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Photovoltaik: Forscher entwickeln neue Wechselrichter für extreme Klimazonen

Der Forschungsverbund PV-LEO entwickelt gerade neue Wechselrichter: mit ihnen sollen selbst in den unwirtlichen Regionen der Welt ein nachhaltiger Betrieb von Photovoltaik-Anlagen ermöglicht werden können.

"Mit neuartigen Siliziumkarbid-Halbleitern und Ferritmaterialien ist es uns schon jetzt gelungen, die Schaltfrequenz zu erhöhen und den Materialeinsatz zu reduzieren. Im Zusammenspiel mit einem angepassten Kühlungskonzept gewährleistet das auch unter erschwerten Umweltbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit", sagt Heiko Faßhauer von Kaco new energy, der das Projekt koordiniert.

Steigende Leistungsdichte

Design und neue Halbleiter sorgen laut Faßhauer zugleich für eine steigende Leistungsdichte. Die zu erwartenden sinkenden Preise für Siliziumkarbid-Halbleiter würden außerdem die Gesamtkosten des Systems reduzieren. "Das senkt die Einstiegshürde und macht Photovoltaik auch in Regionen attraktiv, die wirtschaftlich nicht so stark dastehen", so Faßhauer. Siliziumkarbid ermögliche über höhere Schaltfrequenzen eine verbesserte Effizienz. Das wiederum sorge für eine höhere Leistungsdichte.

Die Wechselrichter können kompakter, kleiner und leichter gebaut werden. Dies erleichtere den Transport und die Montage. 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.

Neuartige Drosseln für die Schaltfrequenzen

Der Forschungsverbund PV-LEO hat sich auf die neuartigen Leistungshalbleiter (JFET und MOSFET) aus Siliziumkarbid und neuartige Drosseln für die Schaltfrequenzen von 50 kHz und 100 kHz konzentriert. Im Rahmen des Projekts entwarfen die Forscher ein Konzept für eine sogenannte zweiphasige interleaved Drossel für den Hochsetzsteller. Dadurch lasse sich das Volumen im Vergleich zu zwei konventionellen Drosseln um rund 30 Prozent verringern und damit das Gewicht senken, so die Forscher.

Gewichtsreduzierung der Drosselkomponenten

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.

Optimierungspotenzial

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 Forschungsprojekt wird mit Mitteln aus dem Bundesforschungs- und Wirtschaftsministerium unterstützt. Zum Forschungsverbund PV-LEO gehören Kaco new energy GmbH, Infineon Technologies AG, SUMIDA Components & Modules GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES). (fei)

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