Gjurmuesi i pikave maksimale të energjisë për turbinat e vogla me erë: 8 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:16

Ka shumë turbina me erë DIY në internet, por shumë pak shpjegojnë qartë rezultatin që ata marrin në lidhje me fuqinë ose energjinë. Gjithashtu shpesh ka një konfuzion midis fuqisë, tensionit dhe rrymës. Shumë kohë, njerëzit po thonë: "Unë e mata këtë tension në gjenerator!" Bukur! Por kjo nuk do të thotë që ju mund të vizatoni rrymë dhe të keni fuqi (Fuqia = tension x rrymë). Ekzistojnë gjithashtu shumë kontrollues MPPT (Gjurmuesi i fuqisë maksimale) të bëra në shtëpi për aplikim diellor, por jo aq shumë për aplikimin e erës. Unë e bëra këtë projekt për të korrigjuar këtë situatë.

Kam projektuar një kontrollues të ngarkesës MPPT me fuqi të ulët (<1W) për bateri litium polimer 3.7V (me një qelizë). Fillova me diçka të vogël sepse do të doja të krahasoja modelin e ndryshëm të turbinave me erë të printuar 3D dhe madhësia e këtyre turbinave nuk duhet të prodhojë më shumë se 1W. Qëllimi përfundimtar është furnizimi i një stacioni të vetëm ose ndonjë sistemi jashtë rrjetit.

Për të testuar kontrolluesin unë ndërtova një konfigurim me një motor të vogël DC të lidhur me një motor stepper (NEMA 17). Motori stepper përdoret si gjenerator dhe motori DC më lejon të simuloj erën që shtyn tehet e turbinës. Në hapin tjetër, unë do të shpjegoj problemin dhe do të përmbledh disa koncepte të rëndësishme, kështu që nëse thjesht jeni të interesuar duke bërë tabelën, hidheni në hapin 3.

Hapi 1: Problemi

Ne duam të marrim energjinë kinetike nga era, ta transformojmë atë në energji elektrike dhe ta ruajmë atë energji në një bateri. Problemi është se era luhatet kështu që sasia e disponueshme e energjisë luhatet gjithashtu. Për më tepër tensioni i gjeneratorit varet nga shpejtësia e tij por tensioni i baterisë është konstant. Si mund ta zgjidhim atë?

Ne duhet të rregullojmë rrymën e gjeneratorit sepse rryma është proporcionale me çift rrotullues të frenimit. Në të vërtetë ekziston një paralele midis botës mekanike (Fuqia mekanike = Çift rrotullues x Shpejtësi) dhe botës elektrike (Fuqia elektrike = Rryma x Tension) (krh. Grafik). Detajet në lidhje me pajisjet elektronike do të diskutohen më vonë.

Ku është maksimumi i fuqisë? Për një shpejtësi të caktuar të erës, nëse e lëmë turbinën të rrotullohet lirshëm (pa çift rrotullues të frenimit), shpejtësia e saj do të jetë maksimale (dhe tensioni gjithashtu), por ne nuk kemi rrymë, kështu që fuqia është zero. Nga ana tjetër nëse maksimizojmë rrymën e tërhequr, ka të ngjarë që ne të frenojmë shumë turbinën dhe se shpejtësia optimale aerodinamike nuk arrihet. Midis këtyre dy ekstremeve ekziston një pikë ku produkti i çift rrotullues sipas shpejtësisë është maksimal. Kjo është ajo që ne po kërkojmë!

Tani ka qasje të ndryshme: Për shembull, nëse i dini të gjitha ekuacionet dhe parametrat që përshkruajnë sistemin, ndoshta mund të llogaritni ciklin më të mirë të punës për një shpejtësi të caktuar të erës dhe shpejtësinë e turbinës. Ose, nëse nuk dini asgjë, mund t'i thoni kontrolluesit: Ndryshoni pak ciklin e punës, pastaj llogaritni fuqinë. Nëse është më e madhe do të thotë që ne kemi lëvizur në drejtimin e mirë, kështu që vazhdoni të ecni në atë drejtim. Nëse është më e ulët, thjesht lëvizni ciklin e punës në drejtim të kundërt.

Hapi 2: Zgjidhja

Së pari ne duhet të korrigjojmë daljen e gjeneratorit me një urë diodë dhe pastaj të rregullojmë rrymën e injektuar në bateri me një konvertues nxitës. Sistemet e tjera përdorin një konvertues të rritjes së aksioneve, por meqë kam një turbinë me fuqi të ulët, supozoj se tensioni i baterisë është gjithmonë më i madh se prodhimi i gjeneratorit. Për të rregulluar rrymën duhet të ndryshojmë ciklin e punës (Ton / (Ton+Toff)) të konvertuesit të nxitjes.

Pjesët në anën e djathtë të skemave tregojnë një përforcues (AD8603) me një ndryshim në hyrje për të matur tensionin në R2. Rezultati përdoret për të nxjerrë përfundimin e ngarkesës aktuale.

Kondensatorët e mëdhenj që shohim në imazhin e parë është një eksperiment: Unë e ktheva qarkun tim në një dyfishues të Tensionit Delon. Përfundimet janë të mira, kështu që nëse nevojitet më shumë tension, thjesht shtoni kondensatorë për të bërë transformimin.

Hapi 3: Mjetet dhe Materiali

Mjetet

• Programues Arduino ose AVR
• Multimetër
• Makinë bluarëse ose gdhendje kimike (për prototipimin e PCB vetë)
• Hekuri i saldimit, fluksi, tela bashkimi
• Piskatore

Materiale

• Pllakë bakeli e njëfishtë bakelite (minimumi 60*35 mm)
• Mikrokontrolluesi Attiny45
• Përforcuesi operacional AD8605
• Induktori 100uF
• 1 diodë Schottky CBM1100
• 8 diodë Schottky BAT46
• Transistorë dhe Kondensatorë (madhësia 0603) (krh. BillOfMaterial.txt)

Hapi 4: Bërja e PCB

Unë ju tregoj metodën time për prototipimin, por natyrisht nëse nuk mund të bëni PCB në shtëpi, mund ta porosisni në fabrikën tuaj të preferuar.

Kam përdorur një ProxxonMF70 të konvertuar në CNC dhe një mulli fundor trekëndësh. Për të gjeneruar G-Code unë përdor një shtojcë për Eagle.

Pastaj përbërësit bashkohen duke filluar me më të vegjlit.

Ju mund të vëzhgoni se disa lidhje mungojnë, këtu unë bëj kërcime me dorë. Unë bashkoj këmbët e rezistencës së lakuar (krh. Imazhin).

Hapi 5: Programimi i Mikrokontrolluesit

Unë përdor një Arduino (Adafruit pro-xhingël dhe kabllo USB FTDI) për të programuar mikrokontrolluesin Attiny45. Shkarkoni skedarët në kompjuterin tuaj, lidhni kunjat e kontrolluesit:

1. te arduino pin 11
2. te arduino pin 12
3. te arduino pin 13 (te kontrolluesi Vin (sensori i tensionit) kur nuk programon)
4. te arduino pin 10
5. te arduino pin 5V
6. te arduino pin G

Pastaj ngarkoni kodin në kontrollues.

Hapi 6: Konfigurimi i Testimit

Unë e bëra këtë konfigurim (krh. Foto) për të testuar kontrolluesin tim. Tani jam në gjendje të zgjedh një shpejtësi dhe të shoh se si reagon kontrolluesi. Gjithashtu mund të vlerësoj se sa energji jepet duke shumëzuar U dhe tregova në ekranin e furnizimit me energji. Edhe pse motori nuk sillet saktësisht si një turbinë me erë, unë konsideroj se ky përafrim nuk është aq i keq. Në të vërtetë, si turbinë me erë, kur e prish motorin, ai ngadalësohet dhe kur e lini të kthehet lirshëm, arrin një shpejtësi maksimale. (kurba e shpejtësisë së çift rrotullimit është një vijë e ngushtë për një motor DC dhe një lloj parabolë për turbinat me erë)

Kam llogaritur një kuti ingranazhi zvogëlimi (16: 1) në mënyrë që motori i vogël DC të rrotullohet me shpejtësinë e tij më efikase dhe motori stepper të rrotullohet me një shpejtësi mesatare (200 rpm) për një turbinë me erë me shpejtësi të ulët të erës (3 m/s)

Hapi 7: Rezultatet

Për këtë eksperiment (grafiku i parë), kam përdorur një LED të energjisë si ngarkesë. Ka një tension përpara prej 2.6 volt. Ndërsa tensioni është stabilizuar rreth 2.6, unë mata vetëm rrymën.

1) Furnizimi me energji elektrike në 5.6 V (vija blu në grafikun 1)

• gjeneratori min shpejtësia 132 rpm
• shpejtësia maksimale e gjeneratorit 172 rpm
• Fuqia maksimale e gjeneratorit 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) Furnizimi me energji elektrike në 4 V (vija e kuqe në grafikun 1)

• gjeneratori min shpejtësia 91 rpm
• shpejtësia maksimale e gjeneratorit 102 rpm
• Fuqia maksimale e gjeneratorit 23mW (9 mA x 2.6V)

Në eksperimentin e fundit (grafiku i dytë), fuqia llogaritet drejtpërdrejt nga kontrolluesi. Në këtë rast, një bateri 3.7 V li-po është përdorur si ngarkesë.

Fuqia maksimale e gjeneratorit 44mW

Hapi 8: Diskutim

Grafiku i parë jep një ide të fuqisë që mund të presim nga ky konfigurim.

Grafiku i dytë tregon se ka disa maksimume lokale. Ky është një problem për rregullatorin sepse ai ngec në këto maksimum vendas. Jo lineariteti është për shkak të kalimit midis vazhdimit dhe ndërprerjes së përcjelljes së induktorit. Gjëja e mirë është se ndodh gjithmonë për të njëjtin cikël detyre (nuk varet nga shpejtësia e gjeneratorit). Për të shmangur kontrolluesin të ngecur në një maksimum lokal, unë thjesht kufizoj gamën e ciklit të punës në [0.45 0.8].

Grafiku i dytë tregon një maksimum prej 0.044 vat. Meqenëse ngarkesa ishte një bateri li-po me një qelizë prej 3.7 volt. Kjo do të thotë që rryma e karikimit është 12 mA. (I = P/U). Me këtë shpejtësi mund të karikoj një 500mAh në 42 orë ose ta përdor për të drejtuar një mikrokontrollues të integruar (për shembull Attiny për kontrolluesin MPPT). Shpresojmë që era të fryjë më fort.

Gjithashtu këtu janë disa probleme që vura re me këtë konfigurim:

• Bateria mbi tensionin nuk kontrollohet (ka një qark mbrojtjeje në bateri)
• Motori stepper ka një dalje të zhurmshme, kështu që më duhet të mesatarizoj matjen për një periudhë të gjatë 0.6 sekonda.

Më në fund vendosa të bëja një eksperiment tjetër me një BLDC. Për shkak se BLDC -të kanë një topologji tjetër, më duhej të hartoja një bord të ri. Rezultatet e marra në grafikun e parë do të përdoren për të krahasuar dy gjeneratorët, por unë do të shpjegoj gjithçka së shpejti në një udhëzues tjetër.