Photovoltaik-Wechselrichter mit hoch integriertem Konzept verspricht Kostensenkung

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (Freiburg) verfolgen jetzt einen anderen Forschungsansatz: Sie haben gemeinsam mit Partnern untersucht, wie eine neue Generation von PV-Wechselrichtern aussehen kann, die dem Aspekt der Kostenoptimierung Rechnung trägt. Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert.
Für das Projekt „PV-Pack: Optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 – 40 kW“. Arbeiten die SMA Solar Technology AG, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, die Phoenix Contact GmbH & Co. KG und das Fraunhofer ISE zusammen.
Die Partner haben schon zu Projektbeginn die Zielmarke für die Entwicklung eines hochintegrierten PV-Wechselrichters auf eine Nennleistung von 70 kW erweitert. Dabei wurden speziell die mechanischen und elektromechanischen Komponenten analysiert, innovative Lösungsansätze erarbeitet und diese in einem Gesamtkonzept vereint.
Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten
Am Anfang der Projektarbeit stand eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten, deren Kostenanteil bei heutigen Geräten bei bis zu 70 % 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“, erklärt Sebastian Franz vom Fraunhofer ISE.

„Heißer Kern“ als zentrales Element
Zentrales Element des Konzepts ist der „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 % anheben und in Verbindung mit Sintermaterialien den Materialeinsatz maßgeblich reduzieren.
Das Aufbaukonzept beinhaltet unterschiedliche Temperaturzonen, welche sich durch die Art der Kühlung, die maximalen Temperaturen und die IP-Schutzklassen unterscheiden. So lassen sich die kühleren Zonen nutzen, um kostengünstige Bauteile mit geringeren Temperatur-Anforderungen einzusetzen. Auch bei den Leiterkarten konnten durch den Einsatz von Standard-Technologien Kosten eingespart werden.
Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie. Durch die gezielte Verwendung von Siliziumkarbid-Halbleitern (SiC) und den damit verbundenen höheren Taktfrequenzen gelang es den Forschern, die passiven Elemente erheblich zu verkleinern, wodurch die Leistungsdichte gesteigert und der Materialeinsatz reduziert werden konnte.

Maximal gemessener Wirkungsgrad liegt bei 98,8 %
Die Projektpartner haben kostengünstige, am Markt verfügbare Technologien aufgegriffen, verändert, optimal kombiniert und in einem Gesamtgerätekonzept vereint.
Der maximal gemessene Wirkungsgrad des entwickelten Wechselrichters, inkl. Eigenverbrauch, beträgt laut Fraunhofer 98,8 %, und der europäische Wirkungsgrad des Gesamtgeräts liegt bei 98,3 %.
Die Reduktion des Volumens konnte im Wesentlichen auch durch den Einsatz von kleineren mechanischen und elektromechanischen Komponenten erreicht werden.

11.04.2017 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH