20. Apr 2017

Schnittbild durch das PV-Wechselrichtermodell. ©Bild: FI/ISE

PV-Wechselrichter: Neue Generation verspricht Kostensenkung

(FI/ISE) Bei der Forschung im Bereich Photovoltaik (PV)-Wechselrichter stand bisher meist die Erhöhung der Leistungsdichte im Fokus. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben nun untersucht, wie eine neue Generation von PV-Wechselrichtern aussehen kann, die dem Aspekt der Kostenoptimierung Rechnung trägt


Dies ist erforderlich, um dem stetig steigenden Kostendruck einer globalisierten PV-Wirtschaft zu begegnen. Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert.

Zielmarke erweitert
Im Projektnamen steckt das Ziel: »PV-Pack: Optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 – 40 kW«. Um dieses zu erreichen, hat sich mit der SMA Solar Technology AG, dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, der Phoenix Contact GmbH & Co. KG und dem Fraunhofer ISE ein hochqualifiziertes Konsortium zusammengefunden. Dabei ergänzen sich die Verbundpartner gut auf den Gebieten thermisch hochleitfähige Sintermaterialien, Verbindungstechnik sowie Leistungselektronik. Die schnelle Entwicklung der Marktbedürfnisse im Blick, haben sie 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.

Systemaufbau
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« so Sebastian Franz, verantwortlich für das Team »Schaltungsentwicklung und Hardware-Design« in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien des Fraunhofer ISE.

Heisser Kern
Zentrales Element des hochintegrierten 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 % 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 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 Standardtechnologien 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 Technologien aufzugreifen, diese zu modifizieren und gut kombiniert in einem Gesamtgerätekonzept zu vereinen. Der maximal gemessene Wirkungsgrad des entwickelten Wechselrichters, inkl. Eigenverbrauch, beträgt 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. Dadurch wurde ein Gesamtgewicht inkl. Gehäuse von 58.5 kg bei einem Bauraum von 110 Litern erreicht. »Mit 1200 W/kg übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten« so Sebastian Franz.

Forschungsprojekt PV Pack >>

Text: Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE

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