Seguiment de punts màxims de potència per a aerogeneradors petits: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Hi ha molts aerogeneradors de bricolatge a Internet, però molt pocs expliquen clarament el resultat que obtenen en termes de potència o energia. També hi ha sovint una confusió entre el poder, la tensió i el corrent. La gent diu molt de temps: "He mesurat aquesta tensió al generador!" Bonic! Però no vol dir que pugueu treure corrent i tenir energia (Potència = tensió x corrent). També hi ha molts controladors casolans MPPT (Maximum Power Point Tracker) per a aplicacions solars, però no tant per a aplicacions eòliques. Vaig fer aquest projecte per posar remei a aquesta situació.

Vaig dissenyar un controlador de càrrega MPPT de poca potència (<1W) per a bateries de polímer de ions de liti de 3,7 V (una sola cel·la). Vaig començar amb alguna cosa petita perquè m'agradaria comparar diferents dissenys de turbines eòliques impreses en 3D i la mida d'aquestes turbines no hauria de produir gaire més d'1W. L’objectiu final és subministrar una estació autònoma o qualsevol sistema fora de xarxa.

Per provar el controlador, vaig crear una configuració amb un petit motor de CC acoblat a un motor pas a pas (NEMA 17). El motor pas a pas s’utilitza com a generador i el motor de CC em permet simular el vent empenyent les pales de la turbina. En el següent pas explicaré el problema i resumiré alguns conceptes importants, de manera que si només us interessa fer el tauler, aneu al pas 3.

Pas 1: el problema

Volem prendre l’energia cinètica del vent, transformar-la en electricitat i emmagatzemar-la en una bateria. El problema és que el vent fluctua, de manera que també fluctua la quantitat d’energia disponible. A més, la tensió del generador depèn de la seva velocitat, però la tensió de la bateria és constant. Com ho podem solucionar?

Hem de regular el corrent del generador perquè el corrent és proporcional al parell de frenada. De fet, hi ha un paral·lelisme entre el món mecànic (potència mecànica = parell x velocitat) i el món elèctric (potència elèctrica = corrent x tensió) (cf. gràfic). Els detalls sobre l’electrònica es tractaran més endavant.

On és el màxim de potència? Per a una velocitat del vent determinada, si deixem girar la turbina lliurement (sense parell de frenada), la seva velocitat serà màxima (i la tensió també), però no tenim corrent, de manera que la potència és nul·la. A l’altra banda, si maximitzem el corrent de corrent, és probable que frenem massa la turbina i no s’assoleixi la velocitat aerodinàmica òptima. Entre aquests dos extrems hi ha un punt en què el producte del parell per la velocitat és màxim. Això és el que busquem!

Ara hi ha diferents enfocaments: per exemple, si coneixeu totes les equacions i paràmetres que descriuen el sistema, probablement pugueu calcular el millor cicle de treball per a una determinada velocitat del vent i la velocitat de la turbina. O, si no sabeu res, podeu dir al controlador: canvieu una mica el cicle de treball i calculeu la potència. Si és més gran vol dir que ens hem mogut en la bona direcció, així que seguiu en aquesta direcció. Si és inferior, moveu el cicle de treball en la direcció oposada.

Pas 2: la solució

Primer hem de rectificar la sortida del generador amb un pont de díodes i després regular el corrent injectat a la bateria amb un convertidor d’augment. Altres sistemes utilitzen un convertidor Buck o Buck boost, però com que tinc una turbina de baixa potència suposo que el voltatge de la bateria és sempre més gran que la sortida del generador. Per regular el corrent hem de canviar el cicle de treball (Ton / (Ton + Toff)) del convertidor boost.

Les parts de la part dreta dels esquemes mostren un amplificador (AD8603) amb una entrada de diferència per mesurar la tensió a R2. El resultat s’utilitza per deduir la càrrega actual.

Els grans condensadors que veiem a la primera imatge són un experiment: vaig girar el circuit amb un duplicador de tensió Delon. Les conclusions són bones, per tant, si cal més voltatge, només cal afegir condensadors per fer la transformació.

Pas 3: eines i material

Eines

• Programador Arduino o AVR
• Multímetre
• Fresadora o gravat químic (per prototipatge de PCB per vosaltres mateixos)
• Soldador, flux, filferro de soldadura
• Pinces

Material

• Placa de coure d'una sola banda de baquelita (mínim 60 * 35 mm)
• Microcontrolador Attiny45
• Amplificador operacional AD8605
• Inductor 100uF
• 1 díode Schottky CBM1100
• 8 díode Schottky BAT46
• Transistors i condensadors (mida 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Pas 4: fabricació del PCB

Us mostro el meu mètode per fer prototips, però és clar que si no podeu fabricar PCB a casa, podeu demanar-lo a la vostra fàbrica preferida.

He utilitzat un ProxxonMF70 convertit en CNC i un molí d’extrem triangular. Per generar el G-Code faig servir un complement per a Eagle.

A continuació, els components es solden començant pel més petit.

Podeu observar que falten algunes connexions, aquí és on faig salts a mà. He soldat potes de resistència corbes (cf. imatge).

Pas 5: Programació de microcontroladors

Utilitzo un Arduino (Adafruit pro-trinket i cable USB FTDI) per programar el microcontrolador Attiny45. Baixeu els fitxers a l'ordinador, connecteu els pins del controlador:

1. al pin 11 d'arduino
2. al pin 12 d'Arduino
3. al pin 13 d'arduino (al controlador Vin (sensor de tensió) quan no es programa)
4. al pin 10 d'arduino
5. al pin arduino 5V
6. al pin G arduino

A continuació, carregueu el codi al controlador.

Pas 6: Configuració de les proves

He fet aquesta configuració (vegeu la imatge) per provar el controlador. Ara puc seleccionar una velocitat i veure com reacciona el controlador. També puc estimar quanta energia es subministra multiplicant U i que vaig mostrar a la pantalla de la font d'alimentació. Tot i que el motor no es comporta exactament com un aerogenerador, considero que aquesta aproximació no és tan dolenta. De fet, a mesura que l’aerogenerador, quan trenqueu el motor, s’alenteix i, quan el deixeu girar lliurement, aconsegueix una velocitat màxima. (la corba parell-velocitat és una línia estret per a un motor de corrent continu i una mena de paràbola per a aerogeneradors)

He calculat una caixa de canvis de reducció (16: 1) per tal de fer girar el petit motor de corrent continu a la seva velocitat més eficient i el motor pas a pas a una velocitat mitjana (200 rpm) per a un aerogenerador de baixa velocitat (3 m / s))

Pas 7: Resultats

Per a aquest experiment (primer gràfic), he utilitzat un LED d'alimentació com a càrrega. Té una tensió directa de 2,6 volts. Com que la tensió s'estabilitza al voltant de 2,6, només he mesurat el corrent.

1) Font d'alimentació a 5,6 V (línia blava al gràfic 1)

• velocitat mínima del generador 132 rpm
• velocitat màxima del generador 172 rpm
• potència màxima del generador 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Font d'alimentació a 4 V (línia vermella al gràfic 1)

• velocitat mínima del generador 91 rpm
• velocitat màxima del generador 102 rpm
• Potència màxima del generador: 23 mW (9 mA x 2,6 V)

En l'últim experiment (segon gràfic), la potència la calcula directament el controlador. En aquest cas s’ha utilitzat una bateria li-po de 3,7 V com a càrrega.

generador de potència màxima 44mW

Pas 8: debat

El primer gràfic dóna una idea de la potència que podem esperar d’aquesta configuració.

El segon gràfic mostra que hi ha alguns màxims locals. Aquest és un problema per al regulador perquè s’enganxa en els màxims locals. La no linealitat es deu a la transició entre la conducció d’inductor continuada i discontínua. El millor és que sempre passa pel mateix cicle de treball (no depèn de la velocitat del generador). Per evitar que el controlador quedi atrapat en un màxim local, simplement restringeixo l'interval de cicle de treball a [0,45 0,8].

El segon gràfic mostra un màxim de 0,044 watts. Com que la càrrega era d’una bateria li-po d’una sola cel·la de 3,7 volts. Això significa que el corrent de càrrega és de 12 mA. (I = P / U). A aquesta velocitat puc carregar 500 mAh en 42 hores o utilitzar-lo per executar un microcontrolador incrustat (per exemple, l’Attiny per al controlador MPPT). Esperem que el vent bufi més fort.

També hi ha alguns problemes que he notat amb aquesta configuració:

• La sobretensió de la bateria no es controla (hi ha un circuit de protecció a la bateria)
• El motor pas a pas té una sortida sorollosa, de manera que he de promediar la mesura durant un llarg període de 0,6 segons.

Finalment, vaig decidir fer un altre experiment amb un BLDC. Com que els BLDC tenen una altra topologia, vaig haver de dissenyar una nova placa. Els resultats obtinguts al primer gràfic s’utilitzaran per comparar els dos generadors, però aviat ho explicaré tot en un altre instructable.