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Grid Parity WR - Grundlegend neues Wechselrichterkonzept als Beitrag zur Erreichung der Grid Parity für die Photovoltaik

Die Firma Fronius entwickelt, fertigt und vertreibt bereits seit mehr als 20 Jahren Produkte im Bereich der Photovoltaik (PV) mit Fokus auf netzgekoppelten Wechselrichtern.
Für die Branche der Photovoltaik ist die Senkung der Systemkosten ein wesentliches Ziel. Dies ist notwendig, um eine Kostenstruktur zu erreichen, bei der Strom aus photovoltaischer Erzeugung mit Haushaltsstromtarifen konkurrieren kann. Dieser Zeitpunkt, der je nach Einstrahlungsverhältnissen und Stromkosten im jeweiligen Land unterschiedlich schnell erreicht wird, ist die so genannte Grid Parity. Diese stellt den nächsten entscheidenden Schritt im Wachstum dieser noch jungen Branche dar. Eine zentrale Einheit im PV-System ist der Wechselrichter. Da dieser aber nur einen geringen direkten Anteil an den Systemkosten hat, muss man auf Faktoren eingehen, welche in Summe die Kosten des Gesamtsystems senken. Hierzu ist es sinnvoll, die „Total Cost of Ownership“ heranzuziehen. Man kommt bei dieser Betrachtung auf zwei ganz wesentliche Stellhebel als Beitrag zur Kostensenkung: Die Gerätelebensdauer und der Gerätewirkungsgrad in Verbindung mit höchstmöglicher Flexibilität. Genau diese beiden Aspekte stellen daher auch die wesentlichen Merkmale für eine ganz neue Generation an Wechselrichter mit fundamental neuen Eigenschaften dar.

Projektverlauf

Das Projekt besteht aus den beiden Aspekten Wirkungsgrad und Lebensdauer, welche in enger Abstimmung auf konzeptioneller und methodischer Basis untersucht werden. Ziel ist, es einerseits sowohl Wissen, als auch Werkzeuge als Basis für zukünftige Entwicklungen aufzubauen und andererseits die Machbarkeit und Anwendbarkeit von grundlegenden Konzepten zu beweisen. Dies soll eine langfristige und umfassende Basis für kommende Entwicklungsprojekte und daraus folgende konkrete Produkte der Unternehmenssparte Solarelektronik bieten.

Das Ziel hinsichtlich der Effizienz war eine Halbierung der aktuellen Verlustleistung. Die theoretischen und umsetzungsrelevanten Aspekte dieses Konzepts sollten dabei analysiert werden. Ziel war es die technische Machbarkeit sowie die Umsetzbarkeit in großen Stückzahlen darzulegen. Dieses Ziel wird jeweils unter geforderten Rahmenbedingungen wie Eingangsspannungsfenster, Erdbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Kompaktheit betrachtet.

 Der zweite wesentliche Stellhebel für die Systemkostenreduktion ist die Zuverlässigkeit von Wechselrichtern. Im Zuge unterschiedlicher Versuchsreihen wurden wesentliche theoretische Fragestellungen zu dieser Thematik geklärt. Auf Grund der extrem hohen Anforderung an die Gerätelebensdauer bei gleichzeitiger Forderung eines wartungsfreien Betriebs, ergibt sich eine sehr spezielle Herausforderung in Bezug auf Bauteile, Baugruppen und Geräte. Im Moment wird bei Photovoltaikanlagen aufgrund der langfristig angelegten Fördersituation (Deutschland 20 Jahre garantiert) auch eine dementsprechende Lebensdauer von den Komponenten erwartet. Da diese Werte aber bis heute in der Praxis kaum erreicht werden, ist es gängig, bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung von PV Anlagen auf 20 Jahre einen zweiten und zum Teil sogar einen dritten Wechselrichter einzurechnen.

Ergebnisse

Mit einer auf minimale Verluste optimierten schaltentlasteten DC/AC-Topologie unter Verwendung von „konventionellen“ Si-Halbleitern (z.B.: MOSFETs) kann beinahe derselbe hohe Wirkungsgrad erreicht werden, wie bei Verwendung von SiC-Halbleiterschaltern in einer nicht entlasteten Topologie. In Punkto Zuverlässigkeit und Kosten spricht zur Zeit ebenso noch alles für den Einsatz von Si-Halbleiterschalter neuester Generation - dies zeigte auch die durchgeführte USA-Auditreise.

Die bisherigen Ergebnisse der Lebensdauertests haben gezeigt, dass auch bei hohen Stichprobenumfängen eine sehr lange Testdauer erforderlich ist um Ergebnisse also Ausfälle zu finden. Sofern sich die Schädigung als Messgröße quantifizieren lässt, können Schädigungsmodelle sehr gut validiert werden. 

Ein validiertes Schädigungsmodell ist die Voraussetzung um die Lebensdaueranforderungen experimentell nachzuweisen. Die Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit des Systems entscheidet sich jedoch in der Entwurfsphase. Es hat sich gezeigt, dass die Erforschung der Schädigungsphysik bereits in den frühen Entwicklungsphasen das Bewusstsein auf die Robustheit lenkt. Das Verständnis der Schädigungstreiber (Temperatur, Spannung, etc.) führt zu Systemen, welche über ausreichend Robustheits-Marge verfügen. Die Robustheit wird durch Lebensdauertests auf Bauteil-, Platinen- und Systemebene nachgewiesen. Dadurch ist auch bei leicht geänderten Gerätevarianten eine Aussage zur Dauerhaltbarkeit möglich.

Um die Parameter Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit weiter zu optimieren, müssen in Zukunft noch wichtige Aufgaben gelöst werden. So wird etwa bei jeder kritischen Komponenten-Schadart-Kombination bei der Entwicklung eines Lebensdauermodelles versucht, eine messbare Größe zu finden, mit welcher sich der Fortschritt der Schädigung quantifizieren lässt. Dadurch müssen Tests nicht mehr bis zum Ausfall mehrerer Versuchsträger geführt werden.

Auch wenn große Anstrengungen unternommen wurden, ist nicht auszuschließen, dass es im Kundenbetrieb zu Ausfällen kommt. Im Zuge des Reparaturprozesses wird neben der raschen Behebung des Ausfalls beim Kunden dafür gesorgt, dass die Ausfallsursache untersucht wird. Da bei zukünftigen Geräten auf jeder Platine ein Datenlogger, ähnlich einer Black-Box im Flugzeug, installiert ist, lassen sich zu jedem Ausfall wichtige Parameter wie die Laufzeit, Temperatur, Spannungsprofil etc. dokumentieren. Diese Daten werden zur weiteren Verfeinerung der Schädigungsmodelle herangezogen.

Einen wesentlichen Anteil hat auch das Verankern der Erfahrungen hinsichtlich Lebensdauer in die Prozesskette. In enger Zusammenarbeit mit dem Qualitätsmanagement werden die Abläufe und internen Tools untersucht, um die idealen Eingriffspunkte zu definieren. Hierzu wurde bereits jetzt eine Anpassungsprogrammierung unserer Fronius internen Bauteil- und Funktionsgruppenverwaltung beauftragt, um dort die FIT Rate bzw. weiterführende Qualitätsmerkmale mit zu verankern.

Des Weiteren stehen Anwendungstests mit sich in Entwicklung befindlichen Geräten an. Geplant ist, die finale Bauteilauswahl bereits mit der erarbeiteten Datenbasis und Rechenmodellen zu machen.

Steckbrief

Projektnummer
825408
Koordinator
FRONIUS INTERNATIONAL GmbH
Projektleitung
Günter Ritzberger, ritzberger.guenter@fronius.com
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
01.2010 - 12.2012
Budget
1.133.944 €