Rastreador de Ponto de Potência Máxima para Pequenas Turbinas Eólicas: 8 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Existem muitas turbinas eólicas DIY na Internet, mas muito poucas explicam claramente o resultado que obtêm em termos de potência ou energia. Além disso, muitas vezes há uma confusão entre potência, tensão e corrente. Muito tempo as pessoas falam: "Eu medi essa tensão no gerador!" Agradável! Mas isso não significa que você pode consumir corrente e ter energia (Potência = tensão x corrente). Há também muitos controladores MPPT (Maximum Power Point Tracker) feitos em casa para aplicação solar, mas nem tanto para aplicação eólica. Fiz este projeto para remediar esta situação.

Eu projetei um controlador de carga MPPT de baixa potência (<1W) para baterias de polímero de íon de lítio 3,7 V (célula única). Comecei com algo pequeno porque gostaria de comparar diferentes designs de turbinas eólicas impressas em 3D e o tamanho dessas turbinas não deve produzir muito mais do que 1W. O objetivo final é fornecer uma estação autônoma ou qualquer sistema fora da rede.

Para testar o controlador, construí uma configuração com um pequeno motor CC acoplado a um motor de passo (NEMA 17). O motor de passo é usado como gerador e o motor DC permite simular o vento empurrando as pás da turbina. Na próxima etapa, explicarei o problema e resumirei alguns conceitos importantes, portanto, se você estiver interessado apenas em fazer o quadro, pule para a etapa 3.

Etapa 1: o problema

Queremos pegar a energia cinética do vento, transformá-la em eletricidade e armazenar essa eletricidade em uma bateria. O problema é que o vento flutua, então a quantidade de energia disponível também flutua. Além disso, a tensão do gerador depende de sua velocidade, mas a tensão da bateria é constante. Como podemos resolver isso?

Precisamos regular a corrente do gerador porque a corrente é proporcional ao torque de frenagem. De fato, há um paralelo entre o mundo mecânico (Potência mecânica = Torque x Velocidade) e o mundo elétrico (Potência elétrica = Corrente x Tensão) (cf. gráfico). Os detalhes sobre a eletrônica serão discutidos posteriormente.

Onde está o máximo de potência? Para uma dada velocidade do vento, se deixarmos a turbina girar livremente (sem torque de frenagem), sua velocidade será máxima (e a tensão também), mas não temos corrente, então a potência é nula. Por outro lado, se maximizarmos a corrente extraída, é provável que freamos demais a turbina e que a velocidade aerodinâmica ideal não seja atingida. Entre esses dois extremos existe um ponto onde o produto do torque pela velocidade é máximo. É isso que procuramos!

Agora existem diferentes abordagens: por exemplo, se você conhece todas as equações e parâmetros que descrevem o sistema, você provavelmente pode calcular o melhor ciclo de trabalho para uma determinada velocidade do vento e velocidade da turbina. Ou, se você não souber de nada, pode dizer ao controlador: Mude um pouco o ciclo de trabalho e calcule a potência. Se for maior, significa que nos movemos na direção certa, então continue nessa direção. Se for mais baixo, basta mover o ciclo de trabalho na direção oposta.

Etapa 2: a solução

Primeiro precisamos retificar a saída do gerador com uma ponte de diodo e então regular a corrente injetada na bateria com um conversor boost. Outros sistemas usam um conversor buck ou um buck boost, mas como eu tenho uma turbina de baixa potência, presumo que a tensão da bateria é sempre maior do que a saída do gerador. Para regular a corrente, precisamos alterar o ciclo de trabalho (Ton / (Ton + Toff)) do conversor boost.

As peças do lado direito do esquema mostram um amplificador (AD8603) com uma entrada de diferença para medir a tensão em R2. O resultado é usado para deduzir a carga atual.

Os grandes capacitores que vemos na primeira imagem são um experimento: girei meu circuito em um dobrador de tensão Delon. As conclusões são boas, então se mais tensão for necessária, basta adicionar capacitores para fazer a transformação.

Etapa 3: Ferramentas e material

Ferramentas

• Arduino ou programador AVR
• Multímetro
• Máquina de fresagem ou gravação química (para prototipagem de PCB por você mesmo)
• Ferro de soldar, fluxo, fio de solda
• Pinças

Material

• Placa de cobre de lado único de baquelite (mínimo de 60 * 35 mm)
• Microcontrolador Attiny45
• Amplificador operacional AD8605
• Indutor 100uF
• 1 diodo Schottky CBM1100
• 8 diodo Schottky BAT46
• Transistores e capacitores (tamanho 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Etapa 4: Fazendo o PCB

Eu mostro meu método de prototipagem, mas é claro se você não pode fazer PCBs em casa, pode encomendá-lo em sua fábrica favorita.

Usei um ProxxonMF70 convertido em CNC e uma fresa triangular. Para gerar o G-Code, uso um plugin para o Eagle.

Em seguida, os componentes são soldados, começando pelos menores.

Você pode observar que faltam algumas conexões, é aqui que faço saltos com as mãos. Eu soldo pernas curvas do resistor (cf. imagem).

Etapa 5: Programação do microcontrolador

Eu uso um Arduino (Adafruit pro-trinket e cabo USB FTDI) para programar o microcontrolador Attiny45. Baixe os arquivos para o seu computador, conecte os pinos do controlador:

1. para arduino pino 11
2. para arduino pino 12
3. para arduino pino 13 (para controlador Vin (sensor de tensão) quando não estiver programando)
4. para arduino pino 10
5. para arduino pino 5V
6. para arduino pino G

Em seguida, carregue o código no controlador.

Etapa 6: a configuração do teste

Fiz esta configuração (cf. imagem) para testar meu controlador. Agora posso selecionar uma velocidade e ver como o controlador reage. Também posso estimar quanta energia é fornecida multiplicando U e I mostrado na tela da fonte de alimentação. Embora o motor não se comporte exatamente como uma turbina eólica, considero que essa aproximação não é tão ruim. De fato, como a turbina eólica, quando você quebra o motor, ela desacelera e quando você o deixa girar livremente, ela atinge a velocidade máxima. (a curva torque-velocidade é uma linha reta para um motor DC e uma espécie de parábola para turbinas eólicas)

Calculei uma caixa de redução (16: 1) para que o pequeno motor DC girasse em sua velocidade mais eficiente e o motor de passo girasse a uma velocidade média (200 rpm) para uma turbina eólica com baixa velocidade do vento (3 m / s)

Etapa 7: Resultados

Para este experimento (primeiro gráfico), usei um LED de energia como uma carga. Ele tem uma tensão direta de 2,6 volts. Como a tensão está estabilizada em torno de 2,6, medi apenas a corrente.

1) Fonte de alimentação em 5,6 V (linha azul no gráfico 1)

• velocidade mínima do gerador 132 rpm
• velocidade máxima do gerador 172 rpm
• potência máxima do gerador 67mW (26 mA x 2,6 V)

2) Fonte de alimentação em 4 V (linha vermelha no gráfico 1)

• velocidade mínima do gerador 91 rpm
• velocidade máxima do gerador 102 rpm
• potência máxima do gerador 23mW (9 mA x 2,6 V)

No último experimento (segundo gráfico), a potência é calculada diretamente pelo controlador. Neste caso, uma bateria li-po de 3,7 V foi usada como carga.

potência máxima do gerador 44mW

Etapa 8: Discussão

O primeiro gráfico dá uma ideia do poder que podemos esperar dessa configuração.

O segundo gráfico mostra que existem alguns máximos locais. Isso é um problema para o regulador porque ele fica preso nesses máximos locais. A não linearidade se deve à transição entre continuar e descontinuar a condução do indutor. O bom é que isso acontece sempre para o mesmo ciclo de trabalho (não depende da velocidade do gerador). Para evitar que o controlador fique preso em um máximo local, eu simplesmente restrinjo a faixa do ciclo de trabalho a [0,45 0,8].

O segundo gráfico mostra um máximo de 0,044 watts. Já a carga era de uma bateria li-po de célula única de 3,7 volts. Isso significa que a corrente de carga é de 12 mA. (I = P / U). Nessa velocidade, posso carregar um 500mAh em 42 horas ou usá-lo para executar um microcontrolador embutido (por exemplo, o Attiny para o controlador MPPT). Esperançosamente, o vento vai soprar mais forte.

Também aqui estão alguns problemas que notei com esta configuração:

• A sobretensão da bateria não é controlada (há um circuito de proteção na bateria)
• O motor de passo tem uma saída ruidosa, então preciso calcular a média da medição por um longo período de 0,6 seg.

Finalmente decidi fazer outro experimento com um BLDC. Como os BLDCs têm outra topologia, tive que projetar uma nova placa. Os resultados obtidos no primeiro gráfico serão usados para comparar os dois geradores, mas explicarei tudo em breve em outros instructables.