Maximum Power Point Tracker για μικρές ανεμογεννήτριες: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Υπάρχουν πολλές ανεμογεννήτριες DIY στο διαδίκτυο, αλλά πολύ λίγοι εξηγούν με σαφήνεια το αποτέλεσμα που λαμβάνουν από πλευράς ισχύος ή ενέργειας. Επίσης συχνά υπάρχει σύγχυση μεταξύ ισχύος, έντασης και ρεύματος. Πολλές φορές, οι άνθρωποι λένε: "Μέτρησα αυτήν την ένταση στη γεννήτρια!" Ομορφη! Αλλά δεν σημαίνει ότι μπορείτε να σχεδιάσετε ρεύμα και να έχετε ισχύ (Ισχύς = τάση x ρεύμα). Υπάρχουν επίσης πολλοί εγχώριοι ελεγκτές MPPT (Maximum Power Point Tracker) για ηλιακή εφαρμογή αλλά όχι τόσο για εφαρμογές ανέμου. Έκανα αυτό το έργο για να διορθώσω αυτήν την κατάσταση.

Σχεδίασα έναν χαμηλής ισχύος (<1W) ελεγκτή φόρτισης MPPT για μπαταρίες ιόντων λιθίου 3,7V (μονής κυψέλης). Ξεκίνησα με κάτι μικρό γιατί θα ήθελα να συγκρίνω διαφορετικό σχεδιασμό τρισδιάστατης εκτύπωσης ανεμογεννητριών και το μέγεθος αυτών των στροβίλων δεν πρέπει να παράγει πολύ περισσότερο από 1W. Ο τελικός στόχος είναι η παροχή αυτόνομου σταθμού ή οποιουδήποτε συστήματος εκτός δικτύου.

Για να δοκιμάσω το χειριστήριο έχτισα μια εγκατάσταση με έναν μικρό κινητήρα DC συνδεδεμένο με έναν βηματικό κινητήρα (NEMA 17). Ο βηματικός κινητήρας χρησιμοποιείται ως γεννήτρια και ο κινητήρας DC μου επιτρέπει να προσομοιώσω τον άνεμο που ωθεί τα πτερύγια του στροβίλου. Στο επόμενο βήμα θα εξηγήσω το πρόβλημα και θα συνοψίσω μερικές σημαντικές έννοιες, οπότε αν απλά ενδιαφέρεστε κάνοντας τον πίνακα, μεταβείτε στο βήμα 3.

Βήμα 1: Το πρόβλημα

Θέλουμε να πάρουμε την κινητική ενέργεια από τον άνεμο, να τη μετατρέψουμε σε ηλεκτρική ενέργεια και να την αποθηκεύσουμε σε μπαταρία. Το πρόβλημα είναι ότι ο άνεμος αυξομειώνεται, οπότε και το διαθέσιμο ποσό ενέργειας αυξομειώνεται. Επιπλέον, η τάση της γεννήτριας εξαρτάται από την ταχύτητά της, αλλά η τάση της μπαταρίας είναι σταθερή. Πώς μπορούμε να το λύσουμε;

Πρέπει να ρυθμίσουμε το ρεύμα της γεννήτριας επειδή το ρεύμα είναι ανάλογο με τη ροπή πέδησης. Πράγματι υπάρχει ένας παραλληλισμός μεταξύ του μηχανικού κόσμου (Μηχανική ισχύς = Ροπή x Ταχύτητα) και του ηλεκτρικού κόσμου (Ηλεκτρική ισχύς = Ρεύμα x Τάση) (βλ. Γράφημα). Οι λεπτομέρειες σχετικά με τα ηλεκτρονικά θα συζητηθούν αργότερα.

Πού είναι η μέγιστη ισχύς; Για μια δεδομένη ταχύτητα ανέμου, αν αφήσουμε τον στρόβιλο να περιστρέφεται ελεύθερα (χωρίς ροπή πέδησης), η ταχύτητά του θα είναι μέγιστη (και η τάση επίσης) αλλά δεν έχουμε ρεύμα, οπότε η ισχύς είναι μηδενική. Από την άλλη πλευρά, εάν μεγιστοποιήσουμε το ρεύμα εξόδου, είναι πιθανό να φρενάρουμε πολύ τον στρόβιλο και να μην επιτευχθεί η βέλτιστη αεροδυναμική ταχύτητα. Ανάμεσα σε αυτά τα δύο άκρα υπάρχει ένα σημείο όπου το γινόμενο της ροπής κατά την ταχύτητα είναι το μέγιστο. Αυτό ψάχνουμε!

Τώρα υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις: Για παράδειγμα, εάν γνωρίζετε όλες τις εξισώσεις και τις παραμέτρους που περιγράφουν το σύστημα, μπορείτε πιθανώς να υπολογίσετε τον καλύτερο κύκλο λειτουργίας για μια ορισμένη ταχύτητα ανέμου και ταχύτητα στροβίλου. Or, αν δεν γνωρίζετε τίποτα, μπορείτε να πείτε στον ελεγκτή: Αλλάξτε λίγο τον κύκλο λειτουργίας και στη συνέχεια υπολογίστε την ισχύ. Αν είναι μεγαλύτερο σημαίνει ότι κινηθήκαμε προς την καλή κατεύθυνση, οπότε συνεχίστε προς αυτήν την κατεύθυνση. Αν είναι χαμηλότερα, απλά μετακινήστε τον κύκλο λειτουργίας προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Βήμα 2: Η λύση

Πρώτα πρέπει να διορθώσουμε την έξοδο της γεννήτριας με γέφυρα διόδου και στη συνέχεια να ρυθμίσουμε το ρεύμα έγχυσης της μπαταρίας με μετατροπέα ώθησης. Άλλα συστήματα χρησιμοποιούν έναν μετατροπέα buck ή buck boost, αλλά καθώς έχω στρόβιλο χαμηλής ισχύος υποθέτω ότι η τάση της μπαταρίας είναι πάντα μεγαλύτερη από την έξοδο της γεννήτριας. Για τη ρύθμιση του ρεύματος πρέπει να αλλάξουμε τον κύκλο λειτουργίας (Ton / (Ton+Toff)) του μετατροπέα ώθησης.

Τα μέρη στη δεξιά πλευρά των διαγραμμάτων δείχνουν έναν ενισχυτή (AD8603) με διαφορά εισόδου για τη μέτρηση της τάσης στο R2. Το αποτέλεσμα χρησιμοποιείται για να συμπεράνει το τρέχον φορτίο.

Οι μεγάλοι πυκνωτές που βλέπουμε στην πρώτη εικόνα είναι ένα πείραμα: έστρεψα το κύκλωμά μου σε διπλότροχο τάσης Delon. Τα συμπεράσματα είναι καλά, οπότε αν χρειάζεται περισσότερη τάση, απλά προσθέστε πυκνωτές για να κάνετε τον μετασχηματισμό.

Βήμα 3: Εργαλεία και υλικό

Εργαλεία

• Προγραμματιστής Arduino ή AVR
• Πολύμετρο
• Μηχανή άλεσης ή χημική χάραξη (για πρωτότυπο PCB μόνος σας)
• Συγκολλητικό σίδερο, ροή, σύρμα συγκόλλησης
• Τσιμπιδακι ΦΡΥΔΙΩΝ

Υλικό

• Μπακελίτης πλάκα χαλκού μονής πλευράς (ελάχιστο 60*35 mm)
• Μικροελεγκτής Attiny45
• Λειτουργικός ενισχυτής AD8605
• Επαγωγέας 100uF
• 1 δίοδος Schottky CBM1100
• 8 Δίοδος Schottky BAT46
• Τρανζίστορ και πυκνωτές (μέγεθος 0603) (βλ. BillOfMaterial.txt)

Βήμα 4: Κατασκευή του PCB

Σας δείχνω τη μέθοδό μου για την πρωτοτυπία αλλά φυσικά αν δεν μπορείτε να φτιάξετε PCB στο σπίτι μπορείτε να την παραγγείλετε στο αγαπημένο σας εργοστάσιο.

Χρησιμοποίησα ένα ProxxonMF70 που μετατράπηκε σε CNC και ένα τριγωνικό άκρο μύλου. Για τη δημιουργία του G-Code χρησιμοποιώ ένα plugin για το Eagle.

Στη συνέχεια, τα εξαρτήματα συγκολλούνται ξεκινώντας από τα μικρότερα.

Μπορείτε να παρατηρήσετε ότι λείπουν ορισμένες συνδέσεις, εδώ κάνω άλματα με το χέρι. Συγκόλλησα καμπύλα πόδια αντίστασης (βλ. Εικόνα).

Βήμα 5: Προγραμματισμός μικροελεγκτών

Χρησιμοποιώ ένα Arduino (Adafruit pro-trinket και καλώδιο USB FTDI) για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή Attiny45. Κατεβάστε τα αρχεία στον υπολογιστή σας, συνδέστε τις ακίδες του ελεγκτή:

1. στο arduino pin 11
2. στο arduino pin 12
3. στο arduino pin 13 (στον ελεγκτή Vin (αισθητήρας τάσης) όταν δεν προγραμματίζεται)
4. στο arduino pin 10
5. στο pin arduino 5V
6. στο arduino pin G

Στη συνέχεια, φορτώστε τον κωδικό στο χειριστήριο.

Βήμα 6: Η ρύθμιση δοκιμής

Έκανα αυτήν τη ρύθμιση (βλέπε εικόνα) για να δοκιμάσω τον ελεγκτή μου. Είμαι τώρα σε θέση να επιλέξω μια ταχύτητα και να δω πώς αντιδρά ο ελεγκτής. Επίσης, μπορώ να εκτιμήσω πόση ισχύς παρέχεται πολλαπλασιάζοντας το U και έδειξα στην οθόνη τροφοδοσίας. Αν και ο κινητήρας δεν συμπεριφέρεται ακριβώς όπως μια ανεμογεννήτρια, θεωρώ ότι αυτή η προσέγγιση δεν είναι τόσο κακή. Πράγματι, καθώς η ανεμογεννήτρια, όταν σπάτε τον κινητήρα, επιβραδύνεται και όταν τον αφήνετε να γυρίσει ελεύθερα, φτάνει τη μέγιστη ταχύτητα. (η καμπύλη ροπής-ταχύτητας είναι μια στενή γραμμή για έναν κινητήρα DC και ένα είδος παραβολής για ανεμογεννήτριες)

Υπολόγισα μειωτικό κιβώτιο ταχυτήτων (16: 1) προκειμένου ο μικρός κινητήρας DC να περιστρέφεται στην πιο αποδοτική ταχύτητα και ο βηματικός κινητήρας να περιστρέφεται με μέση ταχύτητα (200 σ.α.λ.) για μια ανεμογεννήτρια με χαμηλή ταχύτητα ανέμου (3 m/s)

Βήμα 7: Αποτελέσματα

Για αυτό το πείραμα (πρώτο γράφημα), χρησιμοποίησα ένα LED ισχύος ως φορτίο. Έχει τάση προς τα εμπρός 2,6 βολτ. Καθώς η τάση σταθεροποιείται γύρω στο 2,6, μέτρησα μόνο το ρεύμα.

1) Τροφοδοσία στα 5,6 V (μπλε γραμμή στο γράφημα 1)

• γεννήτρια ελάχιστη ταχύτητα 132 σ.α.λ
• μέγιστη ταχύτητα γεννήτριας 172 σ.α.λ
• μέγιστη ισχύς γεννήτριας 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Τροφοδοσία 4 V (κόκκινη γραμμή στο γράφημα 1)

• γεννήτρια ελάχιστη ταχύτητα 91 σ.α.λ
• μέγιστη ταχύτητα γεννήτριας 102 σ.α.λ
• μέγιστη ισχύς γεννήτριας 23mW (9 mA x 2.6V)

Στο τελευταίο πείραμα (δεύτερο γράφημα), η ισχύς υπολογίζεται απευθείας από τον ελεγκτή. Σε αυτήν την περίπτωση, μια μπαταρία li-po 3,7 V έχει χρησιμοποιηθεί ως φορτίο.

μέγιστη ισχύς γεννήτριας 44mW

Βήμα 8: Συζήτηση

Το πρώτο γράφημα δίνει μια ιδέα για τη δύναμη που μπορούμε να περιμένουμε από αυτήν τη ρύθμιση.

Το δεύτερο γράφημα δείχνει ότι υπάρχουν τοπικά μέγιστα. Αυτό είναι ένα πρόβλημα για τη ρυθμιστική αρχή γιατί κολλάει σε αυτά τα τοπικά μέγιστα. Η μη γραμμικότητα οφείλεται στη μετάβαση μεταξύ συνέχισης και διακοπής της αγωγιμότητας του επαγωγέα. Το καλό είναι ότι συμβαίνει πάντα για τον ίδιο κύκλο λειτουργίας (δεν εξαρτάται από την ταχύτητα της γεννήτριας). Για να μην κολλήσει ο ελεγκτής σε τοπικό μέγιστο, περιορίζω απλώς το εύρος κύκλου λειτουργίας σε [0,45 0,8].

Το δεύτερο γράφημα δείχνει μέγιστο 0,044 watt. Καθώς το φορτίο ήταν μια μπαταρία li-po μονής κυψέλης 3,7 volt. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα φόρτισης είναι 12 mA. (I = P/U). Με αυτήν την ταχύτητα μπορώ να φορτίσω ένα 500mAh σε 42 ώρες ή να το χρησιμοποιήσω για να τρέξω ένα ενσωματωμένο μικροελεγκτή (για παράδειγμα το Attiny για τον ελεγκτή MPPT). Ας ελπίσουμε ότι ο άνεμος θα φυσάει πιο δυνατά.

Επίσης, εδώ είναι μερικά προβλήματα που παρατήρησα με αυτήν τη ρύθμιση:

• Η υπερβολική τάση της μπαταρίας δεν ελέγχεται (υπάρχει κύκλωμα προστασίας στην μπαταρία)
• Ο βηματικός κινητήρας έχει θορυβώδη έξοδο, οπότε χρειάζεται μέση μέτρηση για μεγάλο χρονικό διάστημα 0,6 sec.

Τελικά αποφάσισα να κάνω ένα άλλο πείραμα με ένα BLDC. Επειδή τα BLDC έχουν άλλη τοπολογία, έπρεπε να σχεδιάσω έναν νέο πίνακα. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται στο πρώτο γράφημα θα χρησιμοποιηθούν για τη σύγκριση των δύο γεννητριών, αλλά θα τα εξηγήσω όλα σύντομα σε άλλο οδηγό.