حداکثر پاور پوینت ردیاب برای توربین های بادی کوچک: 8 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

تعداد زیادی توربین بادی DIY در اینترنت وجود دارد ، اما تعداد کمی از آنها به وضوح نتیجه ای را که از نظر قدرت یا انرژی به دست می آورند توضیح می دهند. همچنین اغلب بین قدرت ، تنش و جریان اشتباه می شود. در بسیاری از اوقات ، مردم می گویند: "من این کشش را روی ژنراتور اندازه گیری کردم!" خوب! اما این بدان معنا نیست که می توانید جریان را بکشید و قدرت داشته باشید (قدرت = کشش x جریان). همچنین تعدادی کنترل کننده MPPT (حداکثر توان نقطه ردیاب) خانگی برای کاربردهای خورشیدی وجود دارد اما برای کاربردهای باد چندان زیاد نیست. من این پروژه را برای رفع این وضعیت انجام دادم.

من یک باتری کم شارژ (<1 وات) MPPT برای باتری های لیتیوم یون پلیمری 3.7 ولت (تک سلولی) طراحی کردم. من با یک کار کوچک شروع کردم زیرا می خواهم طراحی مختلف توربین بادی با چاپ سه بعدی را مقایسه کنم و اندازه این توربین ها نباید بیش از 1 وات تولید کند. هدف نهایی تأمین ایستگاه مستقل یا هر سیستم خارج از شبکه است.

برای آزمایش کنترلر ، من یک تنظیم با یک موتور DC کوچک همراه با یک موتور پله ای (NEMA 17) ایجاد کردم. موتور پله ای به عنوان ژنراتور استفاده می شود و موتور DC به من اجازه می دهد تا باد را با فشار دادن پره های توربین شبیه سازی کنم. در مرحله بعد من مشکل را توضیح خواهم داد و برخی از مفاهیم مهم را خلاصه می کنم ، بنابراین اگر فقط با ساخت تخته علاقه دارید ، به مرحله 3 بروید.

مرحله 1: مشکل

ما می خواهیم انرژی جنبشی را از باد گرفته ، آن را به الکتریسیته تبدیل کنیم و آن برق را در یک باتری ذخیره کنیم. مشکل این است که باد در نوسان است بنابراین مقدار انرژی موجود نیز در نوسان است. علاوه بر این ، کشش ژنراتور بستگی به سرعت آن دارد اما کشش باتری ثابت است. چگونه می توانیم آن را حل کنیم؟

ما باید جریان ژنراتور را تنظیم کنیم زیرا جریان متناسب با گشتاور ترمز است. در واقع بین جهان مکانیکی (قدرت مکانیکی = گشتاور x سرعت) و دنیای الکتریکی (قدرت الکتریکی = جریان x کشش) موازی وجود دارد (نمودار را ببینید). جزئیات مربوط به وسایل الکترونیکی بعداً مورد بحث قرار می گیرد.

حداکثر قدرت کجاست؟ برای سرعت باد معین ، اگر اجازه دهیم توربین آزادانه بچرخد (بدون گشتاور ترمز) ، سرعت آن حداکثر (و ولتاژ نیز) خواهد بود ، اما ما هیچ جریانی نداریم بنابراین قدرت صفر است. از طرف دیگر ، اگر جریان کشیده شده را به حداکثر برسانیم ، احتمالاً بیش از حد توربین را ترمز می کنیم و به سرعت آیرودینامیکی مطلوب دست پیدا نمی کنیم. بین این دو قسمت فوقانی نقطه ای وجود دارد که محصول گشتاور بر حسب سرعت حداکثر است. این همان چیزی است که ما به دنبال آن هستیم!

اکنون رویکردهای متفاوتی وجود دارد: به عنوان مثال اگر تمام معادلات و پارامترهای توصیف کننده سیستم را بدانید ، احتمالاً می توانید بهترین چرخه کار را برای یک سرعت باد و سرعت توربین محاسبه کنید. یا اگر چیزی نمی دانید ، می توانید به کنترل کننده بگویید: کمی چرخه وظیفه را تغییر دهید و سپس توان را محاسبه کنید. اگر بزرگتر باشد به این معنی است که ما در مسیر خوب حرکت کردیم ، بنابراین در این مسیر ادامه دهید. اگر پایین تر است ، فقط چرخه کار را در جهت مخالف حرکت دهید.

مرحله 2: راه حل

ابتدا باید خروجی ژنراتور را با یک پل دیودی تصحیح کنیم و سپس با یک مبدل تقویت کننده جریان تزریق شده در باتری را تنظیم کنیم. سیستم های دیگر از مبدل باک یا باک بوست استفاده می کنند اما با توجه به اینکه من یک توربین قدرت کم دارم ، فرض می کنم که ولتاژ باتری همیشه بیشتر از خروجی ژنراتور است. برای تنظیم جریان باید چرخه کار (تن / (تن+Toff)) مبدل تقویت کننده را تغییر دهیم.

قسمت های سمت راست شماتیک یک تقویت کننده (AD8603) با ورودی تفاوت را برای اندازه گیری کشش در R2 نشان می دهد. از نتیجه برای استنباط بار فعلی استفاده می شود.

خازن های بزرگی که در تصویر اول مشاهده می کنیم یک آزمایش است: مدارم را در دو برابر کننده ولتاژ دلون چرخاندم. نتیجه گیری خوب است بنابراین اگر ولتاژ بیشتری مورد نیاز است ، فقط خازن ها را برای ایجاد تغییر اضافه کنید.

مرحله 3: ابزار و مواد

ابزارها

• برنامه نویس آردوینو یا AVR
• مولتی متر
• دستگاه فرز یا حکاکی شیمیایی (برای نمونه سازی PCB توسط خودتان)
• لحیم کاری ، شار ، سیم لحیم کاری
• موچین

مواد

• ورق مسی تک طرفه باکلیت (حداقل 60*35 میلی متر)
• میکروکنترلر Attiny45
• تقویت کننده عملیاتی AD8605
• سلف 100uF
• 1 دیود Schottky CBM1100
• 8 دیود Schottky BAT46
• ترانزیستورها و خازنها (اندازه 0603) (نک: BillOfMaterial.txt)

مرحله 4: ساخت PCB

من روش خود را برای نمونه سازی به شما نشان می دهم ، البته اگر نمی توانید PCB را در خانه بسازید ، می توانید آن را به کارخانه مورد علاقه خود سفارش دهید.

من از ProxxonMF70 تبدیل شده به CNC و آسیاب انتهایی مثلثی استفاده کردم. برای ایجاد G-Code من از افزونه ایگل استفاده می کنم.

سپس اجزاء را با کوچکتر لحیم می کنید.

می توانید مشاهده کنید که برخی از اتصالات از بین رفته است ، این جایی است که من با دست پرش می کنم. من پاهای مقاومت منحنی را لحیم کردم (نک. تصویر).

مرحله 5: برنامه نویسی میکروکنترلر

من از یک آردوینو (Adafruit pro-trinket و کابل USB FTDI) برای برنامه ریزی میکروکنترلر Attiny45 استفاده می کنم. فایل ها را به رایانه خود بارگیری کنید ، پین های کنترل کننده را وصل کنید:

1. به پین 11 آردوینو
2. به پین 12 آردوینو
3. به آردوینو پین 13 (به کنترل کننده Vin (سنسور ولتاژ) هنگام برنامه نویسی)
4. به آردوینو پین 10
5. به پین آردوینو 5 ولت
6. به آردوینو پین G

سپس کد را روی کنترلر بارگذاری کنید.

مرحله 6: راه اندازی تست

من این تنظیمات (نک: تصویر) را برای آزمایش کنترلر انجام دادم. اکنون می توانم سرعت را انتخاب کنم و ببینم کنترلر چگونه واکنش نشان می دهد. همچنین می توانم تخمین بزنم که چقدر قدرت با ضرب U و در صفحه منبع تغذیه نشان داده می شود. اگرچه موتور دقیقاً مانند توربین بادی رفتار نمی کند ، اما من معتقدم که این تقریب چندان بد نیست. در واقع ، به عنوان توربین بادی ، هنگامی که موتور را می شکنید ، سرعت آن کند می شود و هنگامی که اجازه می دهید آزادانه بچرخد ، به حداکثر سرعت می رسد. (منحنی سرعت گشتاور یک خط تنگ برای موتور DC و نوعی parabola برای توربین های بادی است)

من یک گیربکس کاهشی (16: 1) را محاسبه کردم تا موتور DC کوچک در کارآمدترین سرعت خود بچرخد و موتور پله ای با سرعت متوسط (200 دور در دقیقه) برای توربین بادی با سرعت باد کم (3 متر بر ثانیه) بچرخد.)

مرحله 7: نتایج

برای این آزمایش (نمودار اول) ، از LED قدرت به عنوان بار استفاده کردم. ولتاژ جلو 2.6 ولت دارد. با تثبیت کشش در حدود 2.6 ، من فقط جریان را اندازه گیری کردم.

1) منبع تغذیه در 5.6 ولت (خط آبی روی نمودار 1)

• حداقل سرعت ژنراتور 132 دور در دقیقه
• حداکثر سرعت ژنراتور 172 دور در دقیقه
• حداکثر قدرت ژنراتور 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) منبع تغذیه در 4 ولت (خط قرمز روی نمودار 1)

• حداقل سرعت ژنراتور 91 دور در دقیقه
• حداکثر سرعت ژنراتور 102 دور در دقیقه
• حداکثر قدرت ژنراتور 23mW (9 mA x 2.6V)

در آخرین آزمایش (نمودار دوم) ، قدرت مستقیماً توسط کنترل کننده محاسبه می شود. در این حالت از باتری 3.7 ولت li-po به عنوان بار استفاده شده است.

حداکثر قدرت ژنراتور 44 مگاوات

مرحله هشتم: بحث

نمودار اول ایده ای از قدرت مورد انتظار ما از این راه اندازی ارائه می دهد.

نمودار دوم نشان می دهد که حداکثرهای محلی وجود دارد. این برای رگولاتور مشکلی ایجاد می کند زیرا در حداکثر این افراد محلی گیر می کند. غیر خطی بودن به دلیل انتقال بین ادامه و قطع هدایت سلف است. نکته خوب این است که این اتفاق همیشه برای یک چرخه کاری مشابه رخ می دهد (بستگی به سرعت ژنراتور ندارد). برای جلوگیری از گیر افتادن کنترل کننده در حداکثر محلی ، من فقط محدوده چرخه کار را به [0.45 0.8] محدود می کنم.

نمودار دوم حداکثر 0.044 وات را نشان می دهد. از آنجا که بار یک باتری لیپو تک سلولی 3.7 ولت بود. این بدان معنی است که جریان شارژ 12 میلی آمپر است. (I = P/U). با این سرعت می توانم 500 میلی آمپر ساعت را در 42 ساعت شارژ کنم یا از آن برای اجرای یک میکرو کنترلر تعبیه شده استفاده کنم (برای مثال کنترل Attiny for MPPT controller). امیدوارم باد شدیدتر بوزد.

همچنین در اینجا برخی از مشکلاتی که با این تنظیمات متوجه شدم:

• باتری بیش از حد ولتاژ کنترل نمی شود (یک مدار حفاظتی در باتری وجود دارد)
• موتور پله ای دارای خروجی پر سر و صدا است ، بنابراین من نیاز به اندازه گیری متوسط در یک دوره طولانی 0.6 ثانیه دارم.

سرانجام تصمیم گرفتم آزمایش دیگری با BLDC انجام دهم. از آنجا که BLDC ها توپولوژی دیگری دارند ، مجبور شدم یک برد جدید طراحی کنم. نتایج بدست آمده در نمودار اول برای مقایسه دو ژنراتور مورد استفاده قرار می گیرد ، اما من به زودی همه چیز را در دستورالعمل های دیگر توضیح خواهم داد.