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Aus Raspberry Pi Geek 05/2014

Stromversorgung per Windturbine

© Medialinx AG

Blue Curaçao

John Shovic

Peilen Sie ein Projekt an, bei dem der Raspberry Pi abseits jedes Stromnetzes seinen Dienst versehen muss? Meist kommt in solchen Szenarien Solarstrom zum Zug. Liefert die Sonne nicht genügend Leistung, kann eine preiswerte Windturbine als Ergänzung einspringen.

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Das Projekt Curaçao zielt darauf ab, mit einem wartungsfreien System sechs Monate lang Messdaten zu Umweltbedingungen zu erfassen. Die Stromversorgung sollen Solarzellen und ein windgetriebener Generator sicherstellen. Um die notwendige Leistung zu generieren, mussten die Entwickler allerdings zu einigen Tricks greifen.

Das Projekt Curaçao dreht sich um den Betrieb eines massiven Sensorenpakets, das hoch oben in einem Funkturm auf der Tropeninsel Curaçao seinen Dienst versehen soll. Das zu den Niederlanden gehörende Curaçao zählt zur Inselgruppe der Kleinen Antillen und liegt 12 Grad nördlich des Äquators. Für einen Urlaub eignet sich die idyllische Insel ideal, doch die tropische Sonne, Flugsalz aus dem Meer und eine niemals nachlassende Hitze machen Curaçao zu einer echten Herausforderung, will man dort ein Umweltüberwachungssystem auf Basis eines Raspberry Pi installieren.

Das Projekt zielt darauf ab, sechs Monate lang mit einem wartungsfreien System Messdaten zu den Umweltbedingungen auf der Insel zu erfassen. Die Stromversorgung sollen Solarzellen und ein windgetriebener Generator sicherstellen, die Kommunikation mit dem Betreiber erfolgt über eine iPad-App namens RasPiConnect. Ein Kunststoffgehäuse nimmt die meisten elektronischen Komponenten auf (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dieses Gehäuse nimmt die elektronischen Komponenten für das Projekt Curaçao auf.

Abbildung 1: Dieses Gehäuse nimmt die elektronischen Komponenten für das Projekt Curaçao auf.

Während des Betriebs sollen auch einige technische Parameter protokolliert werden, darunter der Stromverbrauch, das Nachlassen des Wirkungsgrads der Solarzellen sowie die Lade- und Entladeleistung der Batterien. Ein Watchdog-Timer überwacht das System. Dieses fährt sich bei mangelnder Stromversorgung oder unvorteilhaften Bedingungen automatisch herunter und startet über den Watchdog selbstständig wieder, sobald sich erneut ein stabiler Betrieb gewährleisten lässt.

Die größte Herausforderung beim Entwickeln eines Systems, das an einer abgelegenen Einsatzstelle im Dauerbetrieb arbeiten soll, stellt die Stromversorgung dar. Im Folgenden stellen die Entwickler des Projekts Curaçao die Methoden vor, die sie beim Design der Stromversorgung anwandten. Auch wenn ein von Ihnen ins Auge gefasstes Projekt sich hinsichtlich der Ziele und Anforderungen vom Projekt Curaçao unterscheidet, lassen sich die gezeigten Techniken durchaus auch dafür als Leitfaden für eine Spannungsversorgung abseits vom Stromnetz adaptieren und modifizieren.

Ursprünglich hatten die Entwickler das Projekt Curaçao für eine ausschließliche Versorgung über Solarstrom ausgelegt. Allerdings ergaben Lastberechnungen, dass sich auf diese Weise lediglich eine Betriebszeit von rund 15 Stunden täglich realisieren ließe. Anschließend müsste der auf einem Arduino betriebene Watchdog das System über Nacht herunterfahren, unterbrochen lediglich von einer kurzen Messphase um Mitternacht, um die nächtlichen Umweltbedingungen zu erfassen. Dann wies eines der Teammitglieder darauf hin, dass am geplanten Standort an der Küste nahezu ständig ein Wind von über 20 km/h bläst, meist sogar aus derselben Richtung. Eventuell bestand also eine Möglichkeit, mithilfe von Windkraft einen durchgehenden Betrieb zu realisieren.

Solaranlage

Schon das Design der Solarstromversorgung stellte eine Herausforderung für sich dar. Der Raspberry Pi soll den ganzen Tag über laufen, zudem müssen genügend Leistungsreserven vorhanden sein, um auch einen Betrieb jeweils drei Stunden vor Sonnenaufgang und nach Sonnenuntergang zu gewährleisten. Neben den gesteckten Zielen beeinflusste auch das Budget die Auswahl der Hardware. Die Entwickler legten folgende Voraussetzungen zugrunde:

  • Acht Stunden täglich mit genügend Sonneneinstrahlung, um die Solarzellen zumindest mit 80 Prozent der Nennleistung (12 Watt) zu betreiben.
  • Ein Wirkungsgrad der Leistungsübertragung zum Raspberry Pi von 85 Prozent.
  • Eine Stromaufnahme des Raspberry Pi mit aktiviertem WLAN von 350 mA.

Auf der Basis dieser Annahmen ergab sich eine typische maximale Solarstrom-Betriebsdauer des Raspberry Pi von knapp 16 Stunden täglich (siehe Listing 1). Zwar hatte das Team einen Betrieb des Raspberry Pi ausschließlich per Solarstrom angepeilt, doch die zu erwartende Laufzeit genügte nicht für den vorgesehenen Messzeitraum von drei Stunden vor Sonnenaufgang bis drei Stunden nach Sonnenuntergang. Deswegen sahen sich die Entwickler nach einer Möglichkeit um, die Stromversorgung möglichst kostengünstig um eine Windturbine mit einer Leistung zwischen 15 und 30 Watt auszubauen.

Listing 1

 

RasPi-Laufzeitsolar = (8 h * 0,8 * 1020 mA) * 0,85 / 350 mA = 15,8 h

Windkraft

Da der Wind nicht den ganzen Tag über gleichmäßig bläst, muss man den generierten Strom in einer Batterie zwischenspeichern, die dann ihrerseits den Raspberry Pi speist. So gut wie alle erschwinglichen Windturbinen liefern nominell 12 Volt, genug also, um eine 12V-Batterie zu laden. (Tatsächlich liegt die Ladespannung bei 13,7 Volt, und die Windkraftanlage muss eine etwas höhere Spannung für das Laden liefern.)

Da der Raspberry Pi eine 5V-Stromversorgung benötigt, wählten die Entwickler als entsprechende Spannungsquelle ein Solarstrom-Ladeboard des Typs Lipo Rider Pro [1]. Es nimmt maximal 6,5 Volt auf und lädt eine 3,7V-LiPo-Batterie, wobei es die Ladespannung auf 5 Volt boostet. Das wäre ideal – würde die Windkraftanlage nicht 12 Volt erzeugen. Die Lösung: ein Gleichspannungs-Abwärtswandler, der die Ladespannung von 12 auf 6 Volt reduziert. Der gewählte Typ arbeitet sehr effizient und kommt auf der Eingangsseite mit bis zu 19 Volt zurecht.

Abbildung 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm des Windkraft-Subsystems. Zwischen dem Eingang der Windkraftanlage und jenem der Solarzellen sahen die Entwickler ein Schaltrelais vor, um softwaregesteuert zwischen beiden Spannungsquellen umschalten zu können. Eine Zusammenstellung aller Komponenten finden Sie im Kasten “Projekt Curaçao: Komponenten”.

Abbildung 2: Ein Blockschaltdiagramm des Windkraft-Subsystems.

Abbildung 2: Ein Blockschaltdiagramm des Windkraft-Subsystems.

Projekt Curaçao: Komponenten

  • Windkraftturbinen (15W und 50W)
  • Ladeboard Seeed Studio LiPo Rider Pro (mit Booster von 3,7V auf 5V)
  • zwei 3,7V-LiPo-Akkus (3300 mAh)
  • Raspberry Pi Model A
  • WLAN-Adapter
  • drei Spannungssensoren Adafruit INA219 (I2C)
  • 12-Bit-Analog-Digital-Konverter von Adafruit (I2C)

Design

Die Datenblätter der gewählten preiswerten Windturbinen ließen ärgerlicherweise einige wichtige Spezifikationen vermissen. Die Nennleistung der kleineren Anlage war mit 15 Watt (12 Volt bei 1,25 Ampere) angegeben, doch fehlte in der Dokumentation jegliche Angabe, welche Windgeschwindigkeit notwendig ist, um diese Leistung zu erreichen, oder welche Spannungen die Turbine generieren kann. Auch das Datenblatt der 50-Watt-Anlage (25 Volt, 2 Ampere) verriet wiederum nichts über deren dynamische Charakteristik – schön wäre ein Diagramm gewesen, das zeigt, bei welchen Betriebsparametern sich die 50 Watt erzeugen lassen. Es blieb also nichts anderes übrig, als selbst Messdaten dazu zu erheben und in Form von Kurven darzustellen, um auf dieser Basis begründete Entscheidungen für die Integration der Windkraftanlage treffen zu können.

Die Entwickler nahmen zweierlei Messungen vor: zum einen ohne Last, um bei freidrehender Windturbine die Windgeschwindigkeit ermitteln zu können, bei der diese ausreichend Spannung produziert, und zum anderen mit dem tatsächlichen Verbraucher als Last, um die entsprechenden Betriebsparameter planen zu können. Im Folgenden sehen Sie einige Messkurven dazu. Bitte beachten Sie, dass diese nur für das Projekt Curaçao gelten und sich nicht ohne Weiteres auf andere Projekte übertragen lassen. Erheben Sie im Fall eines Falles Ihre eigenen Daten.

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