ตัวติดตามจุดไฟสูงสุดสำหรับกังหันลมขนาดเล็ก: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

มีกังหันลม DIY จำนวนมากบนอินเทอร์เน็ต แต่มีเพียงไม่กี่คนที่อธิบายอย่างชัดเจนถึงผลลัพธ์ที่ได้รับในแง่ของพลังงานหรือพลังงาน มักจะมีความสับสนระหว่างกำลัง ความตึงเครียด และกระแส หลายครั้งที่คนพูดว่า: "ฉันวัดความตึงเครียดนี้บนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า!" ดี! แต่ไม่ได้หมายความว่าคุณสามารถดึงกระแสและมีกำลังได้ (กำลัง = แรงตึง x กระแส) นอกจากนี้ยังมีตัวควบคุม MPPT (Maximum Power Point Tracker) ที่ทำเองที่บ้านจำนวนมากสำหรับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ แต่ไม่มากนักสำหรับการใช้งานลม ฉันทำโครงการนี้เพื่อแก้ไขสถานการณ์นี้

ฉันออกแบบตัวควบคุมการชาร์จ MPPT พลังงานต่ำ (< 1W) สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโพลิเมอร์ 3.7V (เซลล์เดียว) ฉันเริ่มต้นด้วยสิ่งเล็กๆ น้อยๆ เพราะฉันต้องการเปรียบเทียบการออกแบบกังหันลมที่พิมพ์ 3 มิติที่แตกต่างกัน และขนาดของกังหันเหล่านี้ไม่ควรผลิตเกิน 1 วัตต์มากนัก เป้าหมายสุดท้ายคือการจัดหาสถานีแบบสแตนด์อโลนหรือระบบนอกกริด

ในการทดสอบคอนโทรลเลอร์ ฉันได้สร้างการตั้งค่าด้วยมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (NEMA 17) สเต็ปเปอร์มอเตอร์ใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และมอเตอร์กระแสตรงช่วยให้ฉันจำลองลมที่ผลักใบพัดกังหันได้ ในขั้นตอนต่อไป ผมจะอธิบายปัญหาและสรุปแนวคิดที่สำคัญบางอย่าง ดังนั้นหากคุณสนใจเพียงแค่สร้างบอร์ด ข้ามไปที่ขั้นตอนที่ 3

ขั้นตอนที่ 1: ปัญหา

เราต้องการนำพลังงานจลน์จากลม เปลี่ยนเป็นไฟฟ้า และเก็บไฟฟ้านั้นไว้ในแบตเตอรี่ ปัญหาคือลมผันผวนดังนั้นปริมาณพลังงานที่มีอยู่ก็ผันผวนเช่นกัน ยิ่งกว่านั้นความตึงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเร็ว แต่ความตึงของแบตเตอรี่จะคงที่ เราจะแก้ปัญหานั้นได้อย่างไร?

เราจำเป็นต้องควบคุมกระแสของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพราะกระแสเป็นสัดส่วนกับแรงบิดเบรก แท้จริงแล้วมีเส้นขนานระหว่างโลกกล (กำลังเครื่องกล = แรงบิด x ความเร็ว) และโลกไฟฟ้า (กำลังไฟฟ้า = กระแส x ความตึงเครียด) (กราฟเปรียบเทียบ) รายละเอียดเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะกล่าวถึงในภายหลัง

พลังสูงสุดอยู่ที่ไหน? สำหรับความเร็วลมที่กำหนด หากเราปล่อยให้กังหันหมุนอย่างอิสระ (ไม่มีแรงบิดในการเบรก) ความเร็วของกังหันจะสูงสุด (และแรงดันไฟด้วย) แต่เราไม่มีกระแสไฟ ดังนั้นกำลังจึงเป็นโมฆะ ในอีกด้านหนึ่ง หากเราดึงกระแสดึงสูงสุด มีแนวโน้มว่าเราเบรกกังหันมากเกินไปและความเร็วอากาศพลศาสตร์ที่เหมาะสมนั้นไม่ถึง ระหว่างปลายทั้งสองนี้มีจุดที่ผลคูณของแรงบิดด้วยความเร็วสูงสุดคือสูงสุด นี่คือสิ่งที่เรากำลังมองหา!

ขณะนี้มีแนวทางที่แตกต่างกัน: ตัวอย่างเช่น หากคุณทราบสมการและพารามิเตอร์ทั้งหมดที่อธิบายระบบ คุณอาจคำนวณรอบการทำงานที่ดีที่สุดสำหรับความเร็วลมและความเร็วของกังหัน หรือถ้าคุณไม่รู้อะไรเลย คุณสามารถพูดกับคอนโทรลเลอร์: เปลี่ยนรอบการทำงานเล็กน้อยแล้วคำนวณกำลัง ถ้ามันใหญ่ขึ้นแสดงว่าเราเดินไปในทิศทางที่ดีดังนั้นให้ไปในทิศทางนั้น หากต่ำกว่าให้เลื่อนรอบการทำงานไปในทิศทางตรงกันข้าม

ขั้นตอนที่ 2: การแก้ปัญหา

อันดับแรก เราต้องแก้ไขเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยไดโอดบริดจ์ จากนั้นจึงควบคุมกระแสไฟที่ฉีดในแบตเตอรี่ด้วยตัวแปลงบูสต์ ระบบอื่นๆ ใช้ตัวแปลงบูสต์แบบบั๊กหรือบั๊ก แต่เนื่องจากผมมีเทอร์ไบน์พลังงานต่ำ ผมคิดว่าแรงดันไฟของแบตเตอรี่จะมากกว่าเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ เพื่อควบคุมกระแส เราจำเป็นต้องเปลี่ยนรอบการทำงาน (Ton / (Ton+Toff)) ของตัวแปลงบูสต์

ชิ้นส่วนทางด้านขวาของแผนผังแสดงแอมพลิฟายเออร์ (AD8603) ที่มีอินพุตต่างกันเพื่อวัดความตึงของ R2 ผลลัพธ์ถูกใช้เพื่ออนุมานโหลดปัจจุบัน

ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ที่เราเห็นในภาพแรกคือการทดลอง: ฉันเปลี่ยนวงจรของฉันเป็นตัวคูณแรงดันเดลอน ข้อสรุปนั้นดี ดังนั้นหากต้องการแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม เพียงเพิ่มตัวเก็บประจุเพื่อทำการแปลง

ขั้นตอนที่ 3: เครื่องมือและวัสดุ

เครื่องมือ

• โปรแกรมเมอร์ Arduino หรือ AVR
• มัลติมิเตอร์
• เครื่องกัดหรือการกัดด้วยสารเคมี (สำหรับการสร้างต้นแบบ PCB ด้วยตัวเอง)
• หัวแร้ง ฟลักซ์ ลวดบัดกรี
• แหนบ

วัสดุ

• แผ่นทองแดงด้านเดียว Bakelite (ขั้นต่ำ 60*35 มม.)
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ Attiny45
• เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ AD8605
• ตัวเหนี่ยวนำ 100uF
• 1 ไดโอด Schottky CBM1100
• 8 Schottky ไดโอด BAT46
• ทรานซิสเตอร์และตัวเก็บประจุ (ขนาด 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

ขั้นตอนที่ 4: การสร้าง PCB

ฉันแสดงวิธีการของฉันในการสร้างต้นแบบ แต่แน่นอนว่าถ้าคุณไม่สามารถทำ PCB ที่บ้านได้ คุณสามารถสั่งซื้อไปยังโรงงานที่คุณชื่นชอบได้

ฉันใช้ ProxxonMF70 ที่แปลงเป็น CNC และดอกกัดสามเหลี่ยม ในการสร้าง G-Code ฉันใช้ปลั๊กอินสำหรับ Eagle

จากนั้นส่วนประกอบจะถูกบัดกรีโดยเริ่มจากชิ้นที่เล็กกว่า

คุณสามารถสังเกตได้ว่าขาดการเชื่อมต่อ นี่คือที่ที่ฉันกระโดดด้วยมือ ฉันประสานขาตัวต้านทานแบบโค้ง (cf. image)

ขั้นตอนที่ 5: การเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์

ฉันใช้ Arduino (สาย Adafruit pro-trinket และ FTDI USB) เพื่อตั้งโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ Attiny45 ดาวน์โหลดไฟล์ไปยังคอมพิวเตอร์ของคุณ เชื่อมต่อหมุดควบคุม:

1. ถึง Arduino พิน 11
2. ไปยังขา Arduino 12
3. ถึง Arduino pin 13 (ไปยังตัวควบคุม Vin (เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้า) เมื่อไม่ได้ตั้งโปรแกรม)
4. ไปยังขา Arduino 10
5. ถึง Arduino พิน 5V
6. ถึง Arduino พิน G

จากนั้นโหลดโค้ดบนคอนโทรลเลอร์

ขั้นตอนที่ 6: การตั้งค่าการทดสอบ

ฉันทำการตั้งค่านี้ (เปรียบเทียบรูปภาพ) เพื่อทดสอบตัวควบคุมของฉัน ตอนนี้ฉันสามารถเลือกความเร็วและดูว่าตัวควบคุมตอบสนองอย่างไร นอกจากนี้ ฉันสามารถประมาณปริมาณพลังงานที่ส่งโดยการคูณ U และฉันแสดงบนหน้าจอพาวเวอร์ซัพพลาย แม้ว่ามอเตอร์จะไม่ทำงานเหมือนกับกังหันลม แต่การประมาณนี้ก็ไม่ได้แย่นัก แท้จริงแล้วในฐานะกังหันลม เมื่อคุณทำลายมอเตอร์ มันจะช้าลงและเมื่อคุณปล่อยให้มันหมุนอย่างอิสระ มันจะถึงความเร็วสูงสุด (เส้นโค้งความเร็วแรงบิดเป็นเส้นช่องแคบสำหรับมอเตอร์กระแสตรงและเส้นพาราโบลาสำหรับกังหันลม)

ฉันคำนวณกระปุกเกียร์ทดรอบ (16:1) เพื่อให้มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กหมุนด้วยความเร็วที่มีประสิทธิภาพสูงสุด และสเต็ปเปอร์มอเตอร์หมุนที่ความเร็วเฉลี่ย (200 รอบต่อนาที) สำหรับกังหันลมที่มีความเร็วลมต่ำ (3 เมตร/วินาที))

ขั้นตอนที่ 7: ผลลัพธ์

สำหรับการทดลองนี้ (กราฟแรก) ฉันใช้ LED แสดงการทำงานเป็นโหลด มีแรงดันไปข้างหน้า 2.6 โวลต์ เนื่องจากความตึงเครียดคงที่ที่ 2.6 ฉันจึงวัดกระแสเท่านั้น

1) แหล่งจ่ายไฟที่ 5.6 V (เส้นสีน้ำเงินบนกราฟ 1)

• เครื่องกำเนิดความเร็วขั้นต่ำ 132 รอบต่อนาที
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงสุด 172 รอบต่อนาที
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังสูงสุด 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) แหล่งจ่ายไฟที่ 4 V (เส้นสีแดงบนกราฟ 1)

• เครื่องกำเนิดความเร็วขั้นต่ำ 91 รอบต่อนาที
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงสุด 102 รอบต่อนาที
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังสูงสุด 23mW (9 mA x 2.6V)

ในการทดลองครั้งล่าสุด (กราฟที่สอง) กำลังไฟฟ้าจะถูกคำนวณโดยคอนโทรลเลอร์โดยตรง ในกรณีนี้ มีการใช้แบตเตอรี่ li-po 3.7 V เป็นโหลด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังสูงสุด 44mW

ขั้นตอนที่ 8: อภิปราย

กราฟแรกให้แนวคิดเกี่ยวกับพลังที่เราคาดหวังได้จากการตั้งค่านี้

กราฟที่สองแสดงให้เห็นว่ามีค่าสูงสุดในท้องถิ่น นี่เป็นปัญหาสำหรับหน่วยงานกำกับดูแลเนื่องจากติดอยู่ในพื้นที่สูงสุดเหล่านี้ ความไม่เป็นเส้นตรงเกิดจากการเปลี่ยนแปลงระหว่างการดำเนินต่อและหยุดการนำของตัวเหนี่ยวนำ ข้อดีคือมันเกิดขึ้นเสมอสำหรับรอบการทำงานเดียวกัน (ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้คอนโทรลเลอร์ติดอยู่ที่ค่าสูงสุดในพื้นที่ ฉันเพียงแค่จำกัดช่วงรอบการทำงานไว้ที่ [0.45 0.8]

กราฟที่สองแสดงสูงสุด 0.044 วัตต์ เนื่องจากโหลดเป็นแบตเตอรี่ li-po เซลล์เดียว 3.7 โวลต์ ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟชาร์จคือ 12 mA (I=P/U). ที่ความเร็วนี้ ฉันสามารถชาร์จ 500mAh ใน 42 ชั่วโมงหรือใช้เพื่อเรียกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบฝัง (เช่น Attiny สำหรับคอนโทรลเลอร์ MPPT) หวังว่าลมจะพัดแรงขึ้น

ต่อไปนี้คือปัญหาบางอย่างที่ฉันสังเกตเห็นในการตั้งค่านี้:

• แรงดันไฟเกินของแบตเตอรี่ไม่ได้ถูกควบคุม (มีวงจรป้องกันในแบตเตอรี่)
• สเต็ปเปอร์มอเตอร์มีเอาท์พุตที่มีสัญญาณรบกวน ดังนั้นฉันจึงต้องเฉลี่ยการวัดในระยะเวลานาน 0.6 วินาที

ในที่สุดฉันก็ตัดสินใจทำการทดลองกับ BLDC อีกครั้ง เนื่องจาก BLDC มีโทโพโลยีอื่น ฉันจึงต้องออกแบบบอร์ดใหม่ ผลลัพธ์ที่ได้จากกราฟแรกจะถูกใช้เพื่อเปรียบเทียบตัวสร้างทั้งสอง แต่ฉันจะอธิบายทุกอย่างในคำแนะนำอื่นในไม่ช้า