07.02.2022 • Energie

Mit Leistungselektronik die Sonne anzapfen

Projekt GaN-HighPower widmet sich neuartigen Photovoltaik-Wechselrichtern.

Die Photovoltaik (PV) gewinnt im Zuge der weltweiten Energiewende eine immer größere Bedeutung für eine nachhaltige und bezahlbare Energie­versorgung. Neben der erforderlichen kontinuierlichen Kostensenkung steigen vor diesem Hintergrund aber auch die Anforderungen an die Funktions­vielfalt der Geräte. So werden beispielsweise technische Lösungen benötigt, die neben der Einspeisung des erzeugten Stroms in das europäische Verbundnetz auch ermöglichen, dass PV-Anlagen aktiv zur Stabilisierung des Netzes beitragen. Im Projekt GaN-HighPower werden neue Technologien für den Einsatz in Photovoltaik-Wechselrichtern der nächsten Generation entwickelt und praktisch erprobt.

 

Abb.: Grobe Einstufung von Halb­leiterbau­element­typen in Abhängigkeit der...
Abb.: Grobe Einstufung von Halb­leiterbau­element­typen in Abhängigkeit der applikations­typischen Leistung und Schalt­frequenz (Bild: Infineon Technologies)

Auch Inselnetzanwendungen und der weltweite Einsatz in Umgebungen mit unterschiedlichen Anforderungen, etwa im europäischen oder im nord­amerikanischen Verbundnetz, sollen durch neue Hard- und Software für PV-Wechselrichter ermöglicht werden. Diese und weitere Herausforderungen bearbeitet derzeit ein Konsortium aus drei Technologie­unternehmen, zwei Hochschulen und einer Forschungs­einrichtung.

Die SMA Solar Technology AG, ein weltweit führender Hersteller von PV- und Batterie-Wechselrichtern und Spezialist für PV-Systemlösungen, vertritt im Konsortium die Wechselrichtertechnik aus Herstellersicht. „Ziel des Verbund­forschungs­vorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcen­schonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaik­anwendungen vorzubereiten. Der Fokus liegt dabei auf String-Wechselrichtern mit hoher Leistung“, sagt Klaus Rigbers, bei SMA im Innovation Center zuständig für die Leistungs­elektronik. „In diesem Projekt soll die Nutzung neuester Technologien für PV-Wechselrichter erforscht und erprobt werden, um eine Kosten- und Gewichts­reduktion bei weiterhin sehr hoher Effizienz zu ermöglichen.“

Eine dieser neuen Technologien steuert die Infineon Technologies AG bei. Dazu werden erstmals Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) für Anwendungen hoher Leistung erforscht, wie sie in PV-Wechselrichtern benötigt werden. „Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Dort konnte bereits gezeigt werden, dass GaN-Halbleiter im Vergleich zur Siliziumkarbid (SiC)-Technologie und erst Recht gegenüber klassischen Silizium (Si)-Bauteilen noch schnellere Schaltvorgänge ermöglichen. Im Rahmen des Projekts soll erforscht werden, inwieweit die bisherigen Grenzen der GaN-Technologie nach oben erweitert werden können“, erläutert Peter Friedrichs, Vice President Division Industrial Power Control bei Infineon.

Die Vacuumschmelze GmbH & Co. KG (VAC) ergänzt diese schnellen und effizienten Halbleiter durch optimierte magnetische Bauteile sowie Stromsensoren, die zu einem wesentlichen Teil der Gewichtsreduktion beitragen werden. Simon Sawatzki, Entwicklung Induktive Bauelemente bei VAC: „Eine erfolgreiche Gewichts- und Volumenreduzierung wird durch neuartige, gekoppelte Induktivitäten aus niederpermeablen, nanokristallinen Ringbandkernen erreicht, die deutlich kompakter und verlustärmer als konventionelle Lösungen sind. Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung von breitbandigen Closed-Loop-Stromsensoren, die auch im hohen Frequenzbereich der GaN-Halbleiter den Strom messtechnisch zuverlässig erfassen.“

Von der TH Köln werden die theoretischen Grundlagen für die neuen magnetischen Bauteile geliefert. Ein Benchmark mit bestehenden Technologien soll die erwarteten Vorteile validieren. „Weiter­entwickelte weich­magnetische Bandmaterialien in neuen induktiv gekoppelten Anordnungen sind ein Schlüssel zur Gewichtsreduktion im anvisierten Frequenz-Leistungs­bereich“, sagt Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungs­elektronik und Elektrische Antriebe.

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg bewertet die Möglichkeiten, die für die Entwicklung der Hardware zu Verfügung stehen und bereitet die Integration der neuen Bauteile in einen Technologie­demonstrator vor. Marco Jung, der die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat und die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet, sagt dazu: „Gerade eine funktionierende Ansteuer­elektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, stellt eine wesentliche Herausforderung dar“.

Am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE übernimmt Sebastian Sprunck, Gruppenleiter Bauelemente und Messsysteme, die Koordination des Projekts. „Die Aufgabe des Fraunhofer IEE ist es, die neu entwickelten Bauteile zu untersuchen und ihren Betrieb so effizient wie möglich zu gestalten. Mit diesen neuen Bauteilen wird anschließend in unseren Laboren ein Technologie­demonstrator aufgebaut, an dem die Funktion der neuen Technologien und die angestrebte Gewichtsreduktion im Praxiseinsatz validiert und weitere Schritte zur Optimierung des Systems abgeleitet werden.“ Das Projekt GaN-HighPower wird vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 3,8 Millionen Euro gefördert.

Fh.- IEE / DE

 

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