Hitze, Kälte, Staub und Feuchtigkeit: Der Wachstumsmarkt für Photovoltaik ist gekennzeichnet von einem anspruchsvollen, wenn nicht sogar extremen Klima. Unterstützt mit Mitteln aus dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entwickelt der Forschungsverbund PV-LEO die nächste Generation von Wechselrichtern. Diese ermöglichen selbst in den unwirtlichsten Regionen der Welt einen nachhaltigen Betrieb von Photovoltaikanlagen.
„Mit neuartigen Siliziumkarbid-Halbleitern und Ferritmaterialien ist es uns schon jetzt gelungen, die Schaltfrequenz zu erhöhen und den Materialeinsatz zu reduzieren“, sagt Heiko Faßhauer von Kaco new energy, der das Projekt koordiniert. „Im Zusammenspiel mit einem angepassten Kühlungskonzept gewährleistet das auch unter erschwerten Umweltbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit.“ Die weitere gute Nachricht: Design und neue Halbleiter sorgen zugleich für eine steigende Leistungsdichte. Die zu erwartenden sinkenden Preisen für Siliziumkarbid-Halbleiter reduzieren die Gesamtkosten des Systems. „Das senkt die Einstiegshürde und macht Photovoltaik auch in Regionen attraktiv, die wirtschaftlich nicht so stark dastehen“, so Faßhauer.
Projektziel: Leistungsdichte von 1 kg/kW
Siliziumkarbid ermöglicht über höhere Schaltfrequenzen eine verbesserte Effizienz. Das wiederum sorgt für einen höhere Leistungsdichte: Die Wechselrichter können kompakter, kleiner und leichter gebaut werden. Sie lassen sich damit einfacher transportieren und montieren. Ziel der Forscher ist es, bis Projektende einen 25 kVA Wechselrichter-Demonstrator zu entwickeln und zu bauen, dessen Leistungsdichte bei 1 kg/kW liegt. Zum Vergleich: Bei Projektstart erreichten gute Wechselrichter mit Konvektionskühlung einen spezifischen Wert von ca. 2 kg/kW, Wechselrichter mit Zwangskühlung liegen bei 1,5 kg/kW.
Der Forschungsverbund PV-LEO konzentrierte sich auf die neuartigen Leistungshalbleiter (JFET und MOSFET) aus Siliziumkarbid und neuartige Drosseln für die Schaltfrequenzen von 50 kHz und 100 kHz. Im Rahmen des Projekts entwarfen die Forscher ein Konzept für eine sogenannte zweiphasige interleaved Drossel für den Hochsetzsteller. Ihr Vorteil: Das Volumen lässt sich im Vergleich zu zwei konventionellen Drosseln um rund 30 Prozent verringern – damit sinkt das Gewicht deutlich.
Die Effizienz von Siliziumkarbid als Schalter steigt mit der Taktfrequenz. Deshalb legten die Forscher ihr Design für den Wechselrichter auf 50 kHz aus und untersuchten die Auswirkungen auf das Gesamtgewicht der Komponenten. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen Wechselrichtern mit der typischen Taktfrequenz von 17 kHz haben die Drosselkomponenten einen Gewichtsanteil am Gesamtsystem von bis zu 50 Prozent. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz auf 50 kHz konnte das Gewicht der Drosselkomponenten in etwa halbiert werden.
Trotz des neuen Designs liegt der Anteil der Drosseln am Gesamtgewicht des Wechselrichters noch immer bei 20 bis 30 Prozent. Vor allem hier und auch im Bereich des Kühlsystems sieht der Forschungsverbund PV-LEO weiteres Potenzial für die Optimierung des Systems. Mit den dadurch ermöglichten Gewichtseinsparungen soll das Projektziel von 1kg/kW erreicht werden.
Das Verbundprojekt PV-LEO ist im Oktober 2014 im Rahmen der Förderinitiative „F&E für Photovoltaik“ gestartet und läuft bis Ende September 2017. Das Bundesforschungsministerium fördert die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit rund 2,2 Millionen Euro. Zum Forschungsverbund gehören Kaco new energy GmbH, Infineon Technologies AG, SUMIDA Components & Modules GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES).