Rastreador de punto de máxima potencia para aerogeneradores pequeños: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hay muchos aerogeneradores de bricolaje en Internet pero muy pocos explican claramente el resultado que obtienen en términos de potencia o energía. Además, a menudo existe una confusión entre poder, tensión y corriente. Muchas veces, la gente dice: "¡Medí esta tensión en el generador!" ¡Bonito! Pero no significa que pueda consumir corriente y tener energía (Potencia = tensión x corriente). También hay muchos controladores MPPT (Maximum Power Point Tracker) hechos en casa para aplicaciones solares, pero no tanto para aplicaciones eólicas. Hice este proyecto para remediar esta situación.

Diseñé un controlador de carga MPPT de baja potencia (<1W) para baterías de polímero de iones de litio de 3,7 V (celda única). Comencé con algo pequeño porque me gustaría comparar diferentes diseños de turbinas eólicas impresas en 3D y el tamaño de estas turbinas no debería producir mucho más de 1W. El objetivo final es suministrar una estación independiente o cualquier sistema fuera de la red.

Para probar el controlador, construí una configuración con un pequeño motor de CC acoplado a un motor paso a paso (NEMA 17). El motor paso a paso se utiliza como generador y el motor de CC me permite simular el viento empujando las palas de la turbina. En el siguiente paso, explicaré el problema y resumiré algunos conceptos importantes, por lo que si solo está interesado en hacer el tablero, salte al paso 3.

Paso 1: el problema

Queremos tomar la energía cinética del viento, transformarla en electricidad y almacenar esa electricidad en una batería. El problema es que el viento fluctúa, por lo que la cantidad de energía disponible también fluctúa. Además, la tensión del generador depende de su velocidad, pero la tensión de la batería es constante. ¿Cómo podemos solucionar eso?

Necesitamos regular la corriente del generador porque la corriente es proporcional al par de frenado. De hecho, existe un paralelo entre el mundo mecánico (potencia mecánica = par x velocidad) y el mundo eléctrico (potencia eléctrica = corriente x tensión) (ver gráfico). Los detalles sobre la electrónica se discutirán más adelante.

¿Dónde está el máximo de poder? Para una determinada velocidad del viento, si dejamos que la turbina gire libremente (sin par de frenado), su velocidad será máxima (y el voltaje también) pero no tenemos corriente por lo que la potencia es nula. Por otro lado, si maximizamos la corriente consumida, es probable que frenemos demasiado la turbina y que no se alcance la velocidad aerodinámica óptima. Entre estos dos extremos hay un punto donde el producto del par por la velocidad es máximo. ¡Esto es lo que estamos buscando!

Ahora hay diferentes enfoques: por ejemplo, si conoce todas las ecuaciones y parámetros que describen el sistema, probablemente pueda calcular el mejor ciclo de trabajo para una determinada velocidad del viento y la velocidad de la turbina. O, si no sabe nada, puede decirle al controlador: Cambie un poco el ciclo de trabajo y luego calcule la potencia. Si es más grande, significa que nos movimos en la buena dirección, así que sigue en esa dirección. Si es más bajo, simplemente mueva el ciclo de trabajo en la dirección opuesta.

Paso 2: la solución

Primero necesitamos rectificar la salida del generador con un puente de diodos y luego regular la corriente inyectada en la batería con un convertidor elevador. Otros sistemas usan un convertidor reductor o reductor, pero como tengo una turbina de baja potencia, asumo que el voltaje de la batería es siempre mayor que la salida del generador. Para regular la corriente necesitamos cambiar el ciclo de trabajo (Ton / (Ton + Toff)) del convertidor elevador.

Las partes del lado derecho de los esquemas muestran un amplificador (AD8603) con una entrada de diferencia para medir la tensión en R2. El resultado se utiliza para deducir la carga actual.

Los grandes condensadores que vemos en la primera imagen son un experimento: convertí mi circuito en un duplicador de voltaje Delon. Las conclusiones son buenas, por lo que si se necesita más voltaje, simplemente agregue condensadores para realizar la transformación.

Paso 3: Herramientas y material

Instrumentos

• Programador Arduino o AVR
• Multimetro
• Fresadora o grabado químico (para prototipos de PCB por su cuenta)
• Soldador, fundente, alambre de soldar
• Pinzas

Material

• Placa de cobre de un solo lado de baquelita (60 * 35 mm mínimo)
• Microcontrolador Attiny45
• Amplificador operacional AD8605
• Inductor 100uF
• 1 diodo Schottky CBM1100
• 8 diodos Schottky BAT46
• Transistores y condensadores (tamaño 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

Paso 4: Hacer la PCB

Te muestro mi método para hacer prototipos pero por supuesto si no puedes hacer PCBs en casa puedes encargarlo a tu fábrica favorita.

Usé un ProxxonMF70 convertido en CNC y una fresa triangular. Para generar el código G utilizo un complemento para Eagle.

Luego, los componentes se sueldan comenzando por el más pequeño.

Se puede observar que faltan algunas conexiones, aquí es donde hago saltos con la mano. Sueldo patas de resistencias curvas (ver imagen).

Paso 5: Programación del microcontrolador

Utilizo un Arduino (Adafruit pro-trinket y cable USB FTDI) para programar el microcontrolador Attiny45. Descargue los archivos a su computadora, conecte los pines del controlador:

1. al pin 11 de arduino
2. al pin 12 de arduino
3. al pin 13 de arduino (al controlador Vin (sensor de voltaje) cuando no está programando)
4. al pin 10 de arduino
5. al pin arduino 5V
6. al pin arduino G

Luego cargue el código en el controlador.

Paso 6: la configuración de prueba

Hice esta configuración (ver imagen) para probar mi controlador. Ahora puedo seleccionar una velocidad y ver cómo reacciona el controlador. También puedo estimar cuánta energía se entrega multiplicando U y lo mostré en la pantalla de la fuente de alimentación. Aunque el motor no se comporta exactamente como un aerogenerador, considero que esta aproximación no es tan mala. En efecto, como el aerogenerador, cuando se rompe el motor, se ralentiza y cuando se deja girar libremente, alcanza una velocidad máxima. (la curva de par-velocidad es una línea recta para un motor de CC y una especie de parábola para turbinas eólicas)

Calculé una caja de engranajes de reducción (16: 1) para que el pequeño motor de CC girara a su velocidad más eficiente y el motor paso a paso girara a una velocidad promedio (200 rpm) para una turbina eólica con baja velocidad del viento (3 m / s)

Paso 7: resultados

Para este experimento (primer gráfico), utilicé un LED de encendido como carga. Tiene un voltaje directo de 2,6 voltios. Como la tensión se estabiliza alrededor de 2.6, solo medí la corriente.

1) Fuente de alimentación a 5,6 V (línea azul en el gráfico 1)

• velocidad mínima del generador 132 rpm
• velocidad máxima del generador 172 rpm
• potencia máxima del generador 67 mW (26 mA x 2,6 V)

2) Fuente de alimentación a 4 V (línea roja en el gráfico 1)

• velocidad mínima del generador 91 rpm
• velocidad máxima del generador 102 rpm
• potencia máxima del generador 23 mW (9 mA x 2,6 V)

En el último experimento (segundo gráfico), el controlador calcula directamente la potencia. En este caso, se ha utilizado una batería li-po de 3,7 V como carga.

potencia máxima del generador 44mW

Paso 8: Discusión

El primer gráfico da una idea de la potencia que podemos esperar de esta configuración.

El segundo gráfico muestra que hay algunos máximos locales. Este es un problema para el regulador porque se atasca en estos máximos locales. La no linealidad se debe a la transición entre continuar y discontinuar la conducción del inductor. Lo bueno es que sucede siempre para el mismo ciclo de trabajo (no depende de la velocidad del generador). Para evitar que el controlador se atasque en un máximo local, simplemente restrinjo el rango del ciclo de trabajo a [0,45 0,8].

El segundo gráfico muestra un máximo de 0.044 vatios. Como la carga era una batería li-po de una sola celda de 3,7 voltios. Esto significa que la corriente de carga es de 12 mA. (I = P / U). A esta velocidad, puedo cargar 500 mAh en 42 horas o usarlo para ejecutar un microcontrolador integrado (por ejemplo, el Attiny para el controlador MPPT). Ojalá el viento sople más fuerte.

También aquí hay algunos problemas que noté con esta configuración:

• La sobretensión de la batería no está controlada (hay un circuito de protección en la batería)
• El motor paso a paso tiene una salida ruidosa, por lo que necesito promediar la medición durante un largo período de 0,6 segundos.

Finalmente decidí hacer otro experimento con un BLDC. Debido a que los BLDC tienen otra topología, tuve que diseñar una nueva placa. Los resultados obtenidos en el primer gráfico se utilizarán para comparar los dos generadores pero lo explicaré todo pronto en otros instructables.