Kühllösungen für autarke Photovoltaik-Systeme

Solarladeregler (auch Batterieladeregler oder Solarregler) sind ein zentrales Steuerelement in nahezu allen Photovoltaik-Systemen. Verwendung finden sie meist in Off-Grid- bzw. Inselanlagen in Wohnmobilen, Booten oder entlegenen Berghütten. Also in Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen), die nicht an ein öffentliches Netz angeschlossen sind und bei denen die gewonnene Energie in Batterien zwischengespeichert wird. Verbindet man PV-Module direkt mit einer Batterie, besteht ein sehr hohes Risiko, die Batterie durch die schwankende Spannung der Module zu beschädigen oder gar nicht erst aufzuladen. Ein Solarregler reguliert die Spannung und lädt die Batterien möglichst konstant bzw. anhand vordefinierter Ladekurven auf. Zugleich verhindert er bei Nutzung der gespeicherten Energie ein zu tiefes Entladen der Batterie und verlängert damit ihre Lebensdauer. Darüber hinaus stellt der Solarladeregler dem Anwender wichtige Betriebsinformationen bereit und gewährleistet dank integrierter Schutzfunktionen einen sicheren Betrieb des Systems.

Typischerweise heizen sich Batterieladeregler selbst im Normalbetrieb und bei hohem Wirkungsgrad deutlich auf. Dabei gilt: Je höher die auftretenden Ströme, desto mehr Wärme entsteht. Gleichzeitig sind sie beim Einsatz in Inselanlagen den herrschenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt. „Unsere Laderegler gewährleisten einen sicheren Betrieb auch bei Temperaturen bis 50 °C. Allerdings ist eine Überhitzung der Produkte allein aus sicherheitstechnischen Aspekten unbedingt zu vermeiden. Auch die Bedienelemente dürfen sich nicht unzulässig stark erwärmen, damit der Anwender die Geräte jederzeit gefahrlos bedienen kann“, erklärt Felix Pfitzer, Produktmanager bei der KATEK Memmingen GmbH. Die international tätige KATEK Unternehmensgruppe gehört zu den führenden Elektronikdienstleistern Europas und zu den Pionieren der Erneuerbaren Energien-Industrie in Deutschland. Am Standort Memmingen entwickelt und produziert das Unternehmen unter der Produktmarke Steca High-End-Leistungselektronik für Netzwechselrichter und Energiespeicher sowie Regelungstechnik für PV-Anlagen und Brennstoffzellensysteme. Die Produkte zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer, spezielle Algorithmen zur Bestimmung des Batterie-Ladezustandes, präzise Regelung, hohen Wirkungsgrad, einfache Installation und Bedienung sowie eine hohe Qualität und einen sehr niedrigen Stromverbrauch aus. Darüber hinaus besitzen die Solarregler verschiedene technische Funktionen, die einen sicheren Betrieb des Gesamtsystems gewährleisten. Dazu zählen: Überlast- und Tiefentladeschutz, Verpol- und Kurzschlussschutz, elektronische Sicherung, Leerlauf- und Rückstromschutz.

Kühlkörper gewährleisten die einwandfreie Gerätefunktion

Um eine sichere Funktion und Bedienung zu garantieren und eine Überhitzung der Leistungselektronik zu vermeiden, werden in den Solarladereglern Kühlkörper verbaut. Sie sorgen dafür, dass die Geräte die gültigen Sicherheitsrichtlinien einhalten. D. h. sie dürfen selbst bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C an den berührbaren Metalloberflächen maximal 70 °C heiß werden und an den Anschlussklemmen sowie an der Leiterplatte Temperaturen von 100 °C bzw. 130 °C nicht überschreiten. Diese Vorgaben gilt es bei der Gestaltung und Auslegung der Kühlkörper ebenso zu berücksichtigen wie die Sonneneinstrahlung oder den Verschmutzungsgrad der Umgebung. „Aufgrund unterschiedlicher Einstrahlintensitäten an den PV-Modulen schwanken die auftretenden Ströme und damit die Wärmebelastung. Zugleich wechseln – anders als bei festinstallierten Anlagen – bei Inselanlagen die Umgebungstemperaturen ständig. Die Kühlelemente müssen also immer für den Extremfall ausgelegt werden, um alle Szenarien sicher abzudecken“, erklärt Felix Pfitzer. Da die Geräte je nach Einsatzbereich auch hinsichtlich Staub und Dreck unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, kommen für die Batterieladeregler nur wartungsarme, passive Kühllösungen in Betracht. Abgesehen davon würden aktive Kühllösungen mit Lüfter nicht nur den Wartungsaufwand, sondern auch den Energiebedarf und die Geräuschbelastung erhöhen.

Kühlkörper als wichtiger Bestandteil des Gerätegehäuses

Im Fall seiner Solarladeregler vom Typ Steca PR und Solarix PRS entschied sich KATEK für extrudierte Aluminium-Kühlkörper (AlMgSi05, Wärmeleitfähigkeit l: 180 W/mK) in einer an die Gehäuse angepassten Größe von 187 x 91 x 19 Millimetern (L, B, H). „Der Kühlkörper erfüllt in den beiden Reglern jeweils mehrere Funktionen. Er muss nicht nur kühlen, sondern als unterer bzw. rückwärtiger Gehäuseteil auch schützen und gut aussehen. Neben der Kühlleistung spielen also Optik und Wertigkeit ebenfalls eine entscheidende Rolle. Diese Anforderungen mussten wir bei der Auslegung unter einen Hut bekommen“, sagt Felix Pfitzer.

Die Lösung war ein passives, lüfterloses Kühlkonzept, das es ermöglicht, Solarladeregler in skalierbarer Leistung zu produzieren und damit einen weiten Produktbereich für Strom von 10 A bis 40 A abzudecken. Dabei werden Leiterplatte und Elektronikbauteile in den Kühlkörper eingespannt und anschließend das restliche Gehäuse aufgeclipst sowie mit Schrauben sicher verbunden. Besonders wärmekritische Bauteile sind direkt am Kühlkörper montiert, der an diesen Stellen mit zusätzlichen Kühlrippen an der Außenseite versehen ist. Für kühlende Luftzufuhr auf der Unterseite der Leiterplatte sorgt ein kleiner Spalt unterhalb der Platine.

Ausformungen und vorgestanzte Löcher im Kühlkörper erleichtern die Befestigung des Batterieladereglers an einer Wand oder Montageschiene. Die spezielle Kühlkörpergeometrie vereinfacht nicht nur die Montage, sondern garantiert gleichzeitig einen Mindestabstand zur Wand bzw. Schiene und gewährleistet damit auch dort einen Luftaustausch. Für eine wertige Optik und damit die Kühlkörper zum Gesamtdesign der Solarladeregler passen, werden sie einer veredelnden Oberflächenbehandlung unterzogen und nach DIN 1748 schwarz eloxiert.

Anspruchsvolle Geometrie, niedrige Stückkosten

Die Kühlelemente für die Batterieladeregler werden im Extrusionsverfahren nach Vorgaben von KATEK gefertigt. Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Fertigung hoher Stückzahlen, da mit dem einmal angefertigten Extrusionswerkzeug, der Matrize, beliebig viele Kühlelemente produziert werden können. Daher überzeugen extrudierte Kühlkörper nicht nur mit einer hohen Leistung, sondern trotz teils anspruchsvoller Geometrie auch mit besonders niedrigen Stückkosten. Bei der Gestaltung der Matrize werden sämtliche Kühlkörperdetails wie beispielsweise die Querstreben an den Hotspots der Steca-Solarregler oder die Aufnahmen für die Leiterplatte und für die Ein- und Ausgänge vorgesehen. In anschließenden Arbeitsgängen erfolgen das Stanzen der Befestigungslöcher und erforderlichen Aussparungen sowie das Beschriften beispielsweise mit dem Ursprungsland des Geräts. Insbesondere dieser Vorgang spart KATEK aufwändige zusätzliche Schritte in der weiteren Reglerfertigung.

Langjährige Zusammenarbeit

Lieferant der fertig eloxierten, nachbearbeiteten und beschrifteten Kühlkörper für die Steca-Solarladeregler ist die CTX Thermal Solutions GmbH (CTX). „Wir beziehen Kühllösungen für unsere Produkte bereits seit über 15 Jahren von CTX und verlassen uns bei Neuentwicklungen oder Optimierungen gern auf die konstruktive Beratung von CTX“, meint Felix Pfitzer, der für die Produktion der Solarladeregler-Kühlkörper mehrere Anbieter verglich, bevor er sich erneut für CTX entschied. Neben der langjährigen Zusammenarbeit sprachen dabei auch die Zuverlässigkeit, schnelle Lieferzeiten und der attraktive Preis für die Kühlkörper-Experten aus Nettetal.

Über CTX

Die CTX Thermal Solutions GmbH ist ein Spezialist für anwendungsspezifische und standardisierte Kühllösungen für industrielle Hochleistungselektronik. Das Unternehmen mit Sitz im nordrhein-westfälischen Nettetal verfügt über eine umfassende technische Kompetenz und mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Vermarktung von Kühlkörpern, kühlenden Elektronikgehäusen und Lüftertechnik. Das breite Produktportfolio des Full-Line-Anbieters bietet für nahezu jede Applikation die optimale Kühllösung an. CTX wurde 1997 gegründet und beschäftigt über 30 Mitarbeiter. Das Unternehmen gehört umsatzmäßig zu den größten Anbietern von Kühllösungen, insbesondere im Hinblick auf anwendungsspezifische Kühllösungen. Das zertifizierte Qualitäts- und Umweltmanagementsystem entspricht den Anforderungen der DIN EN ISO 9001:2015 sowie der DIN EN ISO 14001:2015.

Über KATEK

Das Leistungsspektrum der KATEK Gruppe deckt den gesamten Lebenszyklus elektronischer Baugruppen und Geräte von der Entwicklung über das Material- und Projektmanagement, die Produktion, Prüftechnik und Logistik bis hin zum After-Sales-Service ab. Seit 2019 ist Steca eine Produktmarke der KATEK Memmingen GmbH. Die Division entwickelt und produziert High-End Leistungselektronik für Netzwechselrichter und Energiespeicher sowie Regelungstechnik für Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellensysteme. Mit einer Geschichte, die 40 Jahre zurückreicht, gehört sie zu den Pionieren der erneuerbaren Energien-Industrie in Deutschland. Die langjährige Fertigungs- und Engineering-Kompetenz sorgt für Produkte, die sich durch hohe Qualität und ein herausragendes Preis-Leistungsverhältnis auszeichnen. Die KATEK Memmingen GmbH mit Standorten in Memmingen (Hauptsitz), Düsseldorf und dem bulgarischen Saedinenie ist Teil der international tätigen KATEK SE. Die KATEK SE erzielt mit ihren insgesamt rund 2.600 Mitarbeitern einen Umsatz von circa 450 Millionen Euro.