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Aus Raspberry Pi Geek 05/2014

Stromversorgung per Windturbine (Seite 3)

Allerdings ergab sich beim Last-Testlauf mit der 50W-Windturbine noch ein kleines Problem: Der Gleichspannungs-Abwärtswandler verabschiedete sich aufgrund einer Überspannung. Warum, das liegt bei genauem Betrachten von Abbildung 9 relativ klar auf der Hand: Der Abwärtswandler ist für eine Eingangsspannung von 19 Volt spezifiziert, die 50W-Windturbine produziert jedoch bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 25 Meilen/h (40 km/h) selbst unter Last satte 22 Volt. Stärkerer Wind und damit eine höhere Spannung grillen dann schlicht den Wandler.

Laut den Spezifikationen der 50W-Windturbine liefert diese unter optimalen Bedingungen 2 Ampere bei 25 Volt – eben 50 Watt. Das übersteigt die Stromaufnahme des Projektaufbaus um das Doppelte bis Vierfache, sodass hier die Spannung noch ansteigt. Das hatte das Entwicklungsteam übersehen.

Überspannungsschutz

Um diesem Effekt entgegenzusteuern, fügten die Entwickler dem Projekt auf der Windturbinenseite einen Schaltkreis zum Schutz des Abwärtswandlers gegen Überspannungen hinzu. Zwar beträgt die Nennleistung der Windturbine lediglich 50 Watt, doch getreu dem Motto “sicher ist sicher” ging das Team für den Schutzschaltkreis von 4 Ampere Stromstärke bei 25 Volt Spannung aus, also von 100 Watt.

Dies erschien schon angesichts der Möglichkeit tropischer Hurrikane im Einsatzgebiet angeraten – auch wenn spitze Zungen dazu anmerkten, dass bei einem solchen Sturm Überspannungen das geringste Problem seien: Vermutlich würde sich die Gerätebox samt Windkraftanlage bei entsprechenden Windstärken bereits auf halbem Weg zur Nachbarinsel Aruba befinden.

Der Schutzschaltkreis greift, sobald die Eingangspannung 20 Volt überschreitet. Zum Einbau kommen ein 5-Ohm/50-Watt-Widerstand sowie zehn parallel geschaltete 5-Watt-Suppressordioden (Abbildung 12). Solche auch als TVS (“Transient Voltage Suppressor”) bezeichneten Dioden leiten Überlastströme ab, sobald die angelegte Spannung die Durchbruchsspannung des Schutzbauteils überschreitet, und kehren anschließend wieder in den Normalbetrieb zurück [4].

Abbildung 12: Der Schutzschaltkreis verhindert, dass durch hohe Windgeschwindigkeiten verursachte Überspannungen das System beschädigen.

Abbildung 12: Der Schutzschaltkreis verhindert, dass durch hohe Windgeschwindigkeiten verursachte Überspannungen das System beschädigen.

Bei einem folgenden erneuten Last-Test (Abbildung 13) bewährte sich die Schutzschaltung. Auch bei Windgeschwindigkeiten von über 40 Meilen/h (an die 70 km/h) ließ sich die Windkraftanlage nun betreiben, ohne der Projekt-Curaçao-Gerätebox kleine Rauchwölkchen zu entlocken.

Abbildung 13: Spannung bei gegebener Windgeschwindigkeit für die Konfiguration mit der 50W-Windturbine.

Abbildung 13: Spannung bei gegebener Windgeschwindigkeit für die Konfiguration mit der 50W-Windturbine.

Schlussfolgerungen

Auf der Basis der beschriebenen Messungen und der Auswertung ergaben sich für das Projekt Curaçao folgende Schlussfolgerungen:

  • Bei Einsatz zweier 15W-Windturbinen generiert die Windkraftanlage erst ab Windgeschwindigkeiten von rund 20 Meilen/h, also gut 30 km/h, ausreichend Strom für die Versorgung der Gerätebox.
  • Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf Curaçao beträgt 14 Meilen/h (22,5 km/h), sodass sich mit den 15W-Windturbinen die meiste Zeit über keine ausreichende Stromversorgung sicherstellen lässt. Eine mögliche Abhilfe bestünde darin, die Windkraftanlage möglichst hoch am Geräteturm zu betreiben – je 10 Meter Höhenunterschied steigt die Windgeschwindigkeit um rund 15 Prozent [5]. Verlässliche Daten über die genaue Verteilung der Windgeschwindigkeiten liegen nicht vor, doch kann man davon ausgehen, dass diese sich typischerweise zwischen 10 und 25 Meilen/h (16 bis 40 km/h) bewegen. In diesem Fall ist die zusätzliche Spannungsversorgung über Solarzellen unverzichtbar.
  • Wie sich Abbildung 6 entnehmen lässt, erreicht die Spannung beim Einsatz zweier 15W-Windturbinen ein Maximum von rund 16,5 Volt bei Windgeschwindigkeiten von 50 Meilen/h (80 km/h). Der auf einem Arduino basierende Watchdog-Timer des Projekt-Curaçao-Systems ist dafür ausgelegt, Werte bis 17 Volt zu messen, und verkraftet bis zu 18,7 Volt. Bei Windgeschwindigkeiten über 80 km/h dürfte dann der analoge Input das geringste Problem darstellen …
  • Aufgrund der Limitierungen beim Einsatz der 15W-Windturbinen kommt für das Projekt zunächst einmal die 50W-Windturbine zum Einsatz. Die Messwerte zeigen, dass diese bereits ab Windgeschwindigkeiten von 15 Meilen/h (24 km/h) ausreichend Spannung generiert, ab 25 Meilen/h (40 km/h) stellt sie eine optimale Versorgung sicher. Ungeachtet dessen planen die Entwickler, auch die 15W-Lösung noch einmal ausführlichen Praxistest am Einsatzort zu unterziehen.

Das Kontrollsystem wurde so ausgelegt, dass es an wolkigen Tagen (geringe Helligkeit und wenig Spannung aus dem Solarzellensystem) die Windkraftanlage zuschaltet. Dasselbe geschieht während der Nacht. Allerdings zeigen die Messwerte, dass sich mithilfe der eingesetzten Windturbinen dauerhaft nur etwa 10 Watt Leistung bereitstellen lassen. Ohne zusätzliche Solarkraftanlage geht es also nicht. Allerdings böten möglicherweise effizientere, vermutlich wesentlich teurere Windturbinen eine Alternative.

Weitere Informationen zum Fortgang des Projekts Curaçao finden Sie im Blog des Autors auf Blogspot [6]. Echtzeitdaten der derzeit bereits in Betrieb befindlichen Gerätebox können Sie auf der Projekt-Website einsehen [7]

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