Pelacak Titik Daya Maksimum untuk Turbin Angin Kecil: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Ada banyak turbin angin DIY di internet tetapi sangat sedikit yang menjelaskan dengan jelas hasil yang mereka peroleh dalam hal daya atau energi. Juga sering terjadi kebingungan antara daya, tegangan dan arus. Banyak waktu, orang berkata: "Saya mengukur tegangan ini pada generator!" Bagus! Tetapi itu tidak berarti bahwa Anda dapat menarik arus dan memiliki daya (Daya = tegangan x arus). Ada juga banyak pengontrol MPPT (Maximum Power Point Tracker) buatan rumah untuk aplikasi surya tetapi tidak begitu banyak untuk aplikasi angin. Saya melakukan proyek ini untuk memperbaiki situasi ini.

Saya merancang pengontrol muatan MPPT berdaya rendah (<1W) untuk baterai Lithium Ion Polymer 3.7V (sel tunggal). Saya mulai dengan sesuatu yang kecil karena saya ingin membandingkan desain turbin angin cetak 3D yang berbeda dan ukuran turbin ini tidak boleh menghasilkan lebih dari 1W. Tujuan akhirnya adalah untuk memasok stasiun yang berdiri sendiri atau sistem off grid.

Untuk menguji pengontrol, saya membuat pengaturan dengan motor DC kecil yang digabungkan ke motor stepper (NEMA 17). Motor stepper digunakan sebagai generator dan motor DC memungkinkan saya untuk mensimulasikan angin yang mendorong bilah turbin. Pada langkah selanjutnya saya akan menjelaskan masalah dan merangkum beberapa konsep penting jadi jika Anda hanya tertarik dengan membuat papan, lompat ke langkah 3.

Langkah 1: Masalahnya

Kami ingin mengambil energi kinetik dari angin, mengubahnya menjadi listrik dan menyimpan listrik itu dalam baterai. Masalahnya adalah angin berfluktuasi sehingga jumlah energi yang tersedia juga berfluktuasi. Selain itu tegangan generator tergantung pada kecepatannya tetapi tegangan baterai konstan. Bagaimana kita bisa menyelesaikannya?

Kita perlu mengatur arus generator karena arus sebanding dengan torsi pengereman. Memang ada paralel antara dunia mekanik (Daya mekanik = Torsi x Kecepatan) dan dunia listrik (Daya listrik = Arus x Tegangan) (lihat grafik). Detail tentang elektronik akan dibahas nanti.

Di mana kekuatan maksimum? Untuk kecepatan angin tertentu, jika kita membiarkan turbin berputar bebas (tidak ada torsi pengereman), kecepatannya akan maksimum (dan tegangannya juga) tetapi kita tidak memiliki arus sehingga dayanya nol. Di sisi lain jika kita memaksimalkan arus yang ditarik, kemungkinan kita terlalu banyak mengerem turbin dan kecepatan aerodinamis yang optimal tidak tercapai. Di antara dua ekstrem ini ada titik di mana produk torsi dengan kecepatan maksimum. Inilah yang kami cari!

Sekarang ada pendekatan yang berbeda: Misalnya jika Anda mengetahui semua persamaan dan parameter yang menggambarkan sistem, Anda mungkin dapat menghitung siklus kerja terbaik untuk kecepatan angin dan kecepatan turbin tertentu. Atau, jika Anda tidak tahu apa-apa, Anda dapat mengatakan kepada pengontrol: Ubah sedikit siklus kerja lalu hitung dayanya. Jika lebih besar berarti kita bergerak ke arah yang baik maka teruslah ke arah itu. Jika lebih rendah, gerakkan saja siklus kerja ke arah yang berlawanan.

Langkah 2: Solusinya

Pertama kita perlu memperbaiki output generator dengan jembatan dioda dan kemudian mengatur arus yang disuntikkan ke baterai dengan konverter boost. Sistem lain menggunakan buck atau buck boost converter tetapi karena saya memiliki turbin daya rendah, saya berasumsi bahwa tegangan baterai selalu lebih besar daripada output generator. Untuk mengatur arus kita perlu mengubah siklus kerja (Ton / (Ton+Toff)) dari konverter boost.

Bagian di sisi kanan skema menunjukkan penguat (AD8603) dengan input yang berbeda untuk mengukur tegangan pada R2. Hasilnya digunakan untuk menyimpulkan beban saat ini.

Kapasitor besar yang kita lihat pada gambar pertama adalah percobaan: Saya memutar sirkuit saya dalam pengganda Tegangan Delon. Kesimpulannya bagus jadi jika diperlukan lebih banyak tegangan, tambahkan saja kapasitor untuk melakukan transformasi.

Langkah 3: Alat dan Bahan

Peralatan

• Pemrogram Arduino atau AVR
• Multimeter
• Mesin penggilingan atau etsa kimia (untuk pembuatan prototipe PCB sendiri)
• Besi solder, fluks, kawat solder
• Pinset

Bahan

• Pelat tembaga sisi tunggal Bakelite (minimal 60*35 mm)
• Mikrokontroler Attiny45
• Penguat operasional AD8605
• Induktor 100uF
• 1 dioda Schottky CBM1100
• 8 dioda Schottky BAT46
• Transistor dan Kapasitor (ukuran 0603) (lih. BillOfMaterial.txt)

Langkah 4: Membuat PCB

Saya tunjukkan metode saya untuk membuat prototipe tetapi tentu saja jika Anda tidak dapat membuat PCB di rumah, Anda dapat memesannya ke pabrik favorit Anda.

Saya menggunakan ProxxonMF70 yang diubah menjadi CNC dan pabrik ujung segitiga. Untuk menghasilkan G-Code saya menggunakan plugin untuk Eagle.

Kemudian komponen disolder dimulai dengan yang lebih kecil.

Anda dapat mengamati bahwa beberapa koneksi hilang, di sinilah saya membuat lompatan dengan tangan. Saya menyolder kaki resistor melengkung (lih. gambar).

Langkah 5: Pemrograman Mikrokontroler

Saya menggunakan Arduino (Adafruit pro-pernak-pernik dan kabel USB FTDI) untuk memprogram mikrokontroler Attiny45. Unduh file ke komputer Anda, sambungkan pin pengontrol:

1. ke pin arduino 11
2. ke pin arduino 12
3. ke arduino pin 13 (ke pengontrol Vin (sensor tegangan) saat tidak memprogram)
4. ke pin arduino 10
5. ke pin arduino 5V
6. ke pin arduino G

Kemudian memuat kode pada controller.

Langkah 6: Pengaturan Pengujian

Saya membuat pengaturan ini (lihat gambar) untuk menguji pengontrol saya. Saya sekarang dapat memilih kecepatan dan melihat bagaimana pengontrol bereaksi. Saya juga dapat memperkirakan berapa banyak daya yang diberikan dengan mengalikan U dan saya menunjukkan di layar catu daya. Meskipun motor tidak berperilaku persis seperti turbin angin, saya menganggap bahwa perkiraan ini tidak terlalu buruk. Memang, seperti turbin angin, ketika Anda mematahkan motor, ia melambat dan ketika Anda membiarkannya berputar dengan bebas, ia mencapai kecepatan maksimum. (kurva torsi-kecepatan adalah garis selat untuk motor DC dan semacam parabola untuk turbin angin)

Saya menghitung gearbox reduksi (16:1) agar motor DC kecil berputar pada kecepatan paling efisien dan motor stepper berputar pada kecepatan rata-rata (200 rpm) untuk turbin angin dengan kecepatan angin rendah (3 m/s)

Langkah 7: Hasil

Untuk percobaan ini (grafik pertama), saya menggunakan LED daya sebagai beban. Ini memiliki tegangan maju 2,6 volt. Karena tegangan distabilkan sekitar 2,6, saya hanya mengukur arus.

1) Catu daya pada 5,6 V (garis biru pada grafik 1)

• kecepatan minimum generator 132 rpm
• kecepatan maksimum generator 172 rpm
• generator daya maks 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Catu daya pada 4 V (garis merah pada grafik 1)

• kecepatan minimum generator 91 rpm
• kecepatan maksimum generator 102 rpm
• generator daya maks 23mW (9 mA x 2.6V)

Pada percobaan terakhir (grafik kedua), daya langsung dihitung oleh pengontrol. Dalam hal ini baterai li-po 3,7 V telah digunakan sebagai beban.

generator daya maks 44mW

Langkah 8: Diskusi

Grafik pertama memberikan gambaran tentang kekuatan yang dapat kita harapkan dari pengaturan ini.

Grafik kedua menunjukkan bahwa ada beberapa maksimum lokal. Ini menjadi masalah bagi regulator karena terjebak dalam maksimum lokal ini. Nonlinieritas ini disebabkan oleh transisi antara konduksi induktor lanjutkan dan hentikan. Hal baiknya adalah hal itu selalu terjadi untuk siklus kerja yang sama (tidak tergantung pada kecepatan generator). Untuk menghindari pengontrol macet di maksimum lokal, saya cukup membatasi rentang siklus tugas ke [0,45 0,8].

Grafik kedua menunjukkan maksimum 0,044 watt. Sebagai beban adalah baterai li-po sel tunggal 3,7 volt. Ini berarti arus pengisian adalah 12 mA. (I=P/U). Pada kecepatan ini saya dapat mengisi daya 500mAh dalam 42 jam atau menggunakannya untuk menjalankan mikrokontroler tertanam (misalnya Attiny untuk pengontrol MPPT). Semoga angin bertiup lebih kencang.

Juga berikut adalah beberapa masalah yang saya perhatikan dengan pengaturan ini:

• Baterai over voltage tidak terkontrol (ada sirkuit pelindung di baterai)
• Motor stepper memiliki output yang bising jadi saya perlu mengukur rata-rata dalam jangka waktu yang lama 0,6 detik.

Akhirnya saya memutuskan untuk membuat eksperimen lain dengan BLDC. Karena BLDC memiliki topologi lain, saya harus mendesain papan baru. Hasil yang diperoleh pada grafik pertama akan digunakan untuk membandingkan dua generator tetapi saya akan menjelaskan semuanya segera di instruksi lainnya.