მცირე ქარის ტურბინების მაქსიმალური სიმძლავრის წერტილის მაძიებელი: 8 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

ინტერნეტში ბევრი წვრილმანი ქარის ტურბინაა, მაგრამ ძალიან ცოტა მათგანი ნათლად ხსნის მათ მიერ მიღებულ შედეგს ენერგიისა და ენერგიის თვალსაზრისით. ასევე ხშირად ხდება დაბნეულობა ძალას, დაძაბულობასა და დენს შორის. ბევრ დროს ხალხი ამბობს: "მე გავზომე ეს დაძაბულობა გენერატორზე!" სასიამოვნოა! მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ თქვენ შეგიძლიათ დახაზოთ დენი და გქონდეთ ძალა (სიმძლავრე = დაძაბულობა x დენი). ასევე არსებობს მრავალი სახლში დამზადებული MPPT (მაქსიმალური სიმძლავრის წერტილის მაძიებელი) კონტროლერი მზის გამოყენებისთვის, მაგრამ არა იმდენად ქარის გამოყენებისთვის. მე გავაკეთე ეს პროექტი სიტუაციის გამოსასწორებლად.

მე შევქმენი დაბალი სიმძლავრის (<1W) MPPT დატენვის კონტროლერი 3.7V (ერთუჯრედიანი) ლითიუმ -იონ პოლიმერული ბატარეებისთვის. მე დავიწყე რაღაც პატარა რამით, რადგან მინდა შევადარო ქარის ტურბინის 3D დიზაინით დაბეჭდილი განსხვავებული დიზაინი და ამ ტურბინების ზომა არ უნდა აწარმოებდეს 1 ვტ -ზე მეტს. საბოლოო მიზანი არის დამოუკიდებელი სადგურის ან ნებისმიერი ქსელის სისტემის მიწოდება.

კონტროლერის შესამოწმებლად მე შევქმენი კონფიგურაცია მცირე DC ძრავით, რომელიც დაკავშირებულია სტეპერ ძრავასთან (NEMA 17). სტეპერიანი ძრავა გამოიყენება როგორც გენერატორი და DC ძრავა საშუალებას მაძლევს სიმულაცია გავუკეთო ქარს, რომელიც უბიძგებს ტურბინის პირებს. მომდევნო ეტაპზე მე ავხსნი პრობლემას და შევაჯამებ რამდენიმე მნიშვნელოვან კონცეფციას, ასე რომ, თუ თქვენ უბრალოდ დაინტერესებული ხართ დაფის დამზადებით, გადადით მე –3 საფეხურზე.

ნაბიჯი 1: პრობლემა

ჩვენ გვსურს ავიღოთ ქინეტიკური ენერგია ქარიდან, გადავიყვანოთ იგი ელექტროენერგიად და ეს ელექტროენერგია შევინახოთ ბატარეაში. პრობლემა ის არის, რომ ქარი ცვალებადია, ამიტომ ენერგიის არსებული რაოდენობაც იცვლება. უფრო მეტიც, გენერატორის დაძაბულობა დამოკიდებულია მის სიჩქარეზე, მაგრამ ბატარეის დაძაბულობა მუდმივია. როგორ შეგვიძლია ამის გადაჭრა?

ჩვენ უნდა დავარეგულიროთ გენერატორის დენი, რადგან დენი პროპორციულია სამუხრუჭე ბრუნვისა. მართლაც არსებობს პარალელი მექანიკურ სამყაროს შორის (მექანიკური სიმძლავრე = ბრუნვის მომენტი x სიჩქარე) და ელექტრული სამყარო (ელექტროენერგია = დენი x დაძაბულობა) შორის (შდრ. გრაფიკი). ელექტრონიკის შესახებ დეტალები მოგვიანებით იქნება განხილული.

სად არის მაქსიმალური ძალა? ქარის მოცემული სიჩქარისთვის, თუ ჩვენ დავუშვებთ ტურბინას ტრიალებს თავისუფლად (სამუხრუჭე ბრუნვის გარეშე), მისი სიჩქარე იქნება მაქსიმალური (და ძაბვაც), მაგრამ ჩვენ არ გვაქვს დენი, ასე რომ სიმძლავრე ნულოვანია. მეორეს მხრივ, თუ ჩვენ მაქსიმალურად გავამახვილებთ გამოყვანილ დენს, სავარაუდოა, რომ ჩვენ ძალიან ვამუხრუჭებთ ტურბინს და რომ ოპტიმალური აეროდინამიკური სიჩქარე არ არის მიღწეული. ამ ორ ექსტრემს შორის არის წერტილი, როდესაც ბრუნვის პროდუქტი სიჩქარით არის მაქსიმალური. ეს არის ის, რასაც ჩვენ ვეძებთ!

ახლა არსებობს სხვადასხვა მიდგომა: მაგალითად, თუ თქვენ იცით ყველა განტოლება და პარამეტრი, რომელიც აღწერს სისტემას, თქვენ ალბათ გამოთვლით საუკეთესო მოვალეობის ციკლს ქარის გარკვეული სიჩქარისა და ტურბინის სიჩქარისთვის. ან, თუ არაფერი იცით, შეგიძლიათ უთხრათ კონტროლერს: ცოტათი შეცვალეთ სამუშაო ციკლი და გამოთვალეთ სიმძლავრე. თუ ის უფრო დიდია, ეს ნიშნავს, რომ ჩვენ გადავედით კარგი მიმართულებით, ასე რომ გააგრძელეთ ამ მიმართულებით. თუ ის უფრო დაბალია, უბრალოდ გადაადგილეთ სამუშაო ციკლი საპირისპირო მიმართულებით.

ნაბიჯი 2: გამოსავალი

ჯერ ჩვენ გვჭირდება დიოდური ხიდით გენერატორის გამომუშავების გასწორება და შემდეგ ბატარეაში ინექციური დენის რეგულირება გამაძლიერებელი კონვერტორით. სხვა სისტემები იყენებენ მამლის ან ბუკის გამაძლიერებელს, მაგრამ რადგან მე მაქვს დაბალი სიმძლავრის ტურბინა, მე ვთვლი, რომ ბატარეის ძაბვა ყოველთვის უფრო დიდია ვიდრე გენერატორის გამომუშავება. დენის რეგულირებისთვის ჩვენ უნდა შევცვალოთ გამაძლიერებელი გადამყვანის სამუშაო ციკლი (ტონი / (ტონი+ტოფი)).

სქემის მარჯვენა ნაწილში ნაჩვენებია გამაძლიერებელი (AD8603) განსხვავების შეყვანისას R2- ზე დაძაბულობის გასაზომად. შედეგი გამოიყენება მიმდინარე დატვირთვის გამოსათვლელად.

დიდი კონდენსატორები, რომლებსაც ჩვენ ვხედავთ პირველ სურათზე, არის ექსპერიმენტი: მე ჩართე ჩემი წრე დელონის ძაბვის ორჯერ. დასკვნები კარგია, ასე რომ, თუ საჭიროა მეტი ძაბვა, უბრალოდ დაამატეთ კონდენსატორები გარდაქმნის მიზნით.

ნაბიჯი 3: ინსტრუმენტები და მასალა

ინსტრუმენტები

• Arduino ან AVR პროგრამისტი
• მულტიმეტრი
• საფქვავი მანქანა ან ქიმიური გრავირება (PCB- ს პროტოტიპისთვის საკუთარი ხელით)
• Soldering რკინის, ნაკადი, soldering მავთულები
• პინცეტი

მასალა

• ბაკელიტის ცალმხრივი სპილენძის ფირფიტა (მინიმუმ 60*35 მმ)
• მიკროკონტროლი Attiny45
• საოპერაციო გამაძლიერებელი AD8605
• ინდუქტორი 100uF
• 1 შოთკის დიოდი CBM1100
• 8 შოთკის დიოდი BAT46
• ტრანზისტორები და კონდენსატორები (ზომა 0603) (შდრ. BillOfMaterial.txt)

ნაბიჯი 4: PCB- ის დამზადება

მე გაჩვენებთ პროტოტიპების ჩემს მეთოდს, მაგრამ რა თქმა უნდა, თუ თქვენ არ შეძლებთ PCB– ების დამზადებას სახლში, შეგიძლიათ შეუკვეთოთ იგი თქვენს საყვარელ ქარხანაში.

მე გამოვიყენე ProxxonMF70 გადაკეთებული CNC და სამკუთხა ბოლო წისქვილზე. G- კოდის შესაქმნელად ვიყენებ არწივის მოდულს.

შემდეგ კომპონენტები გაერთიანებულია დაწყებული პატარათი.

თქვენ შეგიძლიათ შეამჩნიოთ, რომ ზოგიერთი კავშირი აკლია, ეს არის ადგილი, სადაც ხელით ვხტები. შევაკარი მოსახვევი რეზისტორის ფეხები (შდრ. სურათი).

ნაბიჯი 5: მიკროკონტროლერის პროგრამირება

მე ვიყენებ Arduino- ს (Adafruit pro-trinket და FTDI USB კაბელი) Attiny45 მიკროკონტროლერის დასაპროგრამებლად. ჩამოტვირთეთ ფაილები თქვენს კომპიუტერში, დააკავშირეთ კონტროლერის ქინძისთავები:

1. არდუინოს პინზე 11
2. არდუინოს პინზე 12
3. arduino pin 13 -მდე (Vin კონტროლერთან (ძაბვის სენსორი), როდესაც არ არის პროგრამირებული)
4. არდუინოს პინ 10
5. არდუინოს pin 5V- მდე
6. to arduino pin G

შემდეგ ჩატვირთეთ კოდი კონტროლერზე.

ნაბიჯი 6: ტესტირების დაყენება

მე გავაკეთე ეს კონფიგურაცია (იხ. სურათი) ჩემი კონტროლერის შესამოწმებლად. მე ახლა შემიძლია ავირჩიო სიჩქარე და ვნახო როგორ რეაგირებს კონტროლერი. ასევე შემიძლია შევაფასო რამდენი ენერგია მიეწოდება U გამრავლებით და მე გამოჩნდა კვების ბლოკის ეკრანზე. მიუხედავად იმისა, რომ ძრავა არ იქცევა ზუსტად ისე, როგორც ქარის ტურბინა, მე მიმაჩნია, რომ ეს მიახლოება არც ისე ცუდია. მართლაც, როგორც ქარის ტურბინა, როდესაც ძრავას არღვევ, ის შენელდება და როცა თავისუფლად ატრიალებ, ის აღწევს მაქსიმალურ სიჩქარეს. (ბრუნვის სიჩქარის მრუდი არის DC ძრავის სრუტე და ერთგვარი პარაბოლა ქარის ტურბინებისთვის)

მე გამოვთვალე შემცირების გადაცემათა კოლოფი (16: 1), რათა მცირე DC ძრავა ტრიალებდეს მის ყველაზე ეფექტურ სიჩქარეზე და სტეპერიანი ძრავა ტრიალებს საშუალო სიჩქარით (200 rpm) ქარის ტურბინაზე დაბალი ქარის სიჩქარით (3 მ/წმ))

ნაბიჯი 7: შედეგები

ამ ექსპერიმენტისთვის (პირველი გრაფიკი), მე გამოვიყენე დენის LED როგორც დატვირთვა. მას აქვს წინა ძაბვა 2.6 ვოლტი. დაძაბულობის სტაბილიზაციით დაახლოებით 2.6, მე გავზომე მხოლოდ დენი.

1) ელექტროენერგიის მიწოდება 5.6 V (ლურჯი ხაზი გრაფიკზე 1)

• გენერატორი მინიმალური სიჩქარე 132 rpm
• გენერატორის მაქსიმალური სიჩქარე 172 rpm
• გენერატორის მაქსიმალური სიმძლავრე 67mW (26 mA x 2.6 V)

2) კვების წყარო 4 V (წითელი ხაზი გრაფიკზე 1)

• გენერატორი მინიმალური სიჩქარე 91 rpm
• გენერატორის მაქსიმალური სიჩქარე 102 rpm
• გენერატორის მაქსიმალური სიმძლავრე 23mW (9 mA x 2.6V)

ბოლო ექსპერიმენტში (მეორე გრაფიკი), ძალა პირდაპირ გამოითვლება კონტროლერის მიერ. ამ შემთხვევაში 3.7 V li-po ბატარეა გამოიყენება როგორც დატვირთვა.

გენერატორის მაქსიმალური სიმძლავრე 44 მგვტ

ნაბიჯი 8: დისკუსია

პირველი გრაფიკი იძლევა წარმოდგენას იმაზე, თუ რა სიმძლავრეს შეიძლება ველოდოთ ამ დაყენებიდან.

მეორე გრაფიკი გვიჩვენებს, რომ არსებობს ადგილობრივი მაქსიმუმი. ეს პრობლემაა მარეგულირებლისთვის, რადგან ის მაქსიმალურად იჭედება ამ ადგილობრივ მოსახლეობაში. არაწრფივობა განპირობებულია გადასვლის გაგრძელებასა და შეწყვეტას ინდუქტორის გამტარობას შორის. კარგი ის არის, რომ ეს ხდება ყოველთვის ერთი და იგივე სამუშაო ციკლისთვის (ეს არ არის დამოკიდებული გენერატორის სიჩქარეზე). კონტროლერის ლოკალურ მაქსიმუმში ჩარჩენის თავიდან ასაცილებლად, მე უბრალოდ ვზღუდავ ციკლის დიაპაზონს [0.45 0.8].

მეორე გრაფიკი აჩვენებს მაქსიმუმ 0.044 ვატს. როგორც დატვირთვა იყო ერთი უჯრედის li-po ბატარეა 3.7 ვოლტი. ეს ნიშნავს, რომ დატენვის დენი არის 12 mA. (I = P/U). ამ სიჩქარით შემიძლია დავატვირთო 500 mAh 42 საათში ან გამოვიყენო ჩამონტაჟებული მიკროკონტროლის გასაშვებად (მაგალითად Attiny for MPPT კონტროლერი). იმედია ქარი უფრო ძლიერად დაუბერავს.

ასევე აქ არის რამოდენიმე პრობლემა, რაც მე შევამჩნიე ამ დაყენებისას:

• ძაბვის გადაჭარბებული ბატარეა არ კონტროლდება (ბატარეაში არის დაცვის წრე)
• სტეპერ ძრავას აქვს ხმაურიანი გამოსავალი, ასე რომ, მე უნდა გავზომო საშუალო გაზომვა დიდი ხნის განმავლობაში 0.6 წმ.

საბოლოოდ გადავწყვიტე კიდევ ერთი ექსპერიმენტის გაკეთება BLDC– ით. რადგან BLDC– ებს აქვთ სხვა ტოპოლოგია, მე მომიწია ახალი დაფის შემუშავება. პირველ დიაგრამაში მიღებული შედეგები გამოყენებული იქნება ორი გენერატორის შესადარებლად, მაგრამ მე ყველაფერს მალე ავხსნი სხვა ინსტრუქციებში.