Fraunhofer ISE entwickelt neue Generation von Photovoltaik-Wechselrichtern

Bei Photovoltaik-Wechselrichtern stand bislang zumeist die Erhöhung des Wirkungsgrades im Fokus. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hält hinsichtlich des steigenden Kostendrucks in der globalisierten Photovoltaik-Industrie neue Forschungsansätze für erforderlich. Daher haben die Freiburger Wissenschaftler nun gemeinsam mit Partnern untersucht, wie eine neue Generation von Wechselrichtern aussehen sollte, die zur Kostenoptimierung beitragen. „Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik wurden dabei als zentrale Stellschrauben identifiziert“, heißt es beim Fraunhofer ISE.

Bereits im Namen des neuen Forschungsprojekts steckte daher das Ziel: „PV-Pack: Optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 – 40 Kilowatt«. Dafür habe sich das Fraunhofer ISE in einem Konsortium mit SMA, dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und Phoenix Contact zusammengeschlossen. Die Partner ergänzten sich gut auf dem Gebiet thermisch hochleitfähiger Sintermaterialien, Verbindungstechnik sowie Leistungselektronik. Mit Blick auf die Marktbedürfnisse hätten sie zu Projektbeginn entschieden, die Zielmarke für die Entwicklung eines hochintegrierten Photovoltaik-Wechselrichters auf eine Nennleistung von 70 Kilowatt zu erweitern.

Zu Beginn des Projekts sei eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten erfolgt. Ihr Kostenanteil an Photovoltaik-Wechselrichtern liege aktuelle bei bis zu 70 Prozent, so die Forscher. Zu den mechanischen Komponenten zählen das Gehäuse, die Kühlungskomponenten und Stützstrukturen. Die elektromechanischen Komponenten umfassen Bauteile wie Steckverbinder, Induktivitäten und Leiterkarten, wie es weiter hieß. „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“, sagt Sebastian Franz, verantwortlich für das Team „Schaltungsentwicklung und Hardware-Design“ in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien des Fraunhofer ISE.

Zentrales Element des hochintegrierten Photovoltaik-Wechselrichterkonzepts sei der sogenannte „heiße Kern“. Mit diesem könnten mehrseitig die auftretenden Verluste der Halbleiter über den Kühlkörper abgeführt werden. Mit der Abkopplung des Kühlkörpers vom Gehäuse hätten die Entwickler das maximale Temperaturniveau um 30 Prozent anheben und in Verbindung mit Sintermaterialien den Materialeinsatz maßgeblich reduzieren können, hieß es weiter. Das Konzept beinhalte unterschiedliche Temperaturzonen, welche sich durch die Art der Kühlung, die maximalen Temperaturen und die IP-Schutzklassen differenzieren. Bei den Leiterkarten ließen sich zudem durch den Einsatz von Standardtechnologien Kosten einsparen. Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet dem Fraunhofer ISE zufolge fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie. Die gezielte Verwendung von Siliciumkarbid-Halbleitern (SiC) und den damit verbundenen höheren Taktfrequenzen habe dazu geführt, dass die passiven Elemente erheblich verkleinert werden konnten. Damit sei die Leistungsdichte gesteigert und gleichzeitig der Materialaufwand reduziert worden.

„Den Projektpartnern ist es gelungen, kostengünstige am Markt verfügbare Technologien aufzugreifen, diese zu modifizieren und optimal kombiniert in einem Gesamtgerätekonzept zu vereinen“, so das Fazit der Freiburger Wissenschaftler. Der maximale Wirkungsgrad des entwickelten Photovoltaik-Wechselrichters habe inklusive Eigenverbrauch bei 98,8 Prozent gelegen. Der europäische Wirkungsgrad des Gesamtgeräts betrage 98,3 Prozent. Das Gesamtgewicht betrage mitsamt Gehäuse 58,5 Kilogramm bei einem Bauraum von 110 Litern. „Mit 1200 Watt/Kilogramm übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten« sagte Franz.

Das Forschungsprojet „PV Pack“ startete 2014. Während der dreijährigen Laufzeit ist es mit rund 1,9 Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert worden.