Maximum Power Point Tracker für kleine Windkraftanlagen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Es gibt viele DIY-Windturbinen im Internet, aber nur sehr wenige erklären klar, welches Ergebnis sie in Bezug auf Leistung oder Energie erzielen. Auch gibt es oft eine Verwechslung zwischen Leistung, Spannung und Strom. Oft sagen die Leute: "Ich habe diese Spannung am Generator gemessen!" Schön! Aber es bedeutet nicht, dass Sie Strom ziehen und Strom haben können (Leistung = Spannung x Strom). Es gibt auch viele hausgemachte MPPT (Maximum Power Point Tracker) Controller für Solaranwendungen, aber nicht so sehr für Windanwendungen. Ich habe dieses Projekt gemacht, um diese Situation zu beheben.

Ich habe einen MPPT-Laderegler mit geringer Leistung (< 1 W) für 3,7 V (Einzelzellen) Lithium-Ionen-Polymer-Batterien entwickelt. Ich habe mit etwas Kleinem angefangen, weil ich verschiedene 3D-gedruckte Windturbinendesigns vergleichen möchte und die Größe dieser Turbinen nicht viel mehr als 1W produzieren sollte. Das Endziel besteht darin, eine eigenständige Station oder ein beliebiges Off-Grid-System zu liefern.

Um den Controller zu testen, baute ich ein Setup mit einem kleinen Gleichstrommotor, der an einen Schrittmotor (NEMA 17) gekoppelt war. Der Schrittmotor wird als Generator verwendet und der Gleichstrommotor ermöglicht es mir, den Wind zu simulieren, der die Turbinenblätter drückt. Im nächsten Schritt werde ich das Problem erklären und einige wichtige Konzepte zusammenfassen. Wenn Sie also nur daran interessiert sind, das Board zu erstellen, springen Sie zu Schritt 3.

Schritt 1: Das Problem

Wir wollen kinetische Energie aus dem Wind gewinnen, in Strom umwandeln und diesen Strom in einer Batterie speichern. Das Problem ist, dass der Wind schwankt und somit auch die verfügbare Energiemenge schwankt. Außerdem hängt die Spannung des Generators von seiner Drehzahl ab, aber die Batteriespannung ist konstant. Wie können wir das lösen?

Wir müssen den Generatorstrom regeln, da der Strom proportional zum Bremsmoment ist. Tatsächlich gibt es eine Parallele zwischen der mechanischen Welt (Mechanische Leistung = Drehmoment x Geschwindigkeit) und der elektrischen Welt (Elektrische Leistung = Strom x Spannung) (vgl. Grafik). Die Details zur Elektronik werden später besprochen.

Wo ist die maximale Leistung? Wenn wir die Turbine bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit frei drehen lassen (kein Bremsmoment), ist ihre Geschwindigkeit maximal (und auch die Spannung), aber wir haben keinen Strom, sodass die Leistung null ist. Auf der anderen Seite, wenn wir die Stromaufnahme maximieren, ist es wahrscheinlich, dass wir die Turbine zu stark bremsen und die optimale aerodynamische Geschwindigkeit nicht erreicht wird. Zwischen diesen beiden Extremwerten liegt ein Punkt, an dem das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl maximal ist. Das suchen wir!

Nun gibt es verschiedene Ansätze: Wenn Sie beispielsweise alle Gleichungen und Parameter kennen, die das System beschreiben, können Sie wahrscheinlich den besten Duty-Cycle für eine bestimmte Windgeschwindigkeit und Turbinendrehzahl berechnen. Oder, wenn Sie nichts wissen, können Sie dem Controller sagen: Ändern Sie das Tastverhältnis ein wenig und berechnen Sie dann die Leistung. Wenn es größer ist, bedeutet dies, dass wir uns in die gute Richtung bewegt haben, also fahren Sie in diese Richtung weiter. Wenn es niedriger ist, verschieben Sie das Tastverhältnis einfach in die entgegengesetzte Richtung.

Schritt 2: Die Lösung

Zuerst müssen wir die Generatorleistung mit einer Diodenbrücke gleichrichten und dann den eingespeisten Strom in die Batterie mit einem Aufwärtswandler regeln. Andere Systeme verwenden einen Buck- oder Buck-Boost-Converter, aber da ich eine Turbine mit geringer Leistung habe, gehe ich davon aus, dass die Batteriespannung immer größer ist als die Generatorleistung. Um den Strom zu regulieren, müssen wir das Tastverhältnis (Ton / (Ton+Toff)) des Aufwärtswandlers ändern.

Die Teile auf der rechten Seite des Schaltplans zeigen einen Verstärker (AD8603) mit einem Differenzeingang zur Messung der Spannung an R2. Aus dem Ergebnis wird auf die aktuelle Belastung geschlossen.

Die großen Kondensatoren, die wir auf dem ersten Bild sehen, sind ein Experiment: Ich habe meine Schaltung in einen Delon-Spannungsverdoppler gedreht. Die Schlussfolgerungen sind gut. Wenn also mehr Spannung benötigt wird, fügen Sie einfach Kondensatoren hinzu, um die Transformation durchzuführen.

Schritt 3: Werkzeuge und Material

Werkzeuge

• Arduino- oder AVR-Programmierer
• Multimeter
• Fräsmaschine oder chemisches Ätzen (für PCB-Prototyping selbst)
• Lötkolben, Flussmittel, Lötdraht
• Pinzette

Material

• Bakelit einseitige Kupferplatte (mindestens 60*35 mm)
• Mikrocontroller Attiny45
• Operationsverstärker AD8605
• Induktivität 100uF
• 1 Schottky-Diode CBM1100
• 8 Schottky-Diode BAT46
• Transistoren und Kondensatoren (Größe 0603) (vgl. BillOfMaterial.txt)

Schritt 4: Herstellung der Platine

Ich zeige Ihnen meine Methode zum Prototyping, aber wenn Sie keine Leiterplatten zu Hause herstellen können, können Sie sie natürlich in Ihre Lieblingsfabrik bestellen.

Ich habe einen in CNC umgebauten ProxxonMF70 und einen dreieckigen Schaftfräser verwendet. Um den G-Code zu generieren verwende ich ein Plugin für Eagle.

Dann werden die Bauteile gelötet, beginnend mit dem kleineren.

Sie können feststellen, dass einige Verbindungen fehlen, hier mache ich Sprünge von Hand. Ich löte gebogene Widerstandsbeine (siehe Bild).

Schritt 5: Mikrocontroller-Programmierung

Ich verwende ein Arduino (Adafruit Pro-Trinket und FTDI USB-Kabel), um den Attiny45-Mikrocontroller zu programmieren. Laden Sie die Dateien auf Ihren Computer herunter, verbinden Sie die Controller-Pins:

1. zum Arduino-Pin 11
2. zum Arduino-Pin 12
3. an Arduino Pin 13 (an Controller Vin (Spannungssensor) wenn nicht programmiert)
4. zum Arduino-Pin 10
5. zum Arduino-Pin 5V
6. zum Arduino-Pin G

Laden Sie dann den Code auf den Controller.

Schritt 6: Das Test-Setup

Ich habe dieses Setup (siehe Bild) gemacht, um meinen Controller zu testen. Ich kann jetzt eine Geschwindigkeit auswählen und sehen, wie der Controller reagiert. Außerdem kann ich abschätzen, wie viel Leistung geliefert wird, indem ich U multipliziere und auf dem Netzteilbildschirm angezeigt habe. Obwohl sich der Motor nicht genau wie eine Windkraftanlage verhält, finde ich diese Näherung nicht so schlecht. In der Tat, wie die Windkraftanlage, wenn der Motor kaputt geht, verlangsamt er sich und wenn Sie ihn frei drehen lassen, erreicht er eine maximale Geschwindigkeit. (die Drehmoment-Drehzahl-Kurve ist eine Gerade für einen Gleichstrommotor und eine Art Parabel für Windkraftanlagen)

Ich habe ein Untersetzungsgetriebe (16:1) berechnet, um den kleinen Gleichstrommotor mit seiner effizientesten Geschwindigkeit und den Schrittmotor mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit (200 U/min) für eine Windkraftanlage mit niedriger Windgeschwindigkeit (3 m/s.) drehen zu lassen)

Schritt 7: Ergebnisse

Für dieses Experiment (erste Grafik) habe ich eine Power-LED als Last verwendet. Es hat eine Durchlassspannung von 2,6 Volt. Da sich die Spannung um 2,6 stabilisiert hat, habe ich nur den Strom gemessen.

1) Stromversorgung bei 5,6 V (blaue Linie im Diagramm 1)

• Generator min. Drehzahl 132 U/min
• Generator max. Drehzahl 172 U/min
• Generator max. Leistung 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Stromversorgung bei 4 V (rote Linie im Diagramm 1)

• Generator min. Drehzahl 91 U/min
• Generator max. Drehzahl 102 U/min
• Generator max. Leistung 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Im letzten Experiment (zweite Grafik) wird die Leistung direkt vom Regler berechnet. In diesem Fall wurde als Last eine 3,7 V Li-Po-Batterie verwendet.

Generator maximale Leistung 44mW

Schritt 8: Diskussion

Die erste Grafik gibt eine Vorstellung von der Leistung, die wir von diesem Setup erwarten können.

Der zweite Graph zeigt, dass es einige lokale Maxima gibt. Dies ist ein Problem für den Regler, da er in diesen lokalen Maximalwerten stecken bleibt. Die Nichtlinearität ist auf den Übergang zwischen fortgesetzter und unterbrochener Induktorleitung zurückzuführen. Das Gute ist, dass es immer für das gleiche Tastverhältnis passiert (unabhängig von der Generatordrehzahl). Um zu vermeiden, dass der Controller in einem lokalen Maximum stecken bleibt, schränke ich den Duty-Cycle-Bereich einfach auf [0,45 0,8] ein.

Die zweite Grafik zeigt maximal 0,044 Watt. Als Last diente eine einzellige Li-Po-Batterie von 3,7 Volt. Das bedeutet, dass der Ladestrom 12 mA beträgt. (I=P/U). Mit dieser Geschwindigkeit kann ich einen 500mAh in 42 Stunden aufladen oder damit einen eingebetteten Mikrocontroller betreiben (zum Beispiel den Attiny für den MPPT-Controller). Hoffentlich weht der Wind stärker.

Hier sind auch einige Probleme, die mir bei diesem Setup aufgefallen sind:

• Die Überspannung der Batterie wird nicht kontrolliert (in der Batterie befindet sich eine Schutzschaltung)
• Der Schrittmotor hat einen lauten Ausgang, daher muss ich die Messung über einen langen Zeitraum von 0,6 Sekunden mitteln.

Schließlich entschied ich mich, ein weiteres Experiment mit einem BLDC zu machen. Da BLDCs eine andere Topologie haben, musste ich ein neues Board entwerfen. Die in der ersten Grafik erhaltenen Ergebnisse werden verwendet, um die beiden Generatoren zu vergleichen, aber ich werde alles bald in einem anderen instructables erklären.