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Optimierte Wechselrichter sparen Geld

Der Wechselrichter gehört zu den zentralen Elementen einer PV-Anlage. Seine Aufgabe ist es, den von den PV-Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für das Netz umzuwandeln. Da in der PV-Branche der Kostendruck stetig steigt, sollten Wege gefunden werden, Wechselrichter dahingehend zu optimieren.

Zusammenarbeit von Forschern

Um eine Optimierung der Wechselrichter durch neue Forschungsansätze zu erreichen, hat sich eine Forschungseinheit gebildet, um zu untersuchen, wie die Wechselrichter der Zukunft aussehen. Der wichtigste Punkt war hierbei der Aspekt der Kostenoptimierung. Das Projekt trug den erklärenden Namen „PV-Pack: Optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 – 40 kW“. Zu den forschenden Partnern gehörten:

  • das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
  • die SMA Solar Technology AG
  • das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
  • die Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Hierbei handelt es sich um Verbundpartner, die die idealen Voraussetzungen mitbringen. Sie haben zu Projektbeginn die Zielmarke für die Entwicklung eines hochintegrierten PV-Wechselrichters auf eine Nennleistung von 70 kW festgelegt. Außerdem haben die Forscher:

  • die mechanischen und elektromechanischen Komponenten analysiert
  • neue Lösungsansätze erarbeitet
  • ein Gesamtkonzept erarbeitet

Sebastian Franz, verantwortlich für das Team „Schaltungsentwicklung und Hardware-Design“ in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien des Fraunhofer ISE sagte: „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.“

Das Projekt wurde 2014 gestartet und lief insgesamt drei Jahre. Eine Förderung gab es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung in Höhe von rund 1,9 Millionen Euro.

Technische Details

Am wichtigsten im neuen Konzept war der sogenannte »Heiße Kern«. Auftretende Verluste wurden über den Kühlkörper abgeführt. Der Kühlkörper wurde nun vom Gehäuse getrennt, was zum Ergebnis hatte, dass das maximale Temperaturniveau um 30 Prozent angehoben werden konnte.

Insgesamt beinhaltete das Konzept verschiedene Temperaturzonen, die sich unter anderem durch folgende Parameter unterschieden:

  • die Art der Kühlung
  • die maximalen Temperaturen
  • die IP-Schutzklassen

In einer kühleren Zone konnten Kosten eingespart werden, indem man Bauteile mit geringeren Temperaturanforderungen nutzte. Auch auf den einzelnen Leiterplatten ließen sich Kosten sparen, indem Standardtechnologien verwendet wurden.

Außerdem testeten die Forscher den Einsatz von Siliciumcarbid-Halbleitern. Damit ließen sich die Taktfrequenzen erhöhen und dadurch wiederum wurden die passiven Elemente verkleinert. Das ergab erstens eine Steigerung der Leistungsdichte und zweitens die Möglichkeit, den Materialeinsatz zu reduzieren.

Das Gesamtgerätekonzept beinhaltete nun kostengünstige am Markt verfügbare Technologien, die verändert und optimal aufeinander abgestimmt wurden. Der neue Wechselrichter hatte dann einen Wirkungsgrad inkl. des Eigenverbrauchs von 98,8 Prozent.

Auch das Volumen konnte verringert werden, und zwar durch den Einsatz von kleineren mechanischen und elektromechanischen Komponenten. Mit dem geringeren Gewicht ergab sich eine überdurchschnittliche Leistungsdichte. Sebastian Franz sagte: „Mit 1200 W/kg übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten.“