Jak samodzielnie wykonać sterownik do generatora wiatrowego: budowa, zasada działania, schemat montażu

Mechaniczna konstrukcja generatora wiatrowego w czystej postaci to tylko część kompletnej siłowni wiatrowej. W pełni sprawny system, oprócz części mechanicznej, zawiera szereg układów elektronicznych.

I tak na przykład niezbędny jest sterownik do generatora wiatrowego – urządzenie przeznaczone do stabilizacji parametrów ładowania akumulatorów podczas pracy wiatraka.

Przyjrzyjmy się, jakie funkcje pełni to urządzenie, i przedstawmy schematy do samodzielnego montażu sterownika. Ponadto omówimy specyfikę działania i celowość zakupu chińskiego elektronicznego modułu do wiatraka.

Generatory wiatrowe i sterowniki ładowania akumulatorów

Skoro mechaniczną turbinę wiatrową można zbudować samodzielnie, to czy da się również własnoręcznie wykonać sterownik do wiatraka?

Aby mieć pewne pojęcie o sterownikach generatorów wiatrowych i skutecznie odtwarzać takie urządzenia samemu, przydatna będzie podstawowa wiedza o tych przyrządach.

Regulator obsługujący akumulatory ma za zadanie przede wszystkim sterować procesem ładowania akumulatora. Jest to jego podstawowa funkcja, którą jednak umownie należy podzielić na cały szereg podfunkcji.

Przykładowo, jedna funkcja monitoruje prąd ładowania i prąd samorozładowania. Inna funkcja realizuje działania ukierunkowane na pomiar temperatury i ciśnienia. Trzecia odpowiada za kompensację różnicy przepływów energii, gdy równocześnie z poborem prądu przez obciążenie odbywa się ładowanie akumulatora.

Regulator ładowania akumulatora do generatora wiatrowego o niewielkiej mocy. Kontrola niektórych parametrów systemu odbywa się za pośrednictwem wbudowanego w konstrukcję wyświetlacza LCD

Urządzenia produkcji przemysłowej posiadają pełną funkcjonalność. Czego nie można jednak powiedzieć o konstrukcjach amatorskich. Urządzenia wykonane w warunkach domowych własnymi rękami na bazie najprostszych rozwiązań schematowych to regulatory dalekie od doskonałych modeli.

Niemniej jednak działają i umożliwiają produktywne eksploatowanie różnych typów turbin wiatrowych. Zazwyczaj w konstrukcjach własnoręcznie wykonanych realizowana jest tylko jedna funkcja – ochrona przed przepięciem i głębokim rozładowaniem.

Jedna z licznych wariacji kontrolerów do turbin wiatrowych wykonanych własnoręcznie. Takie konstrukcje charakteryzują się prostymi rozwiązaniami technicznymi i najprostszą realizacją montażu.

Dlaczego wdrożenie kontrolera w systemie turbiny wiatrowej jest obowiązkowe?

Ponieważ w trybie zasilania akumulatora bez użycia kontrolera należy spodziewać się nieprzyjemnych konsekwencji:

1. Degradację struktury akumulatora z powodu niekontrolowanych procesów chemicznych.
2. Niekontrolowany wzrost ciśnienia i temperatury elektrolitu.
3. Utratę przez akumulator zdolności do ładowania w wyniku długotrwałego rozładowania.

Kontroler ładowania w układzie instalacji turbiny wiatrowej jest zazwyczaj wykonany jako oddzielny moduł elektroniczny. Moduł ten jest wymienny i szybko odłączalny. Urządzenia produkowane przemysłowo są obowiązkowo wyposażone we wskaźniki trybów i stanów – świetlne lub wizualnie przekazywane za pomocą wyświetlacza.

W praktyce mogą być stosowane dwa rodzaje urządzeń – wbudowane bezpośrednio w obudowę turbiny wiatrowej oraz podłączane do akumulatora.

Rozwiązania schematowe do samodzielnego montażu

Od czasu pojawienia się pierwszych własnoręcznie wykonanych turbin wiatrowych liczba rozwiązań schematów kontrolerów wzrosła wielokrotnie. Wiele z tych opracowań schematów jest dalekich od doskonałości, ale są też warianty, na które warto zwrócić uwagę.

Do użytku domowego oczywiście odpowiednie są proste schematy, wymagające niewielkich nakładów finansowych, skuteczne i niezawodne.

Wychodząc od tych wymagań, można zacząć od kontrolera do turbiny wiatrowej zbudowanego na bazie przekaźników-regulatorów samochodowych. W schemacie można zastosować zarówno przekaźniki z ujemnym stykiem sterującym, jak i z dodatnim stykiem sterującym.

Ta opcja przyciąga niewielką liczbą elementów i najprostszym montażem. Potrzebny będzie tylko jeden przekaźnik, jeden tranzystor mocy (polowy), jeden rezystor.

Schemat kontrolera narysowany przez pewnego elektronika własnoręcznie. Tutaj wszystko jest proste i zrozumiałe bez zbędnych słów. Właściwie, podobnie jak w samej technologiczności rozwiązania. Minimum elementów – maksimum oszczędności (+).

Schemat nosi nazwę „balastowy”, ponieważ wykorzystuje dodatkowe obciążenie w postaci zwykłej żarówki. W ten sposób lista elementów zostanie uzupełniona o kolejny element – lampę.

Używa się żarówki samochodowej (lub kilku żarówek) na 12 woltów, w zależności od mocy systemu. Dopuszczalne jest również zastosowanie zamiast tego elementu obciążenia rezystancyjnego innego typu: mocnego rezystora, grzejnika elektrycznego, wentylatora itp.

Działanie układu „balastowego” z ujemnym

Działanie samochodowego przekaźnika-regulatora jest bezpośrednio związane z poziomem naładowania akumulatora. Jeśli napięcie na zaciskach akumulatora wzrośnie powyżej 14,2 wolta, przekaźnik zadziała i rozłączy obwód minusowy tranzystora mocy.

Z kolei na tranzystorze otwiera się złącze, które podłącza żarówkę żarową do akumulatora. W rezultacie prąd ładowania jest odprowadzany przez włókno żarówki. Gdy napięcie na zaciskach akumulatora spada – następuje proces odwrotny. W ten sposób utrzymywany jest stabilny poziom napięcia akumulatora.

Jak działa układ „balastowy” z dodatnim

Nieco zmodernizowanym wariantem «balastowego» kontrolera ładowania dla wiatraka jest drugi schemat z przekaźnikiem-regulatorem z plusowym stykiem sterującym. Na przykład nadadzą się przekaźniki z samochodów marki «VAZ».

Różnica w stosunku do poprzedniego schematu polega na zastosowaniu przekaźnika półprzewodnikowego, np. GTH6048ZA2 na prąd 60 A zamiast tranzystora. Zalety są oczywiste: schemat wygląda jeszcze prościej, a jednocześnie jest bardziej niezawodny i wydajny.

Jeszcze jedno najprostsze rozwiązanie obwodowe do montażu kontrolera ładowania akumulatora turbiny wiatrowej. Wydajność i niezawodność schematu zwiększa się dzięki zastosowaniu w nim przekaźnika półprzewodnikowego (+).

Cechą charakterystyczną tego prostego rozwiązania jest bezpośrednie podłączenie do zacisków akumulatora generatora wiatraka. Przewody kontrolera ładowania są również bezpośrednio podłączone do styków akumulatora.

W rzeczywistości obie te części schematu nie są ze sobą w żaden sposób połączone. Napięcie z turbiny wiatrowej jest stale podawane na akumulator. Gdy napięcie na zaciskach akumulatora osiągnie wartość 14,2 V, przekaźnik półprzewodnikowy podłącza obciążenie w celu rozładowania. W ten sposób urządzenie chroni akumulator przed przeładowaniem.

Tutaj obciążeniem balastowym może być nie tylko żarówka. Można podłączyć dowolne inne urządzenie przystosowane do prądu do 60 A. Na przykład elektryczny grzejnik rurowy.

Co jeszcze jest ważne w tym schemacie – działanie przekaźnika półprzewodnikowego charakteryzuje się płynnie narastającą amplitudą. W istocie mamy do czynienia z efektem profesjonalnie wykonanego kontrolera PWM.

Bardziej złożona wersja schematu sterownika

Jeśli poprzedni wariant rozwiązania obwodowego kontrolera ładowania akumulatora tylko przypomina urządzenie PWM (modulacja szerokości impulsu), to tutaj zasada ta jest realizowana konkretnie.

Ten schemat kontrolera dla wiatraka z trójfazowym generatorem charakteryzuje się pewnymi zawiłościami, ponieważ zakłada użycie układów scalonych – w szczególności wzmacniaczy operacyjnych na tranzystorach polowych wchodzących w skład układu TL084.

Jednak na płytce montażowej wszystko wygląda nie tak skomplikowanie, jak na kartce papieru.

Rozwiązanie obwodu do samodzielnego montażu kontrolera z wykorzystaniem mikroukładu TL084. Zasada działania opiera się również na zastosowaniu przekaźników do przełączania trybów, ale istnieje możliwość regulacji punktów odcięcia (+)

Podobnie jak w poprzednich rozwiązaniach, zastosowano przekaźnik jako element łączący dla obciążenia balastowego. Przekaźnik jest przeznaczony do pracy z akumulatorem 12 V, ale w razie potrzeby można wybrać model na 24 W.

Rezystor balastowy wykonany jest w postaci rezystora dużej mocy (uzwojenie nichromowe na ceramice). Do regulacji zakresu napięć roboczych (11,5–18 V) w obwodzie zastosowano rezystory nastawnie włączone w obwód sterowania mikroukładem TL084.

Taki kontroler ładowania akumulatora turbiny wiatrowej działa w następujący sposób. Prąd trójfazowy uzyskany z generatora wiatrowego jest prostowany za pomocą diod mocy.

Na wyjściu mostka diodowego powstaje napięcie stałe, które jest podawane na wejście obwodu przez styki przekaźnika, dodatkową diodę, akumulator, a następnie do stabilizatora wewnątrz obwodu (78L08) i na wejście układu TL084.

Moment przełączenia przerzutnika do jednego ze stanów jest określany przez wartości rezystorów nastawnych (Low V i High V) dolnego i górnego progu napięcia.

Dopóki na zaciskach akumulatora występuje napięcie nieprzekraczające 14,2 V (zgodne z ustawieniem R High V), następuje ładowanie. Gdy wartości wzrosną, wzmacniacz operacyjny TL084 wysyła sygnał do bazy tranzystora sterującego przekaźnikiem.

Produkt wykonany samodzielnie według schematu z mikroukładem TL084. Wszystko jest niezwykle proste – nawet zamiast porządnej płytki drukowanej wybrano płytkę do montażu przestrzennego. Takie detale zawsze cieszą w konstrukcjach amatorskich.

Następuje zadziałanie przekaźnika, obwód zasilania zostaje przerwany i zamknięty na rezystor balastowy. Rozładowanie przez balast trwa do momentu, gdy akumulator osiągnie stan bliski wartości ustawionej na rezystorze nastawnym Low V.

Gdy wartość ta zostanie osiągnięta, drugi wzmacniacz operacyjny TL084 przełącza obwód w stan przeciwny. W ten sposób działa kontroler.

Chińska elektroniczna alternatywa

Wykonanie kontrolera turbiny wiatrowej własnoręcznie to prestiżowa sprawa. Jednak biorąc pod uwagę tempo rozwoju technologii elektronicznych, często sens samodzielnego montażu traci na aktualności. Ponadto większość oferowanych schematów jest już moralnie przestarzała.

Okazuje się, że taniej jest kupić gotowy produkt, wykonany profesjonalnie, z wysoką jakością montażu, na nowoczesnych podzespołach. Na przykład odpowiednie urządzenie w rozsądnej cenie można nabyć na Aliexpress.

Asortyment ofert na chińskiej stronie robi wrażenie. Sterowniki do generatorów wiatrowych o różnym poziomie mocy sprzedawane są w cenie od 40 zł. Jeśli wyjść od tej kwoty, w kwestii montażu urządzenia własnymi rękami gra zdecydowanie nie jest warta świeczki.

Na przykład wśród ofert chińskiego portalu znajduje się model dla 600-watowego wiatraka. Urządzenie o wartości 42,80 zł nadaje się do pracy z akumulatorami 12/24 V, w trybie prądu roboczego do 30 A.

Całkiem przyzwoity, przeznaczony do 600-watowego generatora wiatrowego, sterownik ładowania w chińskiej wersji. Takie urządzenie można zamówić z Chin i otrzymać pocztą w ciągu około miesiąca–półtora.

Wysokiej jakości, odporny na warunki atmosferyczne korpus sterownika o wymiarach 100x90 mm wyposażony jest w mocny radiator chłodzenia. Wykonanie obudowy odpowiada klasie ochrony IP67. Zakres temperatur zewnętrznych od –35 do +75°C. Na obudowie znajduje się sygnalizacja świetlna stanów pracy generatora wiatrowego.

Powstaje pytanie, po co tracić czas i siły na montaż prostej konstrukcji własnymi rękami, skoro istnieje realna możliwość kupienia czegoś podobnego, a technicznie poważnego?

No a jeśli ten model nie wystarcza, Chińczycy mają warianty naprawdę „super”. Tak więc wśród nowych dostaw wyróżnia się model o mocy 2 kW na napięcie robocze 96 V.

Chiński produkt z listy nowych dostaw. Zapewnia kontrolę ładowania akumulatorów, pracując w parze z generatorem wiatrowym o mocy 2 kW. Przyjmuje na wejściu napięcie do 96 V.

Co prawda, koszt tego sterownika jest już pięciokrotnie wyższy niż poprzedniego modelu. Ale znowu, jeśli porównać nakłady na wykonanie czegoś podobnego własnymi rękami, zakup wygląda na racjonalne rozwiązanie.

Jedyne, co niepokoi w chińskich produktach – mają one zwyczaj niespodziewanie przestawać działać w najbardziej nieodpowiednich momentach. Dlatego kupione urządzenie często trzeba dopracować – oczywiście własnymi rękami. Ale to znacznie łatwiejsze i prostsze niż wykonanie sterownika ładowania generatora wiatrowego od podstaw własnymi rękami.

Dla miłośników majsterkowania na naszej stronie znajduje się seria artykułów poświęcona budowie generatorów wiatrowych:

1. Generator wiatrowy z alternatora samochodowego własnymi rękami: technologia montażu wiatraka i omówienie błędów
2. Jak samodzielnie wykonać łopaty do generatora wiatrowego: przykłady własnoręcznej produkcji łopat do wiatraka
3. Generator wiatrowy własnymi rękami z pralki: instrukcja montażu wiatraka
4. Jak przeprowadzić obliczenia generatora wiatrowego: wzory + praktyczny przykład obliczeń

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Chęć wykonania sprzętu do użytku domowego własnymi rękami bywa czasem silniejsza niż prostsze rozwiązanie – zakup niedrogiego urządzenia. Co z tego wyszło, zobacz Pan w filmie:

Oceniając perspektywy wytwarzania elektroniki własnymi siłami, niezależnie od jej przeznaczenia, trzeba się zmierzyć z myślą, że era «majsterkowiczów» dobiega końca.

Rynek jest przesycony gotowymi urządzeniami elektronicznymi i modułowymi komponentami praktycznie do każdego produktu domowego. Dla hobbystów-elektroników pozostaje teraz jedynie zajęcie się składaniem domowych zestawów konstrukcyjnych.

Czy ma Pan coś do dodania, czy też pojawiły się pytania dotyczące montażu i użytkowania kontrolerów do turbiny wiatrowej? Może Pan zostawiać komentarze, zadawać pytania i dodawać zdjęcia swoich własnych konstrukcji – formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.