Wechselrichter der nächsten Generation für extreme Klimazonen

Einsatz neuartiger Siliziumkarbid-Halbleiter verspricht hohe Schaltfrequenz und steigende Leistungsdichte/Forschungsverbund entwickelt neues Drosselkonzept

Hitze, Kälte, Staub und Feuchtigkeit: Die Wachstumsmärkt für Photovoltaik kennzeichnet ein anspruchsvolles, wenn nicht sogar extremes Klima. Unterstützt mit Mitteln aus dem Bundesforschungs- und Wirtschaftsministerium entwickelt der Forschungsverbund PV-LEO die nächste Generation von Wechselrichtern. Diese ermöglichen selbst in den unwirtlichen Regionen der Welt einen nachhaltigen Betrieb von Photovoltaikanlagen. Zum Forschungsverbund gehören Kaco new energy GmbH, Infineon Technologies AG, SUMIDA Components & Modules GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES).

„Mit neuartigen Siliziumkarbid-Halbleitern und Ferritmaterialien ist es uns schon jetzt gelungen, die Schaltfrequenz zu erhöhen und den Materialeinsatz zu reduzieren“, sagt Heiko Faßhauer von Kaco new energy, der das Projekt koordiniert. „Im Zusammenspiel mit einem angepassten Kühlungskonzept gewährleistet das auch unter erschwerten Umweltbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit.“ Die weitere gute Nachricht: Design und neue Halbleiter sorgen zugleich für eine steigende Leistungsdichte. Die zu erwartenden sinkenden Preisen für Siliziumkarbid-Halbleiter reduzieren die Gesamtkosten des Systems. „Das senkt die Einstiegshürde und macht Photovoltaik auch in Regionen attraktiv, die wirtschaftlich nicht so stark dastehen“, so Faßhauer.

Siliziumkarbid ermöglicht über höhere Schaltfrequenzen eine verbesserte Effizienz. Das wiederum sorgt für einen höhere Leistungsdichte: Die Wechselrichter können kompakter, kleiner und leichter gebaut werden. Sie lassen sich damit einfacher transportieren und montieren. Ziel der Forscher ist es, bis Projektende einen 25 kVA Wechselrichter-Demonstrator zu entwickeln und zu bauen, dessen Leistungsdichte bei 1 kg/kW liegt. Zum Vergleich: Bei Projektstart erreichten gute Wechselrichter mit Konvektionskühlung einen spezifischen Wert von ca. 2 kg/kW, Wechselrichter mit Zwangskühlung liegen bei 1,5 kg/kW.

Der Forschungsverbund PV-LEO konzentrierte sich auf die neuartigen Leistungshalbleiter (JFET und MOSFET) aus Siliziumkarbid und neuartige Drosseln für die Schaltfrequenzen von 50 kHz und 100 kHz. Im Rahmen des Projekts entwarfen die Forscher ein Konzept für eine sogenannte zweiphasige interleaved Drossel für den Hochsetzsteller. Ihr Vorteil: Das Volumen lässt sich im Vergleich zu zwei konventionellen Drosseln um rund 30 Prozent verringern – damit sinkt das Gewicht deutlich. Die Effizienz von Siliziumkarbid als Schalter steigt mit der Taktfrequenz. Deshalb legten die Forscher ihr Design für den Wechselrichter auf 50 kHz aus und untersuchten die Auswirkungen auf das Gesamtgewicht der Komponenten. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen Wechselrichtern mit der typischen Taktfrequenz von 17 kHz haben die Drosselkomponenten einen Gewichtsanteil am Gesamtsystem von bis zu 50 Prozent. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz auf 50 kHz konnte das Gewicht der Drosselkomponenten in etwa halbiert werden.

Trotz des neuen Designs liegt der Anteil der Drosseln am Gesamtgewicht des Wechselrichters noch immer bei 20 bis 30 Prozent. Vor allem hier und auch im Bereich des Kühlsystems sieht der Forschungsverbund PV-LEO weiteres Potenzial für die Optimierung des Systems. Mit den dadurch ermöglichten Gewichtseinsparungen soll das Projektziel von 1kg/kW erreicht werden.

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Die im Forschungsprojekt PV-LEO entwickelte interleaved Drossel (links im Bild) hat gegenüber zwei konventionellen Drosseln (rechts) erhebliche Vorteile: Das Volumen konnte um 28 Prozent, das Gewicht um 17,5 Prozent reduziert werd

Über Solarstromforschung
F&E für Photovoltaik – oder kurz: Solarstromforschung – ist eine Maßnahme im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung und des Förderprogramms Photonik Forschung Deutschland. Über die Förderinitiative „F&E für Photovoltaik“ unterstützen das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) und das Bundesforschungsministerium (BMBF) die Forschungsanstrengungen der Photovoltaik-Industrie in Deutschland über einen Zeitraum von drei Jahren mit insgesamt rund 50 Mio. Euro. Dabei erhalten mehr als zehn Forschungsvorhaben eine finanzielle Unterstützung für ihre bis 2017/2018 laufenden Projekte. Das Ziel der Solarstromforschung ist, Geschäftsmodelle mit Wertschöpfungsketten am Standort Deutschland im Verbund von Industrie und industrienahen Dienstleistungen voranzutreiben. Die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Photovoltaik-Branche soll mittel- und langfristig gesichert und ausgebaut werden.

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