גשש כוח מרבי של פוינט פוינט לטורבינות רוח קטנות: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

יש הרבה טורבינת רוח DIY באינטרנט אבל מעטים מאוד מסבירים בבירור את התוצאה שהם משיגים מבחינת כוח או אנרגיה. כמו כן לעתים קרובות יש בלבול בין כוח, מתח וזרם. הרבה זמן אנשים אומרים: "מדדתי את המתח הזה על הגנרטור!" נֶחְמָד! אבל זה לא אומר שאתה יכול לצייר זרם ולהיות בעל כוח (כוח = מתח x זרם). יש גם הרבה בקרי MPPT תוצרת בית (Maximum Power Point Tracker) ביישום סולארי אך לא כל כך ליישום רוח. עשיתי את הפרויקט הזה כדי לתקן את המצב הזה.

תכננתי בקר טעינה נמוך (<1W) MPPT עבור סוללות ליתיום יון פולימר 3.7V (תא בודד). התחלתי במשהו קטן כי הייתי רוצה להשוות בין עיצוב טורבינות רוח מודפסות תלת מימד וגודל הטורבינות האלה לא אמור לייצר הרבה יותר מ 1W. המטרה הסופית היא לספק תחנה עצמאית או כל מערכת מחוץ לרשת.

כדי לבדוק את הבקר בניתי מערך עם מנוע DC קטן מצורף למנוע צעד (NEMA 17). מנוע הצעד משמש כגנרטור ומנוע DC מאפשר לי לדמות את הרוח הדוחפת את להבי הטורבינה. בשלב הבא אסביר את הבעיה ואסכם כמה מושגים חשובים, כך שאם אתה פשוט מעוניין בכך שתעשה את הלוח, קפוץ לשלב 3.

שלב 1: הבעיה

אנחנו רוצים לקחת את האנרגיה הקינטית מהרוח, להפוך אותה לחשמל ולאחסן את החשמל הזה בסוללה. הבעיה היא שהרוח משתנה ולכן גם כמות האנרגיה הזמינה משתנה. יתר על כן, המתח של הגנרטור תלוי במהירות שלו אך מתח הסוללה קבוע. כיצד נוכל לפתור זאת?

עלינו לווסת את זרם הגנרטור מכיוון שהזרם פרופורציונלי למומנט הבלימה. אכן ישנה הקבלה בין העולם המכני (כוח מכני = מומנט x מהירות) לבין עולם החשמל (חשמל = זרם x מתח) (ראו גרף). הפרטים אודות האלקטרוניקה יידונו בהמשך.

היכן מקסימום הכוח? למהירות רוח נתונה, אם נניח לטורבינה להסתובב בחופשיות (ללא מומנט בלימה), מהירותה תהיה מקסימלית (וגם המתח) אך אין לנו זרם ולכן הכוח הוא אפסי. בצד השני אם אנו ממקסמים את הזרם המשוך, סביר שנבלום יותר מדי את הטורבינה וכי לא תגיע המהירות האווירודינמית האופטימלית. בין שני הקצוות הללו יש נקודה שבה תוצר המומנט לפי המהירות הוא מרבי. זה מה שאנחנו מחפשים!

עכשיו יש גישות שונות: למשל אם אתה מכיר את כל המשוואות והפרמטרים המתארים את המערכת אתה כנראה יכול לחשב את מחזור הפעולה הטוב ביותר למהירות רוח מסוימת ומהירות טורבינה. או, אם אינך יודע דבר, תוכל לומר לבקר: שנה מעט את מחזור ההפעלה ואז חשב את ההספק. אם הוא גדול יותר זה אומר שהתקדמנו בכיוון הטוב אז המשך ללכת בכיוון הזה. אם הוא נמוך יותר פשוט הזז את מחזור העבודה בכיוון ההפוך.

שלב 2: הפתרון

ראשית עלינו לתקן את פלט הגנרטור באמצעות גשר דיודה ולאחר מכן לווסת את הזרם המוזרק בסוללה באמצעות ממיר דחיפה. מערכות אחרות משתמשות בממיר או בהמרת דחיפה, אך מכיוון שיש לי טורבינה בהספק נמוך אני מניח כי מתח הסוללה תמיד גדול יותר מפלט הגנרטור. כדי להסדיר את הזרם עלינו לשנות את מחזור ההפעלה (טון / (טון+טוף)) של ממיר ההגברה.

החלקים בצד ימין של התרשימים מציגים מגבר (AD8603) עם כניסת הפרש למדידת המתח ב- R2. התוצאה משמשת להסקת העומס הנוכחי.

הקבלים הגדולים שאנו רואים בתמונה הראשונה הם ניסוי: הפכתי את המעגל שלי בכפיל מתח Delon. המסקנות טובות, כך שאם יש צורך במתח נוסף, פשוט הוסף קבלים כדי לבצע את השינוי.

שלב 3: כלים וחומרים

כלים

• מתכנת Arduino או AVR
• מולטימטר
• מכונת כרסום או תחריט כימי (לאב טיפוס PCB בעצמכם)
• מלחם, שטף, חוט הלחמה
• מַלְקֶטֶת

חוֹמֶר

• צלחת נחושת צדדית אחת בבקלייט (מינימום 60*35 מ"מ)
• מיקרו -בקר Attiny45
• מגבר תפעולי AD8605
• משרן 100uF
• 1 דיודת שוטקי CBM1100
• 8 דיודת שוטקי BAT46
• טרנזיסטורים וקבלים (גודל 0603) (ראה BillOfMaterial.txt)

שלב 4: הכנת ה- PCB

אני מראה לך את השיטה שלי לאב טיפוס אבל כמובן שאם אתה לא יכול להכין PCB בבית אתה יכול להזמין אותה למפעל האהוב עליך.

השתמשתי ב- ProxxonMF70 שהוסב ל- CNC וטחנת קצה משולשת. כדי ליצור את קוד ה- G אני משתמש בתוסף עבור Eagle.

לאחר מכן הרכיבים מולחמים החל מהקטן יותר.

אתה יכול לראות שחלק מהקשרים חסרים, כאן אני עושה קפיצות ביד. הלחמתי רגלי הנגד המעוקלות (ראה תמונה).

שלב 5: תכנות מיקרו -בקר

אני משתמש Arduino (Adafruit pro-trinket וכבל USB FTDI) כדי לתכנת את בקר מיקרו Attiny45. הורד את הקבצים למחשב שלך, חבר את סיכות הבקר:

1. לסיכה ארדואינו 11
2. לסיכה ארדואינו 12
3. לפין arduino 13 (לבקר Vin (חיישן מתח) כאשר אינו מתכנת)
4. לסיכה ארדואינו 10
5. לסיכה ארדואינו 5V
6. לסיכת ארדואינו G

לאחר מכן טען את הקוד על הבקר.

שלב 6: התקנת הבדיקה

ערכתי את ההתקנה הזו (ראו תמונה) כדי לבדוק את הבקר שלי. כעת אני יכול לבחור מהירות ולראות כיצד הבקר מגיב. כמו כן אני יכול להעריך כמה הספק מועבר על ידי הכפלת U והראתי במסך אספקת החשמל. למרות שהמנוע לא מתנהג בדיוק כמו טורבינת רוח אני סבור שהקירוב הזה לא כל כך גרוע. ואכן, כמו טורבינת הרוח, כאשר אתה שובר את המנוע, הוא מאט וכאשר אתה נותן לו להסתובב בחופשיות, הוא מגיע למהירות מרבית. (עקומת מהירות המומנט היא קו מיצר למנוע DC ומעין פרבולה לטורבינות רוח)

חישבתי תיבת הילוכים הפחתה (16: 1) על מנת שמנוע DC קטן יסתובב במהירות היעילה ביותר שלו ומנוע צעד יסתובב במהירות ממוצעת (200 סל ד) לטורבינת רוח עם מהירות רוח נמוכה (3 מ '/ש')

שלב 7: תוצאות

לניסוי זה (גרף ראשון), השתמשתי בנורית חשמל כעומס. יש לו מתח קדימה של 2.6 וולט. כשהמתח מתייצב סביב 2.6, מדדתי רק את הזרם.

1) אספקת חשמל ב -5.6 וולט (קו כחול בתרשים 1)

• מהירות מינימום גנרטור 132 סל"ד
• מהירות מקסימלית של גנרטור 172 סל"ד
• הספק מרבי של מחולל 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) אספקת חשמל ב -4 וולט (קו אדום בתרשים 1)

• מהירות מינימום גנרטור 91 סל"ד
• מהירות מקסימלית של גנרטור 102 סל"ד
• הספק מרבי של גנרטור 23mW (9 mA x 2.6V)

בניסוי האחרון (הגרף השני), הכוח מחושב ישירות על ידי הבקר. במקרה זה שימשה סוללת 3.7 V לי-פו כעומס.

הספק מרבי של גנרטור 44mW

שלב 8: דיון

הגרף הראשון נותן מושג לגבי העוצמה שאנו יכולים לצפות מהתקנה זו.

הגרף השני מראה שיש כמה מקסימום מקומיים. זוהי בעיה עבור הרגולטור מכיוון שהוא נתקע במקסימום המקומיים האלה. האי ליניאריות נובעת מהמעבר בין המשך להפסקת הולכת המשרן. הדבר הטוב הוא שזה קורה תמיד לאותו מחזור עבודה (לא תלוי במהירות הגנרטור). כדי למנוע שהבקר תקוע במקסימום מקומי, אני פשוט מגביל את טווח מחזור העבודה ל [0.45 0.8].

הגרף השני מציג מקסימום 0.044 וואט. מכיוון שהעומס היה סוללת לי-פו של תא אחד של 3.7 וולט. המשמעות היא שזרם הטעינה הוא 12 mA. (אני = P/U). במהירות זו אני יכול לטעון 500mAh תוך 42 שעות או להשתמש בה להפעלה של בקר מיקרו מוטבע (למשל ה- Attiny לבקר MPPT). נקווה שהרוח תנשב חזק יותר.

להלן כמה בעיות שהבחנתי בהגדרה זו:

• הסוללה על מתח אינה נשלטת (יש מעגל הגנה בסוללה)
• מנוע הצעדים בעל תפוקה רועשת ולכן אני צריך למדוד את המדידה לאורך תקופה ארוכה של 0.6 שניות.

לבסוף החלטתי לערוך ניסוי נוסף עם BLDC. מכיוון של- BLDCs יש טופולוגיה נוספת שהייתי צריך לעצב לוח חדש. התוצאות המתקבלות בגרף הראשון ישמשו להשוואת שני הגנרטורים אך אסביר הכל בקרוב במדריכים נוספים.