الحد الأقصى لتتبع نقاط الطاقة لتوربينات الرياح الصغيرة: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

يوجد الكثير من توربينات الرياح DIY على الإنترنت ولكن القليل منها يشرح بوضوح النتيجة التي يحصلون عليها من حيث الطاقة أو الطاقة. غالبًا ما يكون هناك خلط بين القوة والتوتر والتيار. الكثير من الوقت يقول الناس: "لقد قمت بقياس هذا التوتر على المولد!" لطيف - جيد! لكن هذا لا يعني أنه يمكنك سحب التيار والحصول على القوة (القوة = التوتر × التيار). هناك أيضًا الكثير من وحدات التحكم MPPT (Maximum Power Point Tracker) محلية الصنع للتطبيقات الشمسية ولكن ليس كثيرًا لتطبيق الرياح. لقد فعلت هذا المشروع لتصحيح هذا الوضع.

لقد صممت وحدة تحكم شحن منخفضة الطاقة (<1 وات) MPPT لبطاريات ليثيوم أيون بوليمر 3.7 فولت (خلية واحدة). لقد بدأت بشيء صغير لأنني أرغب في مقارنة تصميم مختلف لتوربينات الرياح المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، ويجب ألا ينتج حجم هذه التوربينات أكثر من 1 وات. الهدف النهائي هو توفير محطة قائمة بذاتها أو أي نظام خارج الشبكة.

لاختبار وحدة التحكم ، قمت بإنشاء إعداد بمحرك DC صغير مقترن بمحرك متدرج (NEMA 17). يتم استخدام محرك السائر كمولد ويسمح لي محرك التيار المستمر بمحاكاة الرياح التي تدفع ريش التوربينات. في الخطوة التالية ، سأشرح المشكلة وألخص بعض المفاهيم المهمة ، لذا إذا كنت مهتمًا فقط بعمل السبورة ، فانتقل إلى الخطوة 3.

الخطوة الأولى: المشكلة

نريد أن نأخذ الطاقة الحركية من الرياح وتحويلها إلى كهرباء وتخزين تلك الكهرباء في بطارية. المشكلة هي أن الرياح تتقلب وبالتالي تتقلب كمية الطاقة المتاحة أيضًا. علاوة على ذلك ، يعتمد شد المولد على سرعته ولكن توتر البطارية ثابت. كيف يمكننا حل ذلك؟

نحتاج إلى تنظيم تيار المولد لأن التيار يتناسب مع عزم الكبح. في الواقع ، هناك توازي بين العالم الميكانيكي (القوة الميكانيكية = عزم الدوران × السرعة) والعالم الكهربائي (الطاقة الكهربائية = التيار × التوتر) (راجع الرسم البياني). ستتم مناقشة التفاصيل المتعلقة بالإلكترونيات لاحقًا.

أين هي أقصى قوة؟ بالنسبة لسرعة رياح معينة ، إذا تركنا التوربين يدور بحرية (بدون عزم الكبح) ، فستكون سرعته القصوى (والجهد أيضًا) ولكن ليس لدينا تيار ، وبالتالي فإن الطاقة لاغية. على الجانب الآخر ، إذا قمنا بزيادة التيار المسحوب إلى الحد الأقصى ، فمن المحتمل أن نفرمل التوربين أكثر من اللازم وأن لا يتم الوصول إلى السرعة الديناميكية الهوائية المثلى. بين هذين الطرفين توجد نقطة يكون فيها ناتج عزم الدوران بالسرعة القصوى. هذا ما نبحث عنه!

يوجد الآن طرق مختلفة: على سبيل المثال ، إذا كنت تعرف جميع المعادلات والمعلمات التي تصف النظام ، يمكنك على الأرجح حساب أفضل دورة عمل لسرعة رياح معينة وسرعة التوربينات. أو ، إذا كنت لا تعرف شيئًا ، يمكنك أن تقول لوحدة التحكم: قم بتغيير دورة العمل قليلاً ثم احسب الطاقة. إذا كان أكبر ، فهذا يعني أننا تحركنا في الاتجاه الصحيح ، لذا استمر في السير في هذا الاتجاه. إذا كان أقل ، فقط حرك دورة العمل في الاتجاه المعاكس.

الخطوة الثانية: الحل

نحتاج أولاً إلى تصحيح خرج المولد بجسر الصمام الثنائي ثم تنظيم التيار المحقون في البطارية باستخدام محول التعزيز. تستخدم الأنظمة الأخرى محول باك أو باك ، ولكن نظرًا لأن لدي توربينًا منخفض الطاقة ، أفترض أن جهد البطارية أكبر دائمًا من ناتج المولد. لتنظيم التيار ، نحتاج إلى تغيير دورة العمل (طن / (طن + توف)) لمحول التعزيز.

تُظهر الأجزاء الموجودة على الجانب الأيمن من المخططات مضخمًا (AD8603) مع إدخال اختلاف لقياس التوتر على R2. يتم استخدام النتيجة لاستنتاج الحمل الحالي.

المكثفات الكبيرة التي نراها في الصورة الأولى عبارة عن تجربة: قمت بتحويل دائري في مضاعف Delon Voltage. الاستنتاجات جيدة ، لذا إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الجهد ، فما عليك سوى إضافة المكثفات لإجراء التحويل.

الخطوة 3: الأدوات والمواد

أدوات

• مبرمج Arduino أو AVR
• المقياس المتعدد
• آلة طحن أو حفر كيميائي (لنماذج PCB بنفسك)
• لحام الحديد ، التدفق ، سلك اللحام
• ملاقيط

مادة

• لوح نحاسي أحادي الجانب من الباكليت (60 * 35 مم كحد أدنى)
• متحكم Attiny45
• مكبر التشغيل AD8605
• مغو 100 فائق التوهج
• 1 شوتكي ديود CBM1100
• 8 شوتكي ديود BAT46
• الترانزستورات والمكثفات (الحجم 0603) (راجع BillOfMaterial.txt)

الخطوة 4: عمل ثنائي الفينيل متعدد الكلور

أريكم طريقي للنماذج الأولية ولكن بالطبع إذا لم تتمكن من صنع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في المنزل ، يمكنك طلبها إلى مصنعك المفضل.

لقد استخدمت ProxxonMF70 تم تحويله إلى CNC وطاحونة نهاية ثلاثية. لإنشاء G-Code ، أستخدم مكونًا إضافيًا لـ Eagle.

ثم يتم لحام المكونات بدءًا من الأصغر.

يمكنك ملاحظة أن بعض الاتصالات مفقودة ، وهذا هو المكان الذي أقوم فيه بالقفزات يدويًا. أنا جندى أرجل المقاوم المنحنية (راجع الصورة).

الخطوة الخامسة: برمجة المتحكم الدقيق

أستخدم Arduino (كبل Adafruit pro-trinket و FTDI USB) لبرمجة وحدة التحكم الصغيرة Attiny45. قم بتنزيل الملفات على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، وقم بتوصيل دبابيس التحكم:

1. إلى اردوينو دبوس 11
2. إلى اردوينو دبوس 12
3. إلى اردوينو دبوس 13 (لوحدة التحكم Vin (مستشعر الجهد) عند عدم البرمجة)
4. إلى اردوينو دبوس 10
5. إلى اردوينو دبوس 5V
6. إلى اردوينو دبوس G

ثم قم بتحميل الكود على وحدة التحكم.

الخطوة 6: إعداد الاختبار

لقد أجريت هذا الإعداد (راجع الصورة) لاختبار وحدة التحكم الخاصة بي. أنا الآن قادر على تحديد السرعة ومعرفة كيفية تفاعل وحدة التحكم. كما يمكنني تقدير مقدار الطاقة التي يتم توفيرها بضرب U وأظهرت على شاشة مزود الطاقة. على الرغم من أن المحرك لا يتصرف تمامًا مثل توربينات الرياح ، إلا أنني أعتبر أن هذا التقريب ليس سيئًا للغاية. في الواقع ، مثل توربينات الرياح ، عندما تكسر المحرك ، فإنها تبطئ وعندما تتركها تدور بحرية ، فإنها تصل إلى أقصى سرعة. (منحنى سرعة عزم الدوران هو خط مضيق لمحرك DC ونوع من القطع المكافئ لتوربينات الرياح)

لقد حسبت صندوق تروس التخفيض (16: 1) من أجل جعل محرك DC الصغير يدور بأقصى سرعته وأكثرها كفاءة ويدور محرك السائر بسرعة متوسطة (200 دورة في الدقيقة) لتوربينات الرياح ذات سرعة الرياح المنخفضة (3 م / ث))

الخطوة 7: النتائج

بالنسبة لهذه التجربة (الرسم البياني الأول) ، استخدمت مؤشر LED للطاقة كحمل. لها جهد أمامي 2.6 فولت. نظرًا لاستقرار التوتر حول 2.6 ، قمت بقياس التيار فقط.

1) مزود الطاقة عند 5.6 فولت (الخط الأزرق في الرسم البياني 1)

• سرعة المولد 132 دورة في الدقيقة
• أقصى سرعة للمولد 172 دورة في الدقيقة
• طاقة المولد القصوى 67 ميجا واط (26 مللي أمبير × 2.6 فولت)

2) مصدر الطاقة عند 4 فولت (الخط الأحمر على الرسم البياني 1)

• الحد الأدنى لسرعة المولد 91 دورة في الدقيقة
• سرعة المولد القصوى 102 دورة في الدقيقة
• قوة المولد القصوى 23 ميجا واط (9 مللي أمبير × 2.6 فولت)

في التجربة الأخيرة (الرسم البياني الثاني) ، يتم حساب الطاقة مباشرة بواسطة وحدة التحكم. في هذه الحالة ، تم استخدام بطارية 3.7 فولت كحمولة.

قوة المولد القصوى 44 ميجا واط

الخطوة الثامنة: المناقشة

يعطي الرسم البياني الأول فكرة عن القوة التي يمكن أن نتوقعها من هذا الإعداد.

يوضح الرسم البياني الثاني وجود بعض الحدود القصوى المحلية. هذه مشكلة للجهة التنظيمية لأنها تتعثر في الحدود القصوى للسكان المحليين. يرجع عدم الخطية إلى الانتقال بين توصيل الحث المستمر والمتوقف. الشيء الجيد هو أنه يحدث دائمًا لنفس دورة العمل (لا تعتمد على سرعة المولد). لتجنب توقف وحدة التحكم في الحد الأقصى المحلي ، أقوم ببساطة بتقييد نطاق دورة العمل بـ [0.45 0.8].

يظهر الرسم البياني الثاني بحد أقصى 0.044 واط. حيث كان الحمل عبارة عن بطارية ليثيوم أحادية الخلية بقوة 3.7 فولت. هذا يعني أن تيار الشحن هو 12 مللي أمبير. (أنا = P / U). بهذه السرعة يمكنني شحن 500 مللي أمبير في الساعة في 42 ساعة أو استخدامها لتشغيل وحدة تحكم صغيرة مدمجة (على سبيل المثال Attiny لوحدة التحكم MPPT). نأمل أن تهب الرياح أقوى.

إليك أيضًا بعض المشكلات التي لاحظتها في هذا الإعداد:

• لا يتم التحكم في البطارية الزائدة عن الجهد (توجد دائرة حماية في البطارية)
• ينتج محرك السائر مخرجات صاخبة ، لذا أحتاج إلى حساب متوسط القياس على مدى فترة طويلة تبلغ 0.6 ثانية.

أخيرًا قررت إجراء تجربة أخرى باستخدام BLDC. نظرًا لأن BLDCs لها طوبولوجيا أخرى ، فقد اضطررت إلى تصميم لوحة جديدة. سيتم استخدام النتائج التي تم الحصول عليها في الرسم البياني الأول لمقارنة المولدين ، لكنني سأشرح كل شيء قريبًا في تعليمات أخرى.