Über 99 Prozent Wirkungsgrad bei Fotovoltaik-Wechselrichtern

Mit neuen Bauelementen und einer verbesserten Schaltungstechnik reduzierten Forscher des Fraunhofer ISE die Verluste ihrer solaren Wechselrichter um ein Drittel und verbesserten den eigenen Wirkungsgradrekord damit auf 99,03 Prozent.

»Wir verwenden jetzt Sperrschicht-Transistoren (JFETs) aus Siliziumcarbid (SiC) von der Firma SemiSouth«, so Prof. Dr. Bruno Burger, Leiter der Gruppe Leistungselektronik am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme in Freiburg, über den Hauptgrund für die Verbesserung. »Außerdem haben wir die Ansteuerung der Transistoren und viele andere Schaltungsdetails optimiert.«

Den Weltrekord maßen die Forscher an einem kompletten Fotovoltaik-Wechselrichter inklusive des Netzteils zur Eigenversorgung, einem digitalen Signalprozessor zur Regelung, einem LCL-Netzfilter und einem Relais zur Netzkopplung. Bei der Übertragung der Ergebnisse auf die Serienfertigung ergeben sich Vorteile: Eine höhere Effizienz bedeutet weniger Verlustwärme, wodurch die Kühlkörper kleiner und die Wechselrichter insgesamt kompakter werden.

Die Materialeinsparungen durch die kleineren Abmessungen helfen laut Burger, den höheren Preis der neuen Bauelemente zu kompensieren. »Ich sehe ein sehr großes Potenzial für die neuen Transistoren aus Siliziumcarbid. Sie werden ständig besser und billiger, während die Kosten für passive Bauelemente, die insbesondere Kupfer und andere Metalle enthalten, stetig steigen.« Die nächsten Schritte in Richtung einer Serienfertigung sind weitere Tests der Bauelemente und die Anpassung der Schaltungen und Taktfrequenzen an die neuen Anforderungen. Feldtests sollen schließlich die Praxistauglichkeit unter Beweis stellen.

Gemessene Wirkungsgradkennlinie des Wechselrichters mit über 99 Prozent Wirkungsgrad. Quelle: Fraunhofer ISE

Transistoren aus Siliziumcarbid sind vor allem bei höheren Sperrspannungen den heute üblichen IGBTs aus Silizium deutlich überlegen. Ausschlaggebend dafür ist die fast zehnfache Durchbruchfeldstärke und der etwa dreifache Bandabstand von SiC gegenüber Si.

Das Fraunhofer-ISE ist führend auf dem Gebiet der Fotovoltaik-Wechselrichter. Vor mehr als 25 Jahren haben die Ingenieure den ersten transformatorlosen Wechselrichter vorgestellt und diese Technik bis heute stetig weiterentwickelt. Sie hat sich bei der solaren Stromerzeugung inzwischen durchgesetzt.

Die Arbeiten zur Verbesserung des Wechselrichter-Wirkungsgrads werden vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU im Rahmen des Projekts »Ultra kompakter PV-Wechselrichter mit Siliciumcarbid-Halbleitern und hohem Wirkungsgrad« gefördert.