Forschung zu Photovoltaik
Weltpremiere für Mittelspannungs-PV-Stringwechselrichter
Das Fraunhofer-Institut ISE hat den weltweit ersten Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Großkraftwerke erfolgreich in Betrieb genommen. Mit dem Einspeisen ins Mittelspannungsnetz konnten die Forscher nachweisen, dass für PV-Wechselrichter eine höhere Spannungsebene technisch möglich ist.
Heutige PV-Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen zwischen 400 VAC und 800 VAC. Dass trotz weiter steigender Kraftwerksleistungen die Spannung bisher nicht weiter erhöht wurde, hat zwei Gründe: Zum einen die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silizium-Halbleitern zu bauen. Zum anderen die aktuellen PV-spezifischen Normen, die nur den Bereich der Niederspannung (max. 1.500 VDC bzw. 1.000 VAC) abdecken.
Im Projekt »MS-LeiKra« entwickelte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Kooperation mit den Partnern Siemens und Sumida einen Wechselrichter, der eine Anhebung der Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 V) bei einer Leistung von 250 kVA erlaubt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von hochsperrenden Siliziumkarbid-Halbleitern.
Das Forschungsteam setzte außerdem ein Kühlkonzept mit Heatpipes um, so dass durch eine effizientere Kühlleistung auch der Materialeinsatz von Aluminium reduziert werden kann.
Enormes Einsparpotenzial durch dünnere Kabel
In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk sind mehrere Dutzend Kilometer an Kupferkabeln verlegt. Hier liegen erhebliche Einsparpotenziale durch eine Erhöhung der Spannung: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 kVA wird bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 VAC ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² benötigt.
Erhöht man die Spannung auf 1.500 VAC, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 mm². Dies reduziert den Kupferverbrauch um etwa 700 Kilogramm pro Kilometer Kabel.
Anpassung der Normen nötig
Mit dem Projekt werden die normativen Bedingungen der Niederspannung (< 1000 VAC / <1500 VDC) verlassen; die aktuellen PV-spezifischen Normen decken diesen Bereich nicht ab. Daher beschäftigt sich das Projektteam auch mit den normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben.
Nach der erfolgreichen Einspeisung ins Mittelspannungsnetz sucht das Forschungsteam nun Entwickler von Photovoltaik-Parks und Netzbetreiber für die Erprobung des Kraftwerkskonzeptes im Feld.
Neben dem Einsatz in der Photovoltaik ist der Schritt über die Grenzen der Niederspannung hinaus auch für andere Anwendungen wie Windkraftanlagen interessant, wo durch die steigenden Anlagenleistungen ebenfalls große Kabelquerschnitte benötigt werden.
Aber auch in der Ladeinfrastruktur für größere Elektro-Fahrzeuge bzw. -fuhrparks oder Industrienetze birgt ein Mittelspannungs-Wechselrichter Einsparpotenzial durch die Reduktion von Kabelquerschnitten.
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