Bislang arbeiten Forscher im Bereich leistungselektronischer Wandler meist daran, die Leistungsdichte durch neue Halbleitertechnologien zu steigern oder es stehen die Schaltungstopologien im Fokus. Künftig sind jedoch ganz neue Ansätze für Wechselrichter erforderlich.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit Partnern untersucht, wie eine neue Generation von PV-Wechselrichtern aussehen kann, um Kosten zu optimieren: Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert. Das Projekt PV-Pack konzentriert sich deshalb auf schnell getaktete und integrierte Photovoltaikwechselrichter mit zehn bis 40 Kilowatt Leistung. Um dieses zu erreichen, arbeitet SMA Solar Technology mit dem Fraunhofer-Instituten IFAM und ISE sowie Phoenix Contact zusammen. Dabei ergänzen sich die Verbundpartner auf den Gebieten thermisch leitfähiger Sintermaterialien, Verbindungstechnik sowie Leistungselektronik. Der Markt verlangt laut dem Zusammenschluss nach immer mehr Leistung. Die Zielmarke für die Entwicklung wurde auf 70 Kilowatt erweitert.
Am Anfang der Projektarbeit stand eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten. Deren Kostenanteil liegt bei heutigen Geräten bei bis zu 70 Prozent. Zu den mechanischen Komponenten zählen: Gehäuse, Kühlungskomponenten und Stützstrukturen. Die elektromechanischen Komponenten umfassen Bauteile wie Steckverbinder, Induktivitäten und Leiterkarten.
Hoffnungsträger Siliciumkarbid
Zentrales Element des integrierten 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: Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie. Durch die gezielte Verwendung von Siliciumkarbid-Halbleitern, kurz 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.
1.200 Watt pro Kilogramm
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 mit dem Gehäuse von 58,5 Kilogramm bei einem Bauraum von 110 Litern erreicht. „Mit 1.200 Watt pro Kilogramm übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten“, sagt ISE- Projektleiter Sebastian Franz. Das im Jahre 2014 gestartete Projekt PV-Pack hatte eine Laufzeit von drei Jahren und wurde vom Bundesforschungsministerium mit rund 1,9 Millionen Euro gefördert. (nhp)