Inseguitore del punto di massima potenza per piccole turbine eoliche: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ci sono tantissime turbine eoliche fai da te su internet ma pochissime spiegano chiaramente il risultato che ottengono in termini di potenza o energia. Inoltre spesso si fa confusione tra potenza, tensione e corrente. Molte volte la gente dice: "Ho misurato questa tensione sul generatore!" Simpatico! Ma ciò non significa che puoi assorbire corrente e avere potenza (Potenza = tensione x corrente). Ci sono anche molti controller MPPT (Maximum Power Point Tracker) fatti in casa per l'applicazione solare, ma non tanto per l'applicazione eolica. Ho fatto questo progetto per rimediare a questa situazione.

Ho progettato un controller di carica MPPT a bassa potenza (< 1 W) per batterie ai polimeri di ioni di litio da 3,7 V (cella singola). Ho iniziato con qualcosa di piccolo perché vorrei confrontare diversi design di turbine eoliche stampate in 3D e le dimensioni di queste turbine non dovrebbero produrre molto più di 1 W. L'obiettivo finale è fornire una stazione autonoma o qualsiasi sistema off grid.

Per testare il controller ho costruito un setup con un piccolo motore DC accoppiato a un motore passo-passo (NEMA 17). Il motore passo passo viene utilizzato come generatore e il motore in corrente continua mi permette di simulare il vento che spinge le pale della turbina. Nel passaggio successivo spiegherò il problema e riassumerò alcuni concetti importanti, quindi se sei interessato solo a creare la lavagna, passa al passaggio 3.

Passaggio 1: il problema

Vogliamo prendere l'energia cinetica dal vento, trasformarla in elettricità e immagazzinare quell'elettricità in una batteria. Il problema è che il vento fluttua e quindi anche la quantità di energia disponibile. Inoltre la tensione del generatore dipende dalla sua velocità ma la tensione della batteria è costante. Come possiamo risolverlo?

Dobbiamo regolare la corrente del generatore perché la corrente è proporzionale alla coppia frenante. Esiste infatti un parallelismo tra il mondo meccanico (Potenza meccanica = Coppia x Velocità) e il mondo elettrico (Potenza elettrica = Corrente x Tensione) (cfr. grafico). I dettagli sull'elettronica verranno discussi in seguito.

Dov'è il massimo della potenza? Per una data velocità del vento, se lasciamo che la turbina giri liberamente (nessuna coppia frenante), la sua velocità sarà massima (e anche la tensione) ma non abbiamo corrente quindi la potenza è nulla. D'altra parte se massimizziamo la corrente assorbita, è probabile che freniamo troppo la turbina e che non si raggiunga la velocità aerodinamica ottimale. Tra questi due estremi c'è un punto in cui il prodotto della coppia per la velocità è massimo. Questo è quello che stiamo cercando!

Ora ci sono diversi approcci: ad esempio, se conosci tutte le equazioni e i parametri che descrivono il sistema, probabilmente puoi calcolare il miglior ciclo di lavoro per una certa velocità del vento e una certa velocità della turbina. Oppure, se non sai nulla, puoi dire al controller: Cambia un po' il duty cycle e poi calcola la potenza. Se è più grande significa che ci siamo mossi nella direzione giusta, quindi continua in quella direzione. Se è inferiore basta spostare il duty cycle nella direzione opposta.

Passaggio 2: la soluzione

Per prima cosa dobbiamo rettificare l'uscita del generatore con un ponte a diodi e poi regolare la corrente iniettata nella batteria con un convertitore boost. Altri sistemi utilizzano un convertitore buck o buck boost, ma poiché ho una turbina a bassa potenza presumo che la tensione della batteria sia sempre maggiore dell'uscita del generatore. Per regolare la corrente dobbiamo modificare il duty cycle (Ton / (Ton+Toff)) del convertitore boost.

Le parti sul lato destro degli schemi mostrano un amplificatore (AD8603) con un ingresso differenza per misurare la tensione su R2. Il risultato viene utilizzato per dedurre il carico corrente.

I grandi condensatori che vediamo nella prima immagine sono un esperimento: ho trasformato il mio circuito in un duplicatore di tensione Delon. Le conclusioni sono buone, quindi se è necessaria più tensione, basta aggiungere condensatori per effettuare la trasformazione.

Passaggio 3: strumenti e materiale

Utensili

• Programmatore Arduino o AVR
• Multimetro
• Fresatrice o incisione chimica (per la prototipazione PCB da soli)
• Saldatore, flusso, filo di saldatura
• pinzette

Materiale

• Piastra in rame su un lato in bachelite (minimo 60*35 mm)
• Microcontrollore Attiny45
• Amplificatore operazionale AD8605
• Induttore 100uF
• 1 diodo Schottky CBM1100
• 8 Diodi Schottky BAT46
• Transistor e condensatori (taglia 0603) (cfr. BillOfMaterial.txt)

Passaggio 4: realizzare il PCB

Ti mostro il mio metodo per la prototipazione ma ovviamente se non puoi realizzare PCB a casa puoi ordinarlo alla tua fabbrica preferita.

Ho usato un ProxxonMF70 convertito in CNC e una fresa triangolare. Per generare il G-Code utilizzo un plugin per Eagle.

Quindi i componenti vengono saldati a partire dal più piccolo.

Puoi osservare che mancano alcune connessioni, è qui che faccio i salti a mano. Ho saldato i piedini dei resistori curvi (vedi immagine).

Passaggio 5: programmazione del microcontrollore

Uso un Arduino (Adafruit pro-trinket e cavo USB FTDI) per programmare il microcontrollore Attiny45. Scarica i file sul tuo computer, collega i pin del controller:

1. al pin arduino 11
2. al pin arduino 12
3. al pin 13 di arduino (al controller Vin (sensore di tensione) quando non si programma)
4. al pin arduino 10
5. al pin arduino 5V
6. per arduino pin G

Quindi caricare il codice sul controller.

Passaggio 6: la configurazione del test

Ho fatto questa configurazione (vedi immagine) per testare il mio controller. Ora sono in grado di selezionare una velocità e vedere come reagisce il controller. Inoltre posso stimare quanta potenza viene erogata moltiplicando U e ho mostrato sullo schermo dell'alimentatore. Sebbene il motore non si comporti esattamente come una turbina eolica, ritengo che questa approssimazione non sia poi così male. Infatti, come la turbina eolica, quando si rompe il motore, rallenta e quando lo si lascia girare liberamente, raggiunge una velocità massima. (la curva coppia-velocità è una retta per un motore in corrente continua e una sorta di parabola per le turbine eoliche)

Ho calcolato un riduttore (16:1) in modo da far girare il motorino in corrente continua alla velocità più efficiente e il motore passo-passo a velocità media (200 giri/min) per una turbina eolica a bassa velocità del vento (3 m/s)

Passaggio 7: risultati

Per questo esperimento (primo grafico), ho usato un LED di alimentazione come carico. Ha una tensione diretta di 2,6 volt. Poiché la tensione si è stabilizzata intorno a 2,6, ho misurato solo la corrente.

1) Alimentazione a 5,6 V (linea blu nel grafico 1)

• velocità minima del generatore 132 giri/min
• velocità massima del generatore 172 giri/min
• potenza massima del generatore 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Alimentazione a 4 V (linea rossa sul grafico 1)

• velocità minima del generatore 91 giri/min
• velocità massima del generatore 102 rpm
• potenza massima del generatore 23 mW (9 mA x 2,6 V)

Nell'ultimo esperimento (secondo grafico), la potenza è calcolata direttamente dal controller. In questo caso è stata utilizzata come carica una batteria Li-Po da 3,7 V.

potenza massima del generatore 44mW

Passaggio 8: discussione

Il primo grafico dà un'idea della potenza che possiamo aspettarci da questa configurazione.

Il secondo grafico mostra che ci sono alcuni massimi locali. Questo è un problema per il regolatore perché si blocca in questi massimi locali. La non linearità è dovuta alla transizione tra la conduzione continua e quella interrotta dell'induttore. La cosa buona è che succede sempre per lo stesso duty cycle (non dipende dalla velocità del generatore). Per evitare che il controller rimanga bloccato in un massimo locale, limito semplicemente l'intervallo del ciclo di lavoro a [0,45 0,8].

Il secondo grafico mostra un massimo di 0,044 watt. Poiché il carico era una batteria Li-Po a cella singola da 3,7 volt. Ciò significa che la corrente di carica è di 12 mA. (I=P/U). A questa velocità posso caricare un 500 mAh in 42 ore o utilizzarlo per eseguire un microcontrollore incorporato (ad esempio l'Attiny per il controller MPPT). Speriamo che il vento soffi più forte.

Anche qui ci sono alcuni problemi che ho notato con questa configurazione:

• La sovratensione della batteria non è controllata (c'è un circuito di protezione nella batteria)
• Il motore passo-passo ha un'uscita rumorosa, quindi ho bisogno di fare la media della misurazione su un lungo periodo di 0,6 sec.

Alla fine ho deciso di fare un altro esperimento con un BLDC. Poiché i BLDC hanno un'altra topologia, ho dovuto progettare una nuova scheda. I risultati ottenuti nel primo grafico verranno utilizzati per confrontare i due generatori ma spiegherò tutto presto in un altro tutorial.