Küçük Rüzgar Türbinleri için Maksimum Güç Noktası İzleyici: 8 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

İnternette çok sayıda DIY rüzgar türbini var, ancak çok azı elde ettikleri sonucu güç veya enerji açısından net bir şekilde açıklıyor. Ayrıca genellikle güç, gerilim ve akım arasında bir karışıklık vardır. Çoğu zaman insanlar şöyle diyor: "Bu gerilimi jeneratörde ölçtüm!" Güzel! Ama bu akım çekebileceğiniz ve güce sahip olabileceğiniz anlamına gelmez (Güç = gerilim x akım). Ayrıca güneş enerjisi uygulaması için çok sayıda ev yapımı MPPT (Maksimum Güç Noktası İzleyici) denetleyicisi vardır, ancak rüzgar uygulaması için çok fazla değildir. Bu durumu düzeltmek için bu projeyi yaptım.

3.7V (tek hücreli) Lityum İyon Polimer piller için düşük güçlü (< 1W) MPPT şarj kontrolörü tasarladım. Küçük bir şeyle başladım çünkü farklı 3D baskılı rüzgar türbini tasarımlarını karşılaştırmak istiyorum ve bu türbinlerin boyutları 1W'tan fazla üretmemeli. Nihai hedef, bağımsız bir istasyon veya herhangi bir şebeke dışı sistem sağlamaktır.

Denetleyiciyi test etmek için bir step motora (NEMA 17) bağlı küçük bir DC motorla bir kurulum yaptım. Step motor bir jeneratör olarak kullanılır ve DC motor, türbin kanatlarını iten rüzgarı simüle etmemi sağlar. Bir sonraki adımda sorunu açıklayacağım ve bazı önemli kavramları özetleyeceğim, böylece sadece tahta yapmakla ilgileniyorsanız 3. adıma atlayın.

Adım 1: Sorun

Rüzgardan kinetik enerjiyi alıp elektriğe dönüştürmek ve bu elektriği bir bataryada depolamak istiyoruz. Sorun şu ki, rüzgar dalgalanıyor, dolayısıyla mevcut enerji miktarı da dalgalanıyor. Ayrıca jeneratörün gerilimi hızına bağlıdır ancak akü gerilimi sabittir. Bunu nasıl çözebiliriz?

Akım, frenleme torkuyla orantılı olduğu için jeneratör akımını düzenlememiz gerekiyor. Gerçekten de mekanik dünya (Mekanik güç = Tork x Hız) ile elektrik dünyası (Elektrik gücü = Akım x Gerilim) arasında bir paralellik vardır (bkz. grafik). Elektronikle ilgili ayrıntılar daha sonra tartışılacaktır.

Maksimum güç nerede? Belirli bir rüzgar hızı için, türbinin serbestçe dönmesine izin verirsek (frenleme torku yok), hızı maksimum olacaktır (ve voltaj da) ancak akımımız olmadığı için güç sıfırdır. Öte yandan, çekilen akımı maksimize edersek, türbini çok fazla frenlememiz ve optimum aerodinamik hıza ulaşılmaması muhtemeldir. Bu iki uç nokta arasında, torkun hız ile çarpımının maksimum olduğu bir nokta vardır. Aradığımız şey bu!

Şimdi farklı yaklaşımlar var: Örneğin, sistemi tanımlayan tüm denklemleri ve parametreleri biliyorsanız, muhtemelen belirli bir rüzgar hızı ve türbin hızı için en iyi görev döngüsünü hesaplayabilirsiniz. Veya hiçbir şey bilmiyorsanız, kontrolöre şunu söyleyebilirsiniz: Görev döngüsünü biraz değiştirin ve ardından gücü hesaplayın. Daha büyükse, iyi yönde hareket ettiğimiz anlamına gelir, bu yüzden o yönde devam edin. Daha düşükse, görev döngüsünü ters yönde hareket ettirin.

2. Adım: Çözüm

İlk önce bir diyot köprüsü ile jeneratör çıkışını düzeltmemiz ve ardından bir boost dönüştürücü ile aküye enjekte edilen akımı düzenlememiz gerekiyor. Diğer sistemler bir kova veya bir güçlendirici dönüştürücü kullanır, ancak düşük güçlü bir türbinim olduğu için akü voltajının her zaman jeneratör çıkışından daha büyük olduğunu varsayıyorum. Akımı düzenlemek için boost dönüştürücünün görev döngüsünü (Ton / (Ton+Toff)) değiştirmemiz gerekiyor.

Şematiklerin sağ tarafındaki parçalar, R2 üzerindeki gerilimi ölçmek için bir fark girişi olan bir yükselticiyi (AD8603) göstermektedir. Sonuç, mevcut yükü çıkarmak için kullanılır.

İlk resimde gördüğümüz büyük kapasitörler bir deneydir: Devremi bir Delon Voltaj katlayıcıda çevirdim. Sonuçlar iyidir, bu nedenle daha fazla voltaj gerekiyorsa, dönüşümü yapmak için kapasitörler eklemeniz yeterlidir.

Adım 3: Araçlar ve Malzeme

Aletler

• Arduino veya AVR programcısı
• multimetre
• Freze makinesi veya kimyasal aşındırma (kendi başınıza PCB prototipleme için)
• Havya, akı, havya teli
• Cımbız

Malzeme

• Bakalit tek tarafı bakır levha (minimum 60*35 mm)
• Mikrodenetleyici Attiny45
• İşlemsel yükselteç AD8605
• indüktör 100uF
• 1 Schottky diyot CBM1100
• 8 Schottky diyot BAT46
• Transistörler ve Kapasitörler (boyut 0603) (bkz. BillOfMaterial.txt)

Adım 4: PCB'yi Yapmak

Size prototipleme yöntemimi gösteriyorum ama elbette evde PCB yapamıyorsanız, en sevdiğiniz fabrikaya sipariş verebilirsiniz.

CNC'ye dönüştürülmüş bir ProxxonMF70 ve üçgen parmak freze kullandım. G Kodunu oluşturmak için Eagle için bir eklenti kullanıyorum.

Daha sonra bileşenler daha küçükten başlayarak lehimlenir.

Bazı bağlantıların eksik olduğunu gözlemleyebilirsiniz, burada elle atlayışlar yapıyorum. Kavisli direnç bacaklarını lehimliyorum (bkz. resim).

Adım 5: Mikrodenetleyici Programlama

Attiny45 mikro denetleyiciyi programlamak için bir Arduino (Adafruit pro-biblo ve FTDI USB kablosu) kullanıyorum. Dosyaları bilgisayarınıza indirin, denetleyici pinlerini bağlayın:

1. arduino pin 11'e
2. arduino pin 12'ye
3. arduino pin 13'e (programlama yapılmadığında Vin denetleyicisine (voltaj sensörü))
4. arduino pin 10'a
5. arduino pin 5V için
6. arduino pin G'ye

Ardından kodu denetleyiciye yükleyin.

Adım 6: Test Kurulumu

Bu kurulumu (bkz. resim) denetleyicimi test etmek için yaptım. Artık bir hız seçebiliyor ve kontrolörün nasıl tepki verdiğini görebiliyorum. Ayrıca güç kaynağı ekranında gösterdiğim U ile çarparak ne kadar güç verildiğini tahmin edebiliyorum. Motor tam olarak bir rüzgar türbini gibi davranmasa da, bu yaklaşımın o kadar da kötü olmadığını düşünüyorum. Nitekim rüzgar türbini olarak, motoru kırdığınızda yavaşlar ve serbestçe dönmesine izin verdiğinizde maksimum hıza ulaşır. (tork-hız eğrisi, bir DC motor için düz bir çizgi ve rüzgar türbinleri için bir tür paraboldür)

Düşük rüzgar hızı (3 m/s) olan bir rüzgar türbini için küçük DC motorun en verimli hızında dönmesi ve step motorun ortalama hızda (200 rpm) dönmesi için bir redüksiyon dişli kutusu (16:1) hesapladım.)

7. Adım: Sonuçlar

Bu deney için (ilk grafik), yük olarak bir güç LED'i kullandım. 2,6 volt ileri gerilime sahiptir. Gerilim 2.6 civarında sabitlendiği için sadece akımı ölçtüm.

1) 5,6 V'ta güç kaynağı (grafik 1'deki mavi çizgi)

• jeneratör min hızı 132 rpm
• jeneratör maksimum hız 172 rpm
• jeneratör maksimum güç 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) 4 V'ta güç kaynağı (grafik 1'deki kırmızı çizgi)

• jeneratör min hızı 91 rpm
• jeneratör maksimum hız 102 rpm
• jeneratör maksimum gücü 23mW (9 mA x 2,6V)

Son deneyde (ikinci grafik), güç doğrudan kontrolör tarafından hesaplanır. Bu durumda yük olarak 3,7 V'luk bir li-po pil kullanılmıştır.

jeneratör maksimum güç 44mW

8. Adım: Tartışma

İlk grafik, bu kurulumdan bekleyebileceğimiz güç hakkında bir fikir veriyor.

İkinci grafik, bazı yerel maksimumların olduğunu göstermektedir. Bu, düzenleyici için bir sorundur çünkü bu yerel maksimumlara takılıp kalır. Doğrusal olmama, devam eden ve devam etmeyen indüktör iletimi arasındaki geçişten kaynaklanmaktadır. İşin iyi yanı, bunun her zaman aynı görev döngüsü için gerçekleşmesidir (jeneratör hızına bağlı değildir). Denetleyicinin yerel bir maksimumda sıkışmasını önlemek için, görev döngüsü aralığını [0.45 0.8] ile sınırlandırıyorum.

İkinci grafik maksimum 0.044 watt gösterir. Yük, 3,7 voltluk tek hücreli bir li-po pil olduğundan. Bu, şarj akımının 12 mA olduğu anlamına gelir. (I=P/U). Bu hızda 500mAh'ı 42 saatte şarj edebilir veya gömülü bir mikro denetleyiciyi çalıştırmak için kullanabilirim (örneğin MPPT denetleyicisi için Attiny). İnşallah rüzgar daha güçlü esecek.

Ayrıca bu kurulumda fark ettiğim bazı sorunlar:

• Akü aşırı voltajı kontrol edilmiyor (aküde koruma devresi var)
• Step motorun gürültülü bir çıkışı var, bu yüzden ölçümün 0,6 saniyelik uzun bir süre boyunca ortalamasını almam gerekiyor.

Sonunda bir BLDC ile başka bir deney yapmaya karar verdim. BLDC'lerin başka bir topolojisi olduğu için yeni bir kart tasarlamam gerekiyordu. İlk grafikte elde edilen sonuçlar iki jeneratörü karşılaştırmak için kullanılacak, ancak her şeyi yakında başka bir talimatta açıklayacağım.