Maximum Power Point Tracker voor kleine windturbines - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Er zijn veel doe-het-zelf windturbines op internet, maar slechts weinigen leggen duidelijk uit welk resultaat ze behalen in termen van vermogen of energie. Ook is er vaak een verwarring tussen kracht, spanning en stroom. Vaak zeggen mensen: "Ik heb deze spanning op de generator gemeten!" Mooi hoor! Maar het betekent niet dat je stroom kunt trekken en vermogen hebt (vermogen = spanning x stroom). Er zijn ook veel zelfgemaakte MPPT-controllers (Maximum Power Point Tracker) voor toepassing op zonne-energie, maar niet zozeer voor toepassing op wind. Ik heb dit project gedaan om deze situatie te verhelpen.

Ik ontwierp een MPPT laadregelaar met laag vermogen (< 1W) voor 3.7V (eencellige) Lithium Ion Polymeer batterijen. Ik begon met iets kleins omdat ik verschillende 3D-geprinte windturbineontwerpen zou willen vergelijken en de grootte van deze turbines niet veel meer dan 1W zou moeten produceren. Het uiteindelijke doel is om een stand-alone station of een ander off-grid systeem te leveren.

Om de controller te testen heb ik een opstelling gebouwd met een kleine gelijkstroommotor gekoppeld aan een stappenmotor (NEMA 17). De stappenmotor wordt gebruikt als generator en met de gelijkstroommotor kan ik de wind simuleren die de turbinebladen voortstuwt. In de volgende stap zal ik het probleem uitleggen en enkele belangrijke concepten samenvatten, dus als je alleen geïnteresseerd bent door het bord te maken, ga dan naar stap 3.

Stap 1: Het probleem

We willen kinetische energie uit de wind halen, omzetten in elektriciteit en die elektriciteit opslaan in een batterij. Het probleem is dat de wind fluctueert, dus de beschikbare hoeveelheid energie fluctueert ook. Bovendien is de spanning van de generator afhankelijk van de snelheid, maar de accuspanning is constant. Hoe kunnen we dat oplossen?

We moeten de generatorstroom regelen omdat de stroom evenredig is met het remkoppel. Er is inderdaad een parallel tussen de mechanische wereld (Mechanisch vermogen = Koppel x Toerental) en de elektrische wereld (Elektrisch vermogen = Stroom x Spanning) (zie grafiek). De details over de elektronica zullen later worden besproken.

Waar is het maximale vermogen? Voor een gegeven windsnelheid, als we de turbine vrij laten draaien (geen remkoppel), zal de snelheid maximaal zijn (en ook de spanning), maar we hebben geen stroom, dus het vermogen is nul. Aan de andere kant, als we de getrokken stroom maximaliseren, is het waarschijnlijk dat we de turbine te veel afremmen en dat de optimale aerodynamische snelheid niet wordt bereikt. Tussen deze twee extremen is er een punt waar het product van het koppel door de snelheid maximaal is. Dit is wat we zoeken!

Nu zijn er verschillende benaderingen: als u bijvoorbeeld alle vergelijkingen en parameters kent die het systeem beschrijven, kunt u waarschijnlijk de beste werkcyclus berekenen voor een bepaalde windsnelheid en turbinesnelheid. Of, als je niets weet, kun je tegen de controller zeggen: verander de duty-cycle een beetje en bereken dan het vermogen. Als het groter is, betekent dit dat we in de goede richting zijn gegaan, dus blijf in die richting gaan. Als het lager is, verplaatst u de werkcyclus gewoon in de tegenovergestelde richting.

Stap 2: De oplossing

Eerst moeten we de generatoruitgang corrigeren met een diodebrug en vervolgens de geïnjecteerde stroom in de batterij regelen met een boost-converter. Andere systemen gebruiken een buck- of buck-boost-converter, maar omdat ik een turbine met laag vermogen heb, neem ik aan dat de batterijspanning altijd groter is dan de output van de generator. Om de stroom te regelen, moeten we de duty-cycle (Ton / (Ton+Toff)) van de boost-converter wijzigen.

De onderdelen aan de rechterkant van het schema tonen een versterker (AD8603) met een verschilingang om de spanning op R2 te meten. Het resultaat wordt gebruikt om de huidige belasting af te leiden.

De grote condensatoren die we op de eerste afbeelding zien, is een experiment: ik heb mijn circuit in een Delon Spanningsverdubbelaar gedraaid. De conclusies zijn goed, dus als er meer spanning nodig is, voegt u gewoon condensatoren toe om de transformatie te maken.

Stap 3: Gereedschap en materiaal

Gereedschap

• Arduino of AVR programmeur
• Multimeter
• Freesmachine of chemisch etsen (voor zelf PCB-prototyping)
• Soldeerbout, flux, soldeerdraad
• Pincet

Materiaal

• Bakeliet enkelzijdige koperen plaat (minimaal 60*35 mm)
• Microcontroller Attiny45
• Operationele versterker AD8605
• Spoel 100uF
• 1 Schottky-diode CBM1100
• 8 Schottky-diode BAT46
• Transistors en condensatoren (maat 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Stap 4: Het maken van de PCB

Ik laat je mijn methode voor prototyping zien, maar als je thuis geen PCB's kunt maken, kun je deze natuurlijk bij je favoriete fabriek bestellen.

Ik gebruikte een ProxxonMF70 omgezet in CNC en een driehoekige vingerfrees. Om de G-code te genereren gebruik ik een plug-in voor Eagle.

Vervolgens worden de componenten gesoldeerd, te beginnen met de kleinere.

Je kunt zien dat er wat verbindingen ontbreken, hier maak ik met de hand sprongen. Ik soldeer gebogen weerstandspoten (zie afbeelding).

Stap 5: Microcontroller-programmering

Ik gebruik een Arduino (Adafruit pro-trinket en FTDI USB-kabel) om de Attiny45-microcontroller te programmeren. Download de bestanden naar uw computer, sluit de controllerpinnen aan:

1. naar arduino-pin 11"
2. naar arduino-pin 12"
3. naar arduino pin 13 (naar controller Vin (spanningssensor) wanneer niet geprogrammeerd)
4. naar arduino-pin 10"
5. naar arduino-pin 5V
6. naar arduino pin G

Laad vervolgens de code op de controller.

Stap 6: De testconfiguratie

Ik heb deze setup gemaakt (zie afbeelding) om mijn controller te testen. Ik kan nu een snelheid selecteren en zien hoe de controller reageert. Ook kan ik schatten hoeveel stroom wordt geleverd door U te vermenigvuldigen en ik liet zien op het scherm van de voeding. Hoewel de motor zich niet precies als een windturbine gedraagt, vind ik deze benadering niet zo slecht. Inderdaad, zoals de windturbine, wanneer je de motor afbreekt, vertraagt hij en wanneer je hem vrij laat draaien, bereikt hij een maximale snelheid. (de koppel-snelheidscurve is een rechte lijn voor een gelijkstroommotor en een soort parabool voor windturbines)

Ik heb een reductiekast (16:1) berekend om de kleine gelijkstroommotor met zijn meest efficiënte snelheid te laten draaien en de stappenmotor met een gemiddelde snelheid (200 tpm) voor een windturbine met lage windsnelheid (3 m/sec.)

Stap 7: Resultaten

Voor dit experiment (eerste grafiek) heb ik een power-LED als belasting gebruikt. Het heeft een voorwaartse spanning van 2,6 volt. Omdat de spanning rond de 2,6 is gestabiliseerd, heb ik alleen de stroom gemeten.

1) Voeding bij 5,6 V (blauwe lijn op de grafiek 1)

• generator min toerental 132 rpm
• generator max snelheid 172 rpm
• generator max. vermogen 67 mW (26 mA x 2,6 V)

2) Voeding bij 4 V (rode lijn op de grafiek 1)

• generator min toerental 91 rpm
• generator max snelheid 102 rpm
• generator max. vermogen 23mW (9 mA x 2.6V)

In het laatste experiment (tweede grafiek) wordt het vermogen direct berekend door de controller. In dit geval is een 3,7 V li-po batterij als belasting gebruikt.

generator max. vermogen 44mW

Stap 8: Discussie

De eerste grafiek geeft een idee van het vermogen dat we van deze opstelling kunnen verwachten.

De tweede grafiek laat zien dat er enkele lokale maxima zijn. Dit is een probleem voor de toezichthouder omdat deze vastloopt in deze lokale maxima. De niet-lineariteit is te wijten aan de overgang tussen continue en discontinue inductorgeleiding. Het mooie is dat het altijd voor dezelfde duty-cycle gebeurt (hangt niet af van de generatorsnelheid). Om te voorkomen dat de controller vast komt te zitten in een lokaal maximum, beperk ik gewoon het duty cycle-bereik tot [0.45 0.8].

De tweede grafiek laat maximaal 0,044 watt zien. Als belasting was een eencellige li-po-batterij van 3,7 volt. Dit betekent dat de laadstroom 12 mA is. (I=P/U). Met deze snelheid kan ik een 500mAh in 42 uur opladen of gebruiken om een embedded microcontroller te laten werken (bijvoorbeeld de Attiny voor de MPPT-controller). Hopelijk gaat de wind harder waaien.

Hier zijn ook enkele problemen die ik heb opgemerkt met deze opstelling:

• De overspanning van de batterij wordt niet gecontroleerd (er is een beveiligingscircuit in de batterij)
• De stappenmotor heeft een luidruchtige output, dus ik moet de meting over een lange periode van 0,6 sec gemiddeld.

Uiteindelijk besloot ik nog een experiment te doen met een BLDC. Omdat BLDC's een andere topologie hebben, moest ik een nieuw bord ontwerpen. De resultaten die in de eerste grafiek zijn verkregen, zullen worden gebruikt om de twee generatoren te vergelijken, maar ik zal alles binnenkort in een andere instructables uitleggen.