Unsere Blogserie zeigt die wichtigsten Schritte zum Bau einer WIL-Turbine.

WIL Turbinenbau 6: ELC-Bau

Damit die Turbine zur Stromversorgung von Geräten genutzt werden kann, ist noch ein wenig Elektronik erforderlich. Daher geht es heute nach den mechanischen Arbeiten an der Turbine und dem Generator mit dem Electronic Load Controller (ELC) weiter. Wieso braucht es den? Die Turbine liefert immer mehr oder weniger die gleiche Leistung. Je nachdem, welche und wie viele elektrische Verbraucher angeschlossen werden, benötigen sie jedoch nicht die gesamte erzeugte Leistung. Dann würden die Spannung und Frequenz ansteigen und die angeschlossenen Geräte würden beschädigt. Damit das nicht passiert, muss die Spannung geregelt werden. Der Generator der Turbine ist so ausgelegt, dass sich bei einer Spannung von 230 V eine Frequenz von 50 Hz einstellt. Wenn die Spannung passt, stimmt die Frequenz also auch. Der ELC sorgt also für eine konstante Spannung für die Verbraucher. Dazu wird in kurzen Impulsen ein Lastwiderstand (kann z.B. auch ein Tauchsieder sein), viele Tausend Mal pro Sekunde zugeschaltet, wo die überschüssige Leistung in Wärme umgesetzt wird. Dies geschieht mit einem Leistungstransistor, der von einem Mikrocontroller angesteuert wird. Über die Länge der Impulse kann dann die Leistung am Lastwiderstand und somit die Spannung geregelt werden.

Nun geht es aber los mit dem Bau des ELC: Wir fangen mit dem Gehäuse an, in das zum Schutz vor Wind und Wetter die Elektronik eingebaut wird. Dazu versehen wir in ein Kunststoffgehäuse mit Bohrungen für die Leitungen, welche die Elektronik mit der Außenwelt verbinden. Damit später alles wieder dicht wird, werden in die Bohrungen noch Kabelverschraubungen eingeschraubt. An einer Seite des Gehäuses sägen wir mit der Stichsäge einen Ausschnitt aus, auf den ein Kühlkörper geklebt wird. An den Kühlkörper werden später Bauelemente angeschraubt, die ohne Kühlung überhitzen würden. Außerdem setzen wir noch eine Sicherung ein, die man später von außen wechseln kann, ohne das Gehäuse zu öffnen. Damit sind die Vorbereitungen am Gehäuse auch schon fertig und wir können uns der eigentlichen Elektronikplatine widmen.

Dazu wurden in den letzten Wochen neben den Platinen alle benötigten Elektronik-Bauteile bestellt, die nun auf die Platine gelötet werden. Wir gehen dabei so vor, dass wir nacheinander funktional zusammenhängende Baugruppen löten, die wir dann direkt testen können. Für die Tests wird eine kleine 9-Volt-Batterie angeschlossen und manchmal noch ein kleiner Tester mit einer LED, den wir extra für die Tests gebaut haben. Für jede Baugruppe wurde sich ein eigenes Testverfahren ausgedacht. Somit ist sichergestellt, dass am Ende die Elektronik auch so funktioniert, wie sie soll und alle Bauteile richtig eingelötet wurden.

Wir beginnen mit der Baugruppe, die die Spannungsversorgung der Elektronik übernimmt. Es geht direkt mit dem schwierigsten Bauteil, einem Spannungsregler in SMD-Technik, los. Das Löten von diesem filigranen Bauteil erfordert etwas Fingerspitzengefühl. Danach wird es einfacher. Nach erfolgreichem Test geht es mit der nächsten Baugruppe weiter.

So wird jede Baugruppe der Reihe nach gelötet und anschließend getestet: LEDs zur Signalisierung von Fehlern, der Leistungstransistor, der den Lastwiderstand schaltet mit Komponenten zur Ansteuerung, Bauteile zur Spannungsmessung, Filter, usw. Zum Schluss wird das Herzstück der Elektronik eingesetzt – ein ATmega-Mikrocontoller, auf dem im Betrieb ein Programm laufen wird, das alle Komponenten steuert.

Nachdem wir mit dem Löten fertig sind, wird die Platine in das vorbereitete Gehäuse eingesetzt und festgeschraubt. Damit sind wir aber noch nicht ganz fertig. Es fehlt noch die Intelligenz zum Steuern des ELC, nämlich die Software auf dem Mikrocontroller. Dazu haben wir ein Arduino-Programm geschrieben, das die Spannungsregelung übernimmt. Daneben überwacht es auch den Netzzustand und schaltet im Fehlerfall die Verbraucher ab, bevor sie Schaden nehmen. In diesem Fall wird mit dem LEDs die Fehlerursache angezeigt, bis das Problem behoben wurde.

Das Programm wird nun mit Hilfe eines weiteren Arduinos auf unseren Mikrocontroller geladen. Wenn auch dieser Schritt erfolgreich durchgeführt wurde, ist nach ca. 10 Stunden Bauzeit der Electronic Load Controller einsatzbereit!