Bộ theo dõi điểm công suất tối đa cho tuabin gió nhỏ: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Có rất nhiều tua-bin gió tự chế trên internet nhưng rất ít người giải thích rõ ràng kết quả mà chúng thu được về mặt công suất hoặc năng lượng. Ngoài ra, thường có sự nhầm lẫn giữa công suất, lực căng và dòng điện. Rất nhiều thời gian, mọi người đang nói: "Tôi đã đo lực căng này trên máy phát điện!" Đẹp! Nhưng nó không có nghĩa là bạn có thể rút ra dòng điện và có điện (Công suất = sức căng x dòng điện). Ngoài ra còn có rất nhiều bộ điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracker) sản xuất tại nhà cho ứng dụng năng lượng mặt trời nhưng không quá nhiều cho ứng dụng gió. Tôi đã làm dự án này để khắc phục tình trạng này.

Tôi đã thiết kế bộ điều khiển sạc MPPT công suất thấp (<1W) cho pin Lithium Ion Polymer 3.7V (một cell). Tôi bắt đầu với một cái gì đó nhỏ vì tôi muốn so sánh thiết kế tuabin gió in 3D khác nhau và kích thước của những tuabin này không nên tạo ra nhiều hơn 1W. Mục tiêu cuối cùng là cung cấp cho một trạm độc lập hoặc bất kỳ hệ thống nối lưới nào.

Để kiểm tra bộ điều khiển, tôi đã xây dựng một thiết lập với động cơ DC nhỏ được kết hợp với động cơ bước (NEMA 17). Động cơ bước được sử dụng như một máy phát điện và động cơ DC cho phép tôi mô phỏng gió đẩy các cánh tuabin. Trong bước tiếp theo, tôi sẽ giải thích vấn đề và tóm tắt một số khái niệm quan trọng, vì vậy nếu bạn chỉ quan tâm đến việc làm bảng, hãy chuyển sang bước 3.

Bước 1: Vấn đề

Chúng ta muốn lấy động năng từ gió, biến nó thành điện năng và lưu trữ điện năng đó trong pin. Vấn đề là gió dao động nên lượng năng lượng có sẵn cũng dao động theo. Hơn nữa lực căng của máy phát điện phụ thuộc vào tốc độ của nó nhưng sức căng của pin là không đổi. Làm thế nào chúng ta có thể giải quyết điều đó?

Chúng ta cần điều chỉnh dòng điện máy phát vì dòng điện tỷ lệ với mômen hãm. Thật vậy, có một sự song song giữa thế giới cơ học (Công suất cơ học = Mômen x Tốc độ) và thế giới điện (Công suất điện = Dòng điện x Lực căng) (xem đồ thị). Các chi tiết về điện tử sẽ được thảo luận sau.

Đâu là mức tối đa của công suất? Đối với một tốc độ gió nhất định, nếu chúng ta để tuabin quay tự do (không có mômen hãm), tốc độ của nó sẽ là cực đại (và cả điện áp nữa) nhưng chúng ta không có dòng điện nên công suất là rỗng. Mặt khác, nếu chúng ta tối đa hóa dòng điện kéo ra, có khả năng là chúng ta hãm tua bin quá nhiều và không đạt được tốc độ khí động học tối ưu. Giữa hai điểm cực đại này có một điểm mà tích của ngẫu lực bằng tốc độ là cực đại. Đây là những gì chúng tôi đang tìm kiếm!

Bây giờ có nhiều cách tiếp cận khác nhau: Ví dụ nếu bạn biết tất cả các phương trình và thông số mô tả hệ thống, bạn có thể tính toán chu kỳ làm việc tốt nhất cho một tốc độ gió và tốc độ tuabin nhất định. Hoặc, nếu bạn không biết gì, bạn có thể nói với bộ điều khiển: Thay đổi một chút chu kỳ nhiệm vụ sau đó tính toán công suất. Nếu nó lớn hơn có nghĩa là chúng ta đã di chuyển theo hướng tốt vì vậy hãy tiếp tục đi theo hướng đó. Nếu nó thấp hơn, chỉ cần di chuyển chu kỳ nhiệm vụ theo hướng ngược lại.

Bước 2: Giải pháp

Đầu tiên chúng ta cần chỉnh lưu đầu ra máy phát điện bằng cầu diode và sau đó điều chỉnh dòng điện vào trong pin bằng bộ chuyển đổi tăng áp. Các hệ thống khác sử dụng một bộ chuyển đổi buck hoặc một bộ chuyển đổi tăng cường buck nhưng vì tôi có một tuabin công suất thấp, tôi cho rằng điện áp của pin luôn lớn hơn đầu ra của máy phát điện. Để điều chỉnh dòng điện, chúng ta cần thay đổi chu kỳ làm việc (Tấn / (Tấn + Toff)) của bộ chuyển đổi tăng áp.

Các phần ở phía bên phải của sơ đồ hiển thị một bộ khuếch đại (AD8603) với đầu vào khác biệt để đo lực căng trên R2. Kết quả được sử dụng để suy ra tải hiện tại.

Các tụ điện lớn mà chúng ta nhìn thấy trên hình ảnh đầu tiên là một thí nghiệm: Tôi đã quay mạch của mình trong bộ nghi ngờ điện áp Delon. Kết luận là tốt vì vậy nếu cần thêm điện áp, chỉ cần thêm tụ điện để thực hiện biến đổi.

Bước 3: Công cụ và vật liệu

Công cụ

• Lập trình viên Arduino hoặc AVR
• Đồng hồ vạn năng
• Máy phay hoặc ăn mòn hóa học (để tự tạo mẫu PCB)
• Sắt hàn, chất trợ dung, dây hàn
• Cái nhíp

Vật liệu

• Tấm đồng Bakelite một mặt (tối thiểu 60 * 35 mm)
• Vi điều khiển Attiny45
• Bộ khuếch đại hoạt động AD8605
• Cuộn cảm 100uF
• 1 Diode Schottky CBM1100
• 8 diode Schottky BAT46
• Bóng bán dẫn và tụ điện (kích thước 0603) (xem BillOfMaterial.txt)

Bước 4: Chế tạo PCB

Tôi chỉ cho bạn phương pháp tạo mẫu của tôi nhưng tất nhiên nếu bạn không thể làm PCB tại nhà, bạn có thể đặt hàng đến nhà máy yêu thích của bạn.

Tôi đã sử dụng ProxxonMF70 được chuyển đổi thành CNC và một máy nghiền hình tam giác. Để tạo G-Code, tôi sử dụng một plugin cho Eagle.

Sau đó, các thành phần được hàn bắt đầu với nhỏ hơn.

Bạn có thể quan sát thấy một số kết nối bị thiếu, đây là nơi tôi thực hiện các bước nhảy bằng tay. Tôi hàn chân điện trở cong (xem hình ảnh).

Bước 5: Lập trình vi điều khiển

Tôi sử dụng Arduino (Adafruit pro-trinket và cáp USB FTDI) để lập trình bộ điều khiển vi mô Attiny45. Tải tệp xuống máy tính của bạn, kết nối các chân điều khiển:

1. đến chân 11 của arduino
2. đến chân 12 của arduino
3. đến chân 13 của arduino (đến bộ điều khiển Vin (cảm biến điện áp) khi không lập trình)
4. đến chân 10 của arduino
5. đến chân 5V của arduino
6. đến arduino pin G

Sau đó, tải mã trên bộ điều khiển.

Bước 6: Thiết lập thử nghiệm

Tôi đã thực hiện thiết lập này (xem hình) để kiểm tra bộ điều khiển của mình. Bây giờ tôi có thể chọn tốc độ và xem bộ điều khiển phản ứng như thế nào. Ngoài ra, tôi có thể ước tính lượng điện năng được cung cấp bằng cách nhân U và tôi đã hiển thị trên màn hình nguồn điện. Mặc dù động cơ không hoạt động chính xác như một tuabin gió, tôi cho rằng con số xấp xỉ này không quá tệ. Thật vậy, giống như tuabin gió, khi bạn ngắt động cơ, nó chạy chậm lại và khi bạn để nó quay tự do, nó đạt tốc độ tối đa. (đường cong tốc độ mô-men xoắn là một đường eo biển đối với động cơ DC và một loại parabol đối với tuabin gió)

Tôi đã tính toán hộp giảm tốc (16: 1) để động cơ DC nhỏ quay ở tốc độ hiệu quả nhất và động cơ bước quay với tốc độ trung bình (200 vòng / phút) đối với tuabin gió có tốc độ gió thấp (3 m / s)

Bước 7: Kết quả

Đối với thử nghiệm này (biểu đồ đầu tiên), tôi đã sử dụng đèn LED nguồn làm tải. Nó có điện áp chuyển tiếp là 2,6 vôn. Khi lực căng được ổn định xung quanh 2,6, tôi chỉ đo dòng điện.

1) Nguồn điện 5,6 V (đường màu xanh lam trên biểu đồ 1)

• tốc độ tối thiểu của máy phát điện 132 vòng / phút
• tốc độ tối đa của máy phát điện 172 vòng / phút
• máy phát điện công suất tối đa 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Nguồn điện 4 V (đường màu đỏ trên đồ thị 1)

• Máy phát điện tốc độ tối thiểu 91 vòng / phút
• tốc độ tối đa của máy phát điện 102 vòng / phút
• máy phát điện công suất tối đa 23mW (9 mA x 2,6V)

Trong thí nghiệm cuối cùng (đồ thị thứ hai), công suất được bộ điều khiển trực tiếp tính toán. Trong trường hợp này, pin li-po 3,7 V đã được sử dụng làm tải.

máy phát điện công suất tối đa 44mW

Bước 8: Thảo luận

Biểu đồ đầu tiên cung cấp ý tưởng về sức mạnh mà chúng ta có thể mong đợi từ thiết lập này.

Biểu đồ thứ hai cho thấy rằng có một số cực đại cục bộ. Đây là một vấn đề đối với cơ quan quản lý bởi vì nó bị mắc kẹt trong các mức tối đa của các địa phương này. Sự không tuyến tính là do sự chuyển đổi giữa dẫn điện tiếp tục và không liên tục. Điều tốt là nó luôn xảy ra trong cùng một chu kỳ nhiệm vụ (không phụ thuộc vào tốc độ máy phát). Để tránh bộ điều khiển bị kẹt ở mức tối đa cục bộ, tôi chỉ cần giới hạn phạm vi chu kỳ nhiệm vụ thành [0,45 0,8].

Biểu đồ thứ hai cho thấy tối đa là 0,044 watt. Khi tải là một pin li-po đơn 3,7 volt. Điều này có nghĩa là dòng sạc là 12 mA. (Tôi = P / U). Ở tốc độ này, tôi có thể sạc 500mAh trong 42 giờ hoặc sử dụng nó để chạy bộ điều khiển vi mô được nhúng (ví dụ: Attiny cho bộ điều khiển MPPT). Hy vọng rằng gió sẽ thổi mạnh hơn.

Ngoài ra, đây là một số vấn đề tôi nhận thấy với thiết lập này:

• Pin quá áp không được kiểm soát (có mạch bảo vệ trong pin)
• Động cơ bước có đầu ra ồn nên tôi cần lấy trung bình phép đo trong khoảng thời gian dài 0,6 giây.

Cuối cùng, tôi quyết định thực hiện một thử nghiệm khác với BLDC. Bởi vì BLDC có một cấu trúc liên kết khác, tôi đã phải thiết kế một bảng mới. Kết quả thu được trong biểu đồ đầu tiên sẽ được sử dụng để so sánh hai máy phát điện nhưng tôi sẽ giải thích mọi thứ sớm trong một tài liệu hướng dẫn khác.