A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Höhenwindenergieanlagen für den Katastropheneinsatz

Bild 1. Höhenwindkraftwerk von Windlift beim ersten Flugversuch

Bild 2. Schematischer Aufbau des Innenlebens des Höhenwindkraftwerks

Bild 3. Das NI-Compact-Rio-System im Höhenwindkraftwerk

Wird in entlegenen Gebieten elektrische Energie benötigt, kommen häufig Dieselgeneratoren zum Einsatz. Eine Voraussetzung für deren Betrieb ist die zuverlässige Kraftstoffversorgung, die vor allem in Kriegs- und Katastrophengebieten schwierig sein kann. Eine Lösung soll in Zukunft mit Höhenwindenergieanlagen zur Verfügung stehen, die auf einem Fahrzeug montiert eine hohe Flexibilität bieten.

Windlift wurde 2006 gegründet und verfolgt das Ziel, eine mobile Technologie für die Nutzung von Höhenwindenergie zu entwickeln, um damit den Wiederaufbau nach Katastrophen oder Krieg und den Fortschritt in der dritten Welt voranzutreiben. Diese Technologie könnte auch als Ersatz für Dieselgeneratoren zur Stromerzeugung in militärischen Operationen eingesetzt werden.
Die Firma beschäftigt vier Angestellte und wird durch 1,3 Mio. US-$ aus privaten und staatlichen Fördermitteln finanziert. Es wurden bereits zwei Prototypen mit einer Nennleistung von 12 kW entwickelt und ein Entwurfskonzept für ein mobiles System mit 23 kW erstellt (Bild 1). Windlift wird gegenwärtig auch über eine Vereinbarung mit dem US-Verteidigungsministerium finanziell unterstützt, das sich an der Entwicklung der Höhenwindenergietechnologie für den Wiederaufbau in Afghanistan beteiligt. Im Vergleich zu anderen Lösungen im Bereich erneuerbare Energien bietet die Technologie von Windlift eine höhere Leistungsdichte.

Einsatz des Systems
Bei der Höhenwindenergietechnologie wird ein flexibler Gleitschirm eingesetzt, um die Energie des Windes einzufangen. Dieser Gleitschirm ist über Spannseile, die auf einer großen Trommel aufgerollt sind, an einer Bodenstation befestigt. Das System, das auf einem Anhänger angebracht ist, funktioniert nach dem Prinzip eines Hubkolbenmotors mit einem langen Takt. Während des Stromerzeugungstakts fliegt der Gleitschirm aktiv in Windrichtung zur Basisstation, wodurch der Zug auf die Spannseile erhöht wird. Wenn sich der Gleitschirm von der Bodenstation wegbewegt, wickeln sich die Spannseile von der Trommel ab und treiben dadurch einen Motor mit Generator an. Der vom Generator erzeugte Strom wird an die Batterieeinheit geleitet, die ebenfalls auf dem Anhänger montiert ist (Bild 2).

Ist die maximale Seillänge erreicht, wird der Gleitschirm entgegen der Windrichtung ausgerichtet und so der Wind aus den Segeln genommen. Die Seilspannung verringert sich und der Schirm wird wieder eingeholt. Der Nettogewinn an Energie pro Zyklus ist die Energie, die während des Stromerzeugungstakts generiert wurde, abzüglich der während des Einholtakts verbrauchten Energie.
Die Steuerung des Systems erfolgt mit einem Wechselstrommotor mit Generator, zwei Servomotoren für die Lenkung des Gleitschirms und zwei Schrittmotoren für die Zugwinde, mit der die Spannseile auf die Trommel aufgerollt werden. Alle Motoren sind über eine CAN-Busschnittstelle mit einem Embedded-System der Reihe NI Compact Rio verbunden (Bild 3). Zusätzlich kommen zwei analoge Joysticks und einige digitale IO als Schnittstellen zum Einsatz. Gegenwärtig wird die Höhenwindenergieanlage noch manuell betrieben, doch zukünftige Anordnungen sollen automatisiert funktionieren.
Neben den Bedienelementen und Aktoren ist das Compact-Rio-System von National Instruments auch mit Sensoren ausgestattet, die den horizontalen und den vertikalen Winkel des Gleitschirms überwachen, und zwar in Bezug auf die Basisstation, die Zuglast auf den Spannseilen, die auf der Trommel verbleibende Seillänge, den Leistungsfluss zur Batterie sowie deren Ladungszustand. Die Daten dieser Sensoren werden für die Steuerung und Regelung des zyklischen Prozesses und für die Maximierung des erzeugten Stroms sowie der Stabilität verwendet.

Vom Prototyp zur Fertigung
Verschiedene Gründe sprechen für den Einsatz der Compact-Rio-Plattform in diesem Projekt. Zunächst bietet die nahtlose Schnittstelle zwischen Compact Rio und der Entwicklungsumgebung NI Labview eine sofort einsatzbereite Hard- und Softwarelösung mit geringem Lernaufwand. Außerdem bedeutet die breite Verfügbarkeit von Modulen, dass alle unterschiedlichen Sensoren und Protokolle in ein einziges modulares System integriert werden können. Des Weiteren liefert die Leistung und Flexibilität der Kombination aus FPGA und Echtzeitprozessor eine Funktionalität, die mit nur einer der beiden Komponenten nicht möglich wäre. Und schließlich stellt National Instruments mit dieser Lösung einen klaren Entwicklungsweg vom Prototyp zur Fertigung mit ein und derselben Hard- und Software bereit.
Während der Entwicklung nutzte das Unternehmen die Förderung durch das Programm „NI Green Engineering Grant“, um eine NI Developer Suite zu erwerben, die unter anderen die Datenverwaltungs- und -analysesoftware NI Diadem, die Module Labview Real-Time, Labview FPGA, Labview NI Softmotion und Labview Control Design and Simulation sowie das Labview PID and Fuzzy Logic Toolkit enthielt. Als eines der nützlichsten Werkzeuge für dieses Projekt außerhalb der Labview-Entwicklungsumgebung erwies sich die Datenanalysesoftware NI Diadem. Die Engine für Umgebungsvariablen in Compact Rio wird eingesetzt, um Daten für die Protokollierung über eine TCP/IP-Verbindung an einen dezentralen Laptop zu portieren.

Das große Datenvolumen, das während des Programmtests entstand, war für den Entwurfs- und Entwicklungsprozess von hohem Wert. Jede Datendatei, in der zehn Minuten der Betriebsdauer erfasst sind, ist etwa 4 MByte groß und beinhaltet beinahe 70 individuelle Kanäle. Mit NI Diadem können diese großen Datenmengen verarbeitet. Unverzichtbar war außerdem die Möglichkeit, die Messdaten mit einem Video der Anlage im Betrieb zu synchronisieren.
Gegenwärtig befindet sich die Testphase des Prototyps für das mobile Höhenwindkraftwerk in den letzten Zügen. Das Embedded-System Compact Rio war eine wertvolle Unterstützung während des Entwicklungsprozesses und wird auch weiterhin ein integraler Bestandteil des Kraftwerks sein. Ein entscheidender Aspekt dieses Ansatzes ist die Tatsache, dass der Übergang von einem derzeit manuell betriebenen zu einem automatisierten System harmonisiert wird und letztlich nur noch eine Softwareaktualisierung erforderlich ist. Dies ist möglich, da das manuell betriebene System per „Fly by Wire“ arbeitet und Compact Rio über die Funktionalität und das Leistungsvermögen verfügt, anstelle des Anwenders ein automatisiertes System auszuführen.

Der Beitrag als pdf

Autor: Matt Bennett ist für Windlift in Raleigh/USA tätig.