Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit der solaren Stromerzeugung werden wesentlich von den Eigenschaften des Photovoltaik-Wechselrichters bestimmt. Als zentrales Element einer PV-Anlage wandelt er den von den PV-Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für das Netz um. Bislang steht bei der Forschung im Bereich leistungselektronischer Wandler meist die Erhöhung der Leistungsdichte durch den Einsatz neuer Halbleitertechnik und Schaltungstopologien im Fokus. Um dem stetig steigenden Kostendruck einer globalisierten PV-Wirtschaft zu begegnen, sind jedoch neue Forschungsansätze erforderlich.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit Partnern untersucht, wie eine neue Generation von PV-Wechselrichtern aussehen kann. Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert.
Höhere Leistung erzielen
Am Anfang der Projektarbeit stand eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten, deren Kostenanteil bei heutigen Geräten bei bis zu 70 Prozent liegt. Zu den mechanischen Komponenten zählen das Gehäuse, die Kühlungskomponenten und Stützstrukturen. Die elektromechanischen Komponenten umfassen Bauteile wie Steckverbinder, Induktivitäten und Leiterkarten. „Ein Lösungsansatz zur Kostenreduktion besteht darin, die Technologien der verwendeten Komponenten aus den kleineren Leistungsklassen so zu optimieren, dass daraus Geräte mit größerer Leistung entwickelt werden können,“ so Sebastian Franz vom Fraunhofer ISE.
Verluste der Halbleiter vermeiden
Zentrales Element des integrierten Konzepts ist der sogenannte Heiße Kern. Dabei können mehrseitig die auftretenden Verluste der Halbleiter über den Kühlkörper abgeführt werden. Durch die Abkopplung des Kühlkörpers vom Gehäuse konnten die Entwickler das maximale Temperaturniveau um 30 Prozent anheben und in Verbindung mit Sintermaterialien den Materialeinsatz reduzieren. Das Aufbaukonzept beinhaltet unterschiedliche Temperaturzonen, welche sich durch die Art der Kühlung, die maximalen Temperaturen und die IP-Schutzklassen differenzieren. So lassen sich die kühleren Zonen nutzen, um kostengünstige Bauteile mit geringeren Temperaturanforderungen einzusetzen.
Auch bei den Leiterkarten ließen sich durch den Einsatz von Standardtechnik Kosten einsparen. Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie. Durch die gezielte Verwendung von Siliciumkarbid-Halbleitern (SiC) und den damit verbundenen höheren Taktfrequenzen gelang es den Forschern, die passiven Elemente erheblich zu verkleinern, wodurch sich zum einen die Leistungsdichte steigern und gleichzeitig auch hier der Materialeinsatz reduzieren ließ.
Steigerung der Leistungsdichte
Den Projektpartnern ist es gelungen, kostengünstige, am Markt verfügbare, Technik aufzugreifen, diese zu modifizieren und bestmöglich kombiniert in einem Gesamtgerätekonzept zu vereinen. Der maximal gemessene Wirkungsgrad des entwickelten Wechselrichters inklusive dem Eigenverbrauch, beträgt 98,8 Prozent und der europäische Wirkungsgrad des Gesamtgeräts liegt bei 98,3 Prozent. Die Reduktion des Volumens konnte im Wesentlichen auch durch den Einsatz von kleineren mechanischen und elektromechanischen Komponenten erreicht werden. Dadurch wurde ein Gesamtgewicht mit dem Gehäuse von 58,5 Kilogramm bei einem Bauraum von 110 Litern erreicht. „Mit 1200 Watt pro Kilogramm übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten,“ so Franz.
