Stromversorgung per Windturbine (Seite 2)

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.

Für die Projekt-Curaçao-Messstation ging das Team grob von einer effektiven Last von 25 Ohm bei minimalem Widerstand (maximale Spannung) aus. Diese wurde beim Betrieb an einem Netzteil ermittelt, wobei zur Überwachung und Kontrolle die bereits erwähnte App RasPiConnect [2] zum Einsatz kam. Deren Ausgabe sehen Sie in Abbildung 3, wobei die falsche Angabe für die Power Efficiency dem direkten Anschluss an ein Netzteil geschuldet ist.

Abbildung 3: Bei Projekt Curaçao kam zur Überwachung und Steuerung des RasPi die iPad-App RasPiConnect zum Einsatz.

Freilaufmessung

Im Zug der Freilaufmessung ermittelten die Entwickler die regulierte und unregulierte Spannung der Windturbine, die Spannung des Solarpanels sowie die entsprechenden Ströme. Dazu kamen I²C-High-Side-Strom- und Spannungssensoren auf INA219-Basis zum Einsatz.

Bei der 15W-Windturbine handelt es sich um ein rund 90 US-Dollar teures Do-it-yourself-Windkraft-Kit, das aus einem Generatorteil mit zweiblättrigem Rotor sowie der kompletten Verkabelung besteht [3]. Es findet sich zum Preis von 40 US-Dollar als Micro Wind Turbine Generator Science Project Kit auch bei Amazon, dort aber ohne Anschlusskabel. Als 50W-Windkraftanlage dient der Cyber 50 Micro Wind Turbine Generator, bei Amazon für rund 80 US-Dollar zu haben. Die Wahl der beiden Systeme spiegelt keinerlei technische Präferenzen wider: Während der Designphase von Projekt Curaçao waren dies schlicht die beiden am schnellsten verfügbaren, preiswertesten Systeme dieser Art.

Als Erstes bestimmten die Entwickler die Freilauf-Spannungskurve, um zu ermitteln, welche Spannung die Turbinen bei gegebener Windgeschwindigkeit liefern. Dazu montierten sie das 15W-System schlicht auf den Stiel einer Gartenschaufel (Abbildung 4) und hielten es so aus dem Fenster eines Autos. Beim Fahren mit verschiedenen konstanten Geschwindigkeiten maßen sie dann die jeweilige Spannung mit einem Multimeter (Abbildung 5). Das ging allerdings nicht ganz problemlos vonstatten: Abgesehen von erstaunten Blicken der Nachbar und dem mangelnden Verständnis eines Polizeibeamten für die Messmethode erwiesen sich insbesondere aufgrund eines vorangegangenen Schneesturms zum Messzeitpunkt leicht vereiste Straßen als Hindernis.

Abbildung 4: Die recht kompakte 15W-Windturbine, für den Test auf einen Schaufelstiel montiert.

Abbildung 5: Die 15W-Windturbine, bereit für eine erste Messreihe unter winterlichen Bedingungen.

Die Entwickler ermittelten die Daten für Geschwindigkeiten bis zu 50 Meilen/h (80 km/h) und übertrugen sie in eine Tabellenkalkulation. Dort nahmen sie eine polynomische Kurvenanpassung dritter Ordnung vor, um eine passende Gleichung zum Berechnen der Ausgangsspannung bei einer gegebenen Windgeschwindigkeit zu finden (Abbildung 9). Das Ergebnis fasst der Kasten “Kurvenpolynom für die 15W-Windturbine” zusammen. Der maximale Kurvenanpassungsfehler liegt bei +6,89 Prozent / -4,74 Prozent (+0,4V / -0,6V), was für den angepeilten Zweck völlig ausreicht. Das gefundene Polynom lässt sich auf dem Raspberry Pi zum Implementieren von Kontrollfunktionen sowie für das Ermitteln der Windgeschwindigkeit verwenden, gilt aber lediglich für den Freilauf.

Abbildung 6: Spannung bei gegebener Windgeschwindigkeit für die 15W-Windturbine im Freilauf.

Zudem zeigt die Kurve, dass eine einzelne 15W-Windturbine bei geringen Windgeschwindigkeiten von 10 bis 14 Meilen/h (16 bis 22 km/h) zu wenig Leistung für das Projekt Curaçao liefert: Unter solchen Bedingungen wären zwei der Anlagen notwendig, da der 6V-Regulator, der den Ladeschaltkreis der Batterien bedient, eine Eingangsspannung von wenigstens 9 Volt benötigt.

Nach der Beschaffung einer zweiten 15W-Windturbine und einem Parallelbetrieb probehalber kamen die Entwickler zu dem Schluss, dass ein solches Szenario zwar die Leistungsanforderungen gerade so erfüllen würde, jedoch technisch nicht voll befriedigen kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Lösung mit zwei 15W-Windturbinen erschien in technischer Hinsicht als nicht ganz zufriedenstellend.

Deswegen wiederholte das Team die Leistungsmessreihe für die 50W-Windturbine (Abbildung 8), auch hier für Windgeschwindigkeiten bis zu 50 Meilen/h (80 km/h). Die Auswertung erfolgte auf dieselbe Weise wie schon beim 15W-Modell, das Ergebnis zeigt Abbildung 9. Die ermittelten Parameter fasst der Kasten “Kurvenpolynom für die 50W-Windturbine” zusammen, der maximale Kurvenanpassungsfehler liegt hier bei +6,75 Prozent / -7,77 Prozent (+0,9V / -1,07V).

Abbildung 8: Die deutlich größere 50W-Windturbine weist einen mehrblättrigen Rotor auf.

Abbildung 9: Spannung bei gegebener Windgeschwindigkeit für die 50W-Windturbine im Freilauf.

Nachdem sowohl die Konfiguration mit zwei 15W- als auch mit einer 50W-Windturbine die Ansprüche des Projekts decken konnte, beschlossen die Entwickler, beide Varianten auch in der Praxis mit der Projekt-Curaçao-Gerätebox zu testen.

Praxistests

Zunächst untersuchte das Team die Auslegung mit zwei 15W-Windturbinen. Die Ausgangsvermutung ging dahin, dass sich bei geringen Windgeschwindigkeiten von gut 20 km/h wohl nur geringe Spannungen erzeugen lassen würden.