छोटी पवन टर्बाइनों के लिए अधिकतम पावर प्वाइंट ट्रैकर: 8 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

इंटरनेट पर बहुत सारे DIY पवन टरबाइन हैं लेकिन बहुत कम लोग स्पष्ट रूप से बिजली या ऊर्जा के संदर्भ में प्राप्त होने वाले परिणाम की व्याख्या करते हैं। साथ ही अक्सर बिजली, तनाव और करंट के बीच भ्रम की स्थिति बनी रहती है। बहुत बार, लोग कह रहे हैं: "मैंने इस तनाव को जनरेटर पर मापा!" अच्छा! लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि आप करंट खींच सकते हैं और आपके पास पावर (पावर = टेंशन x करंट) हो सकता है। सोलर एप्लिकेशन के लिए बहुत सारे होम मेड एमपीपीटी (मैक्सिमम पावर प्वाइंट ट्रैकर) कंट्रोलर भी हैं लेकिन विंड एप्लिकेशन के लिए इतना नहीं। मैंने इस स्थिति को ठीक करने के लिए यह प्रोजेक्ट किया था।

मैंने 3.7V (सिंगल सेल) लिथियम आयन पॉलिमर बैटरी के लिए एक कम पावर (<1W) MPPT चार्ज कंट्रोलर डिज़ाइन किया है। मैंने कुछ छोटे से शुरू किया क्योंकि मैं अलग-अलग 3D प्रिंटेड विंड टर्बाइन डिज़ाइन की तुलना करना चाहूंगा और इन टर्बाइनों का आकार 1W से अधिक का उत्पादन नहीं करना चाहिए। अंतिम लक्ष्य एक स्टैंड अलोन स्टेशन या किसी ऑफ ग्रिड सिस्टम की आपूर्ति करना है।

नियंत्रक का परीक्षण करने के लिए मैंने एक स्टेपर मोटर (एनईएमए 17) के साथ मिलकर एक छोटी डीसी मोटर के साथ एक सेटअप बनाया। स्टेपर मोटर का उपयोग जनरेटर के रूप में किया जाता है और डीसी मोटर मुझे टरबाइन ब्लेड को धक्का देने वाली हवा का अनुकरण करने की अनुमति देती है। अगले चरण में मैं समस्या की व्याख्या करूंगा और कुछ महत्वपूर्ण अवधारणाओं को संक्षेप में बताऊंगा ताकि यदि आप केवल बोर्ड बनाने में रुचि रखते हैं, तो चरण 3 पर जाएं।

चरण 1: समस्या

हम हवा से गतिज ऊर्जा लेना चाहते हैं, इसे बिजली में बदलना चाहते हैं और उस बिजली को बैटरी में स्टोर करना चाहते हैं। समस्या यह है कि हवा में उतार-चढ़ाव होता है इसलिए उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा में भी उतार-चढ़ाव होता है। इसके अलावा जनरेटर का तनाव उसकी गति पर निर्भर करता है लेकिन बैटरी का तनाव स्थिर रहता है। हम इसे कैसे हल कर सकते हैं?

हमें जनरेटर करंट को विनियमित करने की आवश्यकता है क्योंकि करंट ब्रेकिंग टॉर्क के समानुपाती होता है। वास्तव में यांत्रिक दुनिया (यांत्रिक शक्ति = टोक़ x गति) और विद्युत दुनिया (विद्युत शक्ति = वर्तमान x तनाव) (सीएफ। ग्राफ) के बीच एक समानांतर है। इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में विवरण पर बाद में चर्चा की जाएगी।

अधिकतम शक्ति कहाँ है? दी गई हवा की गति के लिए, यदि हम टरबाइन को स्वतंत्र रूप से घूमने देते हैं (कोई ब्रेकिंग टॉर्क नहीं), तो इसकी गति अधिकतम होगी (और वोल्टेज भी) लेकिन हमारे पास कोई करंट नहीं है इसलिए बिजली शून्य है। दूसरी ओर, यदि हम खींची गई धारा को अधिकतम करते हैं, तो यह संभावना है कि हम टरबाइन को बहुत अधिक तोड़ दें और इष्टतम वायुगतिकीय गति तक न पहुँचे। इन दो चरम सीमाओं के बीच एक बिंदु है जहां गति से टोक़ का उत्पाद अधिकतम होता है। यही हम खोज रहे हैं!

अब अलग-अलग दृष्टिकोण हैं: उदाहरण के लिए यदि आप सिस्टम का वर्णन करने वाले सभी समीकरणों और मानकों को जानते हैं तो आप शायद एक निश्चित हवा की गति और टरबाइन गति के लिए सर्वोत्तम कर्तव्य चक्र की गणना कर सकते हैं। या, यदि आप कुछ नहीं जानते हैं, तो आप नियंत्रक से कह सकते हैं: थोड़ा कर्तव्य चक्र बदलें, फिर शक्ति की गणना करें। अगर यह बड़ा है तो इसका मतलब है कि हम अच्छी दिशा में आगे बढ़े हैं इसलिए उस दिशा में चलते रहें। यदि यह कम है तो कर्तव्य चक्र को विपरीत दिशा में ले जाएं।

चरण 2: समाधान

पहले हमें एक डायोड ब्रिज के साथ जनरेटर आउटपुट को ठीक करने की जरूरत है और फिर एक बूस्ट कन्वर्टर के साथ बैटरी में इंजेक्टेड करंट को रेगुलेट करना होगा। अन्य सिस्टम एक हिरन या हिरन बूस्ट कन्वर्टर का उपयोग करते हैं, लेकिन जैसा कि मेरे पास कम बिजली टरबाइन है, मुझे लगता है कि बैटरी वोल्टेज हमेशा जनरेटर आउटपुट से बड़ा होता है। करंट को रेगुलेट करने के लिए हमें बूस्ट कन्वर्टर के ड्यूटी साइकल (टन / (टन + टॉफ)) को बदलने की जरूरत है।

स्कीमैटिक्स के दाईं ओर के हिस्से R2 पर तनाव को मापने के लिए एक अंतर इनपुट के साथ एक एम्पलीफायर (AD8603) दिखाते हैं। परिणाम का उपयोग वर्तमान भार को कम करने के लिए किया जाता है।

पहली छवि पर हम जो बड़े कैपेसिटर देखते हैं, वह एक प्रयोग है: मैंने अपने सर्किट को डेलन वोल्टेज डबललर में बदल दिया। निष्कर्ष अच्छे हैं इसलिए यदि अधिक वोल्टेज की आवश्यकता है, तो परिवर्तन करने के लिए केवल कैपेसिटर जोड़ें।

चरण 3: उपकरण और सामग्री

उपकरण

• Arduino या AVR प्रोग्रामर
• मल्टीमीटर
• मिलिंग मशीन या रासायनिक नक़्क़ाशी (पीसीबी प्रोटोटाइप के लिए अपने आप से)
• सोल्डरिंग आयरन, फ्लक्स, सोल्डरिंग वायर
• चिमटी

सामग्री

• बैकेलाइट सिंगल साइड कॉपर प्लेट (न्यूनतम 60*35 मिमी)
• माइक्रोकंट्रोलर Attiny45
• ऑपरेशनल एम्पलीफायर AD8605
• प्रारंभ करनेवाला 100uF
• 1 शोट्की डायोड CBM1100
• 8 Schottky डायोड BAT46
• ट्रांजिस्टर और कैपेसिटर (आकार 0603) (cf. BillOfMaterial.txt)

चरण 4: पीसीबी बनाना

मैं आपको प्रोटोटाइप के लिए अपना तरीका दिखाता हूं लेकिन निश्चित रूप से अगर आप घर पर पीसीबी नहीं बना सकते हैं तो आप इसे अपने पसंदीदा कारखाने में ऑर्डर कर सकते हैं।

मैंने एक ProxxonMF70 को सीएनसी और एक त्रिकोणीय अंत मिल में परिवर्तित किया। जी-कोड उत्पन्न करने के लिए मैं ईगल के लिए एक प्लगइन का उपयोग करता हूं।

फिर घटकों को छोटे से शुरू करके मिलाप किया जाता है।

आप देख सकते हैं कि कुछ कनेक्शन गायब हैं, यह वह जगह है जहाँ मैं हाथ से छलांग लगाता हूँ। मैं मिलाप घुमावदार रोकनेवाला पैर (cf। छवि)।

चरण 5: माइक्रोकंट्रोलर प्रोग्रामिंग

मैं Attiny45 माइक्रो-कंट्रोलर को प्रोग्राम करने के लिए एक Arduino (Adafruit pro-trinket और FTDI USB केबल) का उपयोग करता हूं। अपने कंप्यूटर पर फ़ाइलें डाउनलोड करें, नियंत्रक पिन कनेक्ट करें:

1. arduino पिन करने के लिए 11
2. arduino पिन करने के लिए 12
3. Arduino पिन 13 (प्रोग्रामिंग नहीं होने पर नियंत्रक विन (वोल्टेज सेंसर) के लिए)
4. arduino पिन करने के लिए 10
5. Arduino पिन 5V. के लिए
6. arduino पिन करने के लिए G

फिर नियंत्रक पर कोड लोड करें।

चरण 6: परीक्षण सेटअप

मैंने अपने नियंत्रक का परीक्षण करने के लिए यह सेटअप (cf. चित्र) बनाया है। मैं अब एक गति का चयन करने में सक्षम हूं और देख सकता हूं कि नियंत्रक कैसे प्रतिक्रिया करता है। इसके अलावा, मैं अनुमान लगा सकता हूं कि यू को गुणा करके कितनी बिजली दी जाती है और मैंने बिजली आपूर्ति स्क्रीन पर दिखाया। हालांकि मोटर बिल्कुल पवन टरबाइन की तरह व्यवहार नहीं करता है, मुझे लगता है कि यह अनुमान इतना बुरा नहीं है। दरअसल, पवन टरबाइन के रूप में, जब आप मोटर को तोड़ते हैं, तो यह धीमा हो जाता है और जब आप इसे स्वतंत्र रूप से चालू करते हैं, तो यह अधिकतम गति तक पहुंच जाता है। (टॉर्क-स्पीड कर्व डीसी मोटर के लिए एक स्ट्रेट लाइन है और विंड टर्बाइन के लिए एक तरह का परवलय है)

मैंने एक कमी गियरबॉक्स (16:1) की गणना की ताकि छोटी डीसी मोटर अपनी सबसे कुशल गति से घूम सके और स्टेपर मोटर कम हवा की गति (3 मीटर/सेकेंड) के साथ पवन टरबाइन के लिए औसत गति (200 आरपीएम) पर कताई कर सके।)

चरण 7: परिणाम

इस प्रयोग (पहला ग्राफ) के लिए, मैंने लोड के रूप में एक पावर एलईडी का इस्तेमाल किया। इसमें 2.6 वोल्ट का फॉरवर्ड वोल्टेज है। जैसा कि तनाव 2.6 के आसपास स्थिर है, मैंने केवल करंट को मापा।

१) ५.६ वी पर बिजली की आपूर्ति (ग्राफ १ पर नीली रेखा)

• जनरेटर न्यूनतम गति 132 आरपीएम
• जनरेटर अधिकतम गति 172 आरपीएम
• जनरेटर अधिकतम शक्ति 67mW (26 mA x 2.6 V)

२) ४ वी पर बिजली की आपूर्ति (ग्राफ १ पर लाल रेखा)

• जनरेटर न्यूनतम गति 91 आरपीएम
• जनरेटर अधिकतम गति 102 आरपीएम
• जनरेटर अधिकतम शक्ति 23mW (9 mA x 2.6V)

अंतिम प्रयोग (दूसरे ग्राफ) में, शक्ति की गणना सीधे नियंत्रक द्वारा की जाती है। ऐसे में लोड के तौर पर 3.7 वी ली-पो बैटरी का इस्तेमाल किया गया है।

जनरेटर अधिकतम शक्ति 44mW

चरण 8: चर्चा

पहला ग्राफ उस शक्ति का अंदाजा देता है जिसकी हम इस सेटअप से उम्मीद कर सकते हैं।

दूसरा ग्राफ दिखाता है कि कुछ स्थानीय अधिकतम हैं। यह नियामक के लिए एक समस्या है क्योंकि यह इन स्थानीय अधिकतम में फंस जाता है। गैर रेखीयता प्रारंभ करनेवाला चालन जारी रखने और बंद करने के बीच संक्रमण के कारण है। अच्छी बात यह है कि यह हमेशा एक ही कर्तव्य चक्र के लिए होता है (जेनरेटर की गति पर निर्भर नहीं करता)। नियंत्रक को स्थानीय अधिकतम में फंसने से बचने के लिए, मैं केवल कर्तव्य चक्र सीमा को [०.४५ ०.८] तक सीमित रखता हूं।

दूसरा ग्राफ अधिकतम 0.044 वाट दिखाता है। चूंकि लोड 3.7 वोल्ट की सिंगल सेल ली-पो बैटरी थी। इसका मतलब है कि चार्जिंग करंट 12 mA है। (मैं = पी / यू)। इस गति से मैं ४२ घंटों में ५०० एमएएच चार्ज कर सकता हूं या इसका उपयोग एक एम्बेडेड माइक्रो-कंट्रोलर (उदाहरण के लिए एमपीपीटी नियंत्रक के लिए एटिनी) चलाने के लिए कर सकता हूं। उम्मीद है हवा और तेज चलेगी।

यहां कुछ समस्याएं भी हैं जिन्हें मैंने इस सेटअप के साथ देखा है:

• वोल्टेज से अधिक बैटरी नियंत्रित नहीं होती है (बैटरी में एक सुरक्षा सर्किट होता है)
• स्टेपर मोटर में एक शोर आउटपुट होता है इसलिए मुझे 0.6 सेकंड की लंबी अवधि में माप को औसत करने की आवश्यकता होती है।

अंत में मैंने बीएलडीसी के साथ एक और प्रयोग करने का फैसला किया। क्योंकि बीएलडीसी के पास एक और टोपोलॉजी है, इसलिए मुझे एक नया बोर्ड डिजाइन करना पड़ा। पहले ग्राफ़ में प्राप्त परिणामों का उपयोग दो जनरेटर की तुलना करने के लिए किया जाएगा, लेकिन मैं जल्द ही दूसरे इंस्ट्रक्शंस में सब कुछ समझाऊंगा।