DIY Kontroler ładowania akumulatora z turbiny wiatrowej

Witajcie
Chciałbym zaprezentować Wam prosty kontroler do ładowania akumulatorów z małej turbiny wiatrowej, z wykorzystaniem gotowego modułu przetwornicy up/down na układzie XL6009.

Zacząć muszę jednak od tego, że posiadanie małej turbiny wiatrowej marzyło mi się od dawna. I choć lektura wielu wypowiedzi w sieci przekonywała, że nie spełniają one pokładanych w nich nadziei, byłem już zdecydowany zamówić coś taniego na polskim lub chińskim portalu aukcyjnym i samemu to sprawdzić.
Turbina miała wspomóc niewielki system solarny ładujący akumulatory 12 V i zasilający różne urządzenia .
Na całe szczęście w ostatniej chwili pojawiła się możliwość zakupu używanej markowej turbiny Rutland 910, z której skorzystałem.
Jej parametry to:
- średnica wirnika 91 cm
- 6 łopat
- moc maksymalna 80 W
- waga ok. 15 kg
Od siebie mogę dodać dobre wyważenie, cichą pracę i małe opory obrotu.
Wiatrak został zamocowany na szczycie budynku, na wysokości około 10 m nad ziemią.
Za budynkiem jest ściana lasu, a działka znajduje się w dość sporym zagłębieniu, jednak wiatrak rozkręca się zaskakująco ochoczo już przy niewielkich podmuchach wiatru.
Potwierdziły się jednak obawy, że wysokość generowanego napięcia podczas zdecydowanej większości czasu pracy jest za niska, aby można było z niego skorzystać w bezpośredni sposób. Nawet - subiektywnie odbierane - całkiem szybkie obroty łopat, generowały napięcie wyjściowe w granicach 7-9 V. Wyższe napięcie pojawiało się niezwykle rzadko.
Chciałem jednak wykorzystać choćby część energii, która powstaje i stąd pomysł na zastosowanie przetwornicy, która podwyższy lub obniży napięcie wejściowe w zależności od potrzeby.
Konstrukcja miała być prosta i zbudowana z łatwo dostępnych elementów.
Postanowiłem wykorzystać któryś z gotowych modułów dostępnych w wielu odmianach na chińskim serwisie i po ich przejrzeniu, wybór padł na układ XL6009. Spełnia on wszystkie moje założenia: napięcie wejściowe 3,5 V-32 V, prąd do 3 A i - co bardzo ważne - wejście Enable, które umożliwia załączanie i wyłączanie przetwornicy.
Można też wykorzystać moduł z układem XL6019, który ma dodatkowo zaaplikowaną funkcję soft-startu, za to jego wydajność to zaledwie 1,5 A.
Nie nadają się natomiast przetwornice z układem LM2577, bo nie posiadają wspomnianego wejścia Enable.
Należało tylko dorobić układ, który będzie załączał pracę przetwornicy tak, aby pracowała ona w bezpiecznym zakresie napięć (powyżej Umin.), oraz nie zadusiła obrotów turbiny. Spore pojemności kondensatorów na wejściu miały wydłużyć cykle pracy przetwornicy. Napięcie wyjściowe XL6009 było ustawione na 14,5 V.
Od razu powstał też układ detekcji zbyt dużego napięcia wejściowego, który załączał obciążenie hamujące w postaci żarówki 50 W.
I choć układ działał i miał spore właściwości desulfacyjne (), to nie podobało mi się ciągłe taktowanie start-stop przetwornicy (ponieważ podawanie napięcia 14,5 V na rozładowane akumulatory o sporej pojemności wywoływało przepływ sporego prądu, który natychmiast rozładowywał kondensatory wejściowe i komparator wyłączał przetwornicę).
Postanowiłem więc uzależnić napięcie wyjściowe z przetwornicy od napięcia wejściowego, zmagazynowanego w kondensatorach.
Rolę tą spełnia jeden tranzystor, który zwiera napięcie sprzężenia zwrotnego w układzie przetwornicy: każdy wzrost napięcia wejściowego powoduje mocniejsze wysterowanie tranzystora, zwarcie rezystora RFB, obniżenie napięcia na końcówce FB XL6009, a przez to podwyższenie napięcia wyjściowego przez przetwornicę, która dąży do osiągnięcia na końcówce FB poziomu 1,25 V.
Efektem tego, prąd płynący do akumulatorów wzrasta wraz z prędkością wiejącego wiatru .
Schemat i wykres pracy komparatorów i przetwornicy:


Wartości elementów nie są krytyczne i można je zmieniać w zależności od potrzeb.
Zastosowany tranzystor npn niskosygnałowy, z beta >200, oraz Mosfet-N o niewyśrubowanych parametrach (200 V, 0,3 ohm), którego nigdzie bym już nie wykorzystał.
Bateria kondensatorów wejściowych ma u mnie całkowitą pojemność ok. 50 mF, ale można ją zmniejszyć.
Maksymalne napięcie wejściowe warunkuje zastosowany LM324 oraz XL6009 i wynosi 32 V.
Do wizualizacji parametrów zastosowałem dwa mierniki panelowe. Tu mała uwaga: zastosowany kombajn pomiarowy Atorch 150V/8A nie może być zasilany jak na poniższym schemacie, bo część prądu wyjściowego upływa bezpośrednio do zasilającego go akumulatora, fałszując (zaniżając) przez to pomiar dokonywany miernikiem U/I.

Regulację najlepiej przeprowadzić, podłączając układ pod zasilacz regulowany.
Ustawić na zasilaczu napięcie >15 V, skręcić P2 maksymalnie w lewo (by maksymalnie wysterować bazę tranzystora Q1) i ustawić potencjometr wieloobrotowy P1 na przetwornicy na napięcie wyjściowe 14,5-14,7 V (max napięcie ładowania, wg uznania). Zmniejszyć napięcie zasilania do minimalnego, przy którym nie następuje jeszcze wyłączenie przetwornicy (około 6 V), P2 skręcamy maksymalnie w prawo, a P4 (Rfb2) ustawiamy napięcie, od którego przetwornica zacznie ładować akumulator po starcie (u mnie niecałe 12 V). Ponownie zwiększyć napięcie zasilania do takiego, przy którym chcielibyśmy uzyskać pełne napięcie ładowania (czyli 14,5 V) i potencjometrem P2 kręcimy w lewo, do uzyskania na wyjściu takiego właśnie napięcia.
Potencjometrem P3 możemy ustawić, przy jakich progach komparator będzie włączał i wyłączał przetwornicę. Histereza wynosi około 2 V.
Całość zapakowałem do obudowy plastikowej, która już kiedyś była użyta w podobnym projekcie. Nie jestem specjalnym estetą, więc nie oceniajcie mnie pod względem wykończenia całości. Napięcie jest tu niskie, prądy małe - dom mi od tego nie spłonie . Jest to prototyp i pewnie tak już zostanie na wieki.
Jak powieje, postaram się nagrać jakiś film z działania i wskazań mierników.

Na koniec chciałem też napisać kilka słów o realnych uzyskach z takiego wiatraka.
Nie posiadam przyrządów do pomiaru prędkości wiatru, umiejscowienie turbiny też ma duże znaczenie, ale podczas wietrznej doby, gdzie człowiek czuje już spory dyskomfort podczas spaceru, układ taki generując średnio ok. 2-5 W, jest w stanie upchnąć w akumulatory ok. 11 Ah.
Przypominam - 24h silnego wiatru. Nie powala, prawda?
Załączam schemat i wzór płytki gotowy do druku (po drobnych poprawkach, m.in. zamiana obudowy Q1 z Sot-23 na TO-92, oraz dodatkowe otwory pod mniejsze potencjometry).
Projekt robiony w Dip-Trace.