Gerätekonzept aus Standardmaterialien ist fertig

Integrierter Wechselrichter reduziert Kosten

Bei einem neuen Forschungsprojekt steht die Kostensenkung für Wechselrichter im Mittelpunkt. © Fraunhofer ISE

Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit der solaren Stromerzeugung werden wesentlich von den Eigenschaften des Photovoltaik-Wechselrichters bestimmt. Bislang steht bei der Forschung meist die Erhöhung der Leistungsdichte im Fokus. Um die Kosten der Geräte zu senken, erprobt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern neue Forschungsansätze. Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert. 

Ein Projekt mit Namen PV-Pack ist jetzt gestartet. Es soll optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 - 40 Kilowatt entwickeln. Die Ergebnisse sollen auch für Wechselrichter höherer Leistungen übertragbar sein. Mit an Bord sind neben dem Fraunhofer ISE die SMA Solar Technology AG, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, und die Phoenix Contact GmbH & Co. KG.

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, verantwortlich für das Team "Schaltungsentwicklung und Hardware-Design" in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien des Fraunhofer ISE.

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 Prozent 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. Durch die gezielte Verwendung von Siliciumkarbid-Halbleitern (SiC) und den damit verbundenen höheren Taktfrequenzen gelang es den Forschern, die passiven Elemente erheblich zu verkleinern. Die Leistungsdichte ist höher, der Materialeinsatz geringer, so die Forscher.

Den Projektpartnern ist es gelungen, kostengünstige am Markt verfügbare Technologien aufzugreifen, diese zu modifizieren und optimal kombiniert in einem Gesamtgerätekonzept zu vereinen. Der maximal gemessene Wirkungsgrad des entwickelten Wechselrichters, inklusive 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 inklusive 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. Quelle: ISE / pgl

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