaus išvestis. Norėdami reguliuoti srovę, turime pakeisti padidinimo keitiklio darbo ciklą (Ton / (Ton+Toff)).

Dešinėje schemos pusėje esančios dalys rodo stiprintuvą (AD8603) su skirtingu įėjimu, skirtu matuoti R2 įtampą. Rezultatas naudojamas dabartinei apkrovai nustatyti.

Dideli kondensatoriai, kuriuos matome pirmame paveikslėlyje, yra eksperimentas: aš pasukau grandinę „Delon Voltage“dvigubintuvu. Išvados yra geros, todėl jei reikia daugiau įtampos, tiesiog pridėkite kondensatorių, kad transformuotumėte.

3 žingsnis: įrankiai ir medžiagos

Įrankiai

• „Arduino“arba AVR programuotojas
• Multimetras
• Frezavimo staklės arba cheminis ėsdinimas (PCB prototipų kūrimui patiems)
• Lituoklis, srautas, litavimo viela
• Pincetai

Medžiaga

• Bakelito vienos pusės varinė plokštė (mažiausiai 60*35 mm)
• Mikrovaldiklis „Attiny45“
• Operacinis stiprintuvas AD8605
• Induktorius 100uF
• 1 Schottky diodas CBM1100
• 8 Schottky diodas BAT46
• Tranzistoriai ir kondensatoriai (0603 dydis) (plg. BillOfMaterial.txt)

4 žingsnis: PCB gamyba

Aš jums parodysiu savo prototipų kūrimo metodą, bet, žinoma, jei negalite pasigaminti PCB namuose, galite užsisakyti jį į savo mėgstamą gamyklą.

Aš naudojau „ProxxonMF70“, konvertuotą į CNC, ir trikampį galinį malūną. Norėdami sukurti G kodą, naudoju „Eagle“papildinį.

Tada komponentai yra lituojami, pradedant nuo mažesnio.

Galite pastebėti, kad trūksta kai kurių jungčių, čia aš atlieku šuolius ranka. Lituoju išlenktas rezistoriaus kojas (plg. Paveikslėlį).

5 žingsnis: mikrovaldiklio programavimas

Aš naudoju „Arduino“(„Adafruit pro-trinket“ir FTDI USB laidą), kad programuočiau „Attiny45“mikrovaldiklį. Atsisiųskite failus į savo kompiuterį, prijunkite valdiklio kaiščius:

1. į arduino kaištį 11
2. į arduino kaištį 12
3. į „arduino“kaištį 13 (valdikliui „Vin“(įtampos jutiklis), kai neprogramuojama)
4. į arduino kaištį 10
5. į arduino kaištį 5V
6. į arduino kaištį G.

Tada įkelkite kodą į valdiklį.

6 veiksmas: bandymų sąranka

Atlikau šią sąranką (žr. Paveikslėlį), norėdamas išbandyti savo valdiklį. Dabar galiu pasirinkti greitį ir pamatyti, kaip valdiklis reaguoja. Taip pat galiu įvertinti, kiek energijos tiekiama padauginus U ir parodžiau maitinimo šaltinio ekrane. Nors variklis elgiasi ne taip kaip vėjo turbina, manau, kad šis apytikslis nėra toks blogas. Iš tiesų, kaip vėjo jėgainė, kai sulaužote variklį, ji sulėtėja ir, kai leidžiate laisvai suktis, pasiekia maksimalų greitį. (sukimo momento greičio kreivė yra sąsiaurio linija nuolatinės srovės varikliui ir tam tikra parabolė vėjo turbinoms)

Apskaičiavau redukcinę pavarų dėžę (16: 1), kad mažo nuolatinės srovės variklis suktųsi efektyviausiu greičiu, o žingsninis - vidutiniu greičiu (200 aps./min.), Kai vėjo jėgainė su mažu vėjo greičiu (3 m/s))

7 žingsnis: Rezultatai

Šiam eksperimentui (pirmasis grafikas) kaip apkrovą naudojau maitinimo šviesos diodą. Jo priekinė įtampa yra 2,6 voltai. Kadangi įtampa stabilizuojasi apie 2,6, matavau tik srovę.

1) 5,6 V maitinimo šaltinis (mėlyna linija 1 grafike)

• generatoriaus min. greitis 132 aps./min
• maksimalus generatoriaus greitis 172 aps / min
• maksimali generatoriaus galia 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Maitinimas esant 4 V įtampai (raudona linija 1 grafike)

• generatoriaus min. greitis 91 aps./min
• maksimalus generatoriaus greitis 102 aps./min
• maksimali generatoriaus galia 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Paskutiniame eksperimente (antrasis grafikas) galią tiesiogiai apskaičiuoja valdiklis. Šiuo atveju kaip apkrova buvo naudojama 3,7 V ličio baterija.

Maksimali generatoriaus galia 44mW

8 žingsnis: diskusija

Pirmajame grafike pateikiama galia, kurios galime tikėtis iš šios sąrankos.

Antrasis grafikas rodo, kad yra keletas vietinių maksimumų. Tai yra problema reguliuotojui, nes ji įstringa šiuose vietiniuose maksimumuose. Netiesiškumas atsiranda dėl perėjimo tarp induktoriaus laidumo tęsimo ir nutraukimo. Geras dalykas yra tai, kad tai atsitinka visada tam pačiam darbo ciklui (nepriklauso nuo generatoriaus greičio). Kad valdiklis nebūtų įstrigęs vietiniame maksimume, aš tiesiog apriboju darbo ciklo diapazoną iki [0,45 0,8].

Antrajame grafike rodoma maksimali 0,044 vatų galia. Kadangi apkrova buvo vieno elemento 3,7 volto ličio baterija. Tai reiškia, kad įkrovimo srovė yra 12 mA. (I = P/U). Tokiu greičiu galiu įkrauti 500 mAh per 42 valandas arba naudoti jį įterptam mikrovaldikliui (pvz., „Attiny“MPPT valdikliui) paleisti. Tikimės, kad vėjas pūs stipriau.

Taip pat čia yra keletas problemų, kurias pastebėjau atlikdamas šią sąranką:

• Akumuliatoriaus įtampa nekontroliuojama (akumuliatoriuje yra apsauginė grandinė)
• Žingsninis variklis turi triukšmingą išėjimą, todėl man reikia apskaičiuoti vidutinį matavimą per ilgą laiką 0,6 sek.

Galiausiai nusprendžiau atlikti dar vieną eksperimentą su BLDC. Kadangi BLDC turi kitą topologiją, turėjau sukurti naują plokštę. Pirmajame grafike gauti rezultatai bus naudojami dviem generatoriams palyginti, tačiau netrukus viską paaiškinsiu kitoje instrukcijoje.