Technologie

Siliziumkarbid-Transistoren verbessern Effizienz von PV-Heimspeichersystemen

23.07.2020 - Neu entwickelter Hybrid-Wechselrichter arbeitet auch im Teillastbereich verlustarm.

Vor dem Hintergrund von Energiewende und steigenden Energie­kosten für Endverbraucher koppeln immer mehr Privat­haushalte ihre Solar­anlagen mit Batterie­speichern. Eine der großen Heraus­forderungen bei diesen Heimspeicher­systemen besteht darin, dass die Batterien bei intensiver Sonnen­einstrahlung innerhalb weniger Stunden aufgeladen und dann über einen längeren Zeitraum bei sehr geringer Leistung entladen werden. Daher sollten Batterie­wechsel­richter einen hohen Umwandlungs­wirkungsgrad über einen möglichst breiten Leistungs­bereich haben. Das Fraunhofer-Institut für solare Energie­systeme hat in dem 2017 gestarteten Projekt HyBaG in Zusammen­arbeit mit Kaco New Energy und Spezial-Trans­formatoren Stockach einen auch im Teillast­bereich verlustarmen Hybrid-Wechsel­richter entwickelt. Privat­haushalte können mit dem neuen Wechsel­richter bis zu 250 Euro jährlich sparen.

Energiespeichersysteme können einen wichtigen Beitrag zur Speicherung von erneuerbarer Energie, zur Reduktion der CO2-Emissionen und zur Stabili­sierung des Stromnetzes leisten. Dafür müssen diese Systeme in Bezug auf Effizienz, Kosten und Ressourcen­verbrauch stets weiter optimiert werden. Die Partner im Projekt HyBaG haben einen Demonstrator für ein PV-Heimspeicher­system entwickelt, welches höchsten Anforderungen genügt. Das Fraunhofer-ISE entwickelte dabei in seinem Teilvorhaben kompakte hoch­effiziente Batterie­lade­geräte einschließlich der entscheidenden innovativen Regelungs­technik. Zentraler Bestandteil des Teil­projekts war die Entwicklung von kompakten und modularen Batterie­stellern, welche durch den Einsatz von neuartigen Gallium­nitrid- und Silizium­karbid-Bauelementen erreicht werden konnte. Die Transistoren-Brücken­schaltungen bilden den Kern der Batterie­ladegeräte und ermöglichen es, immer schneller bei geringeren Verlusten zu schalten.

Zur Optimierung des Teillast­wirkungs­grads wurden im Rahmen des Forschungs­projekts verschiedene Ansätze simulativ untersucht und die besten Konzepte proto­typisch umgesetzt. Die Optimie­rungen bezogen sich sowohl auf die Hardware als auch auf Weiter­entwick­lungen der Software zur Ansteuerung der Leistungs­elektronik. Schaltungs­technisch wurden zunächst verschiedene Topologien untersucht und hinsichtlich des Teillast­wirkungs­grads bei geringer Leistung bewertet. Unter Berück­sich­tigung verschiedener Bewertungs­parameter wurde ein drei­phasiger Synchron­wandler für den Hochvolt-Batterie­steller ausgewählt und aufgebaut. Dieser ermöglicht es, durch die Aktivierung oder Deakti­vierung einzelner Wandler­brücken den Leistungs­bereich gezielt anzupassen.

Für sehr geringe Leistungen wird zusätzlich ein entsprechender Betriebs­modus mit variabler Schalt­frequenz zur Ansteuerung mit möglichst geringen Schalt­verlusten und ein pulsie­render Betrieb mit nur einer Phase aktiviert, bei dem der Wandler nur zehn Prozent der Zeit aktiv ist. „Dadurch kann der Teillast­wirkungs­grad erheblich gesteigert werden, da damit die Ansteuer- und Leerlaufverluste reduziert werden können, die den Wirkungs­grad im Teillast­bereich stark beeinflussen“, erklärt Cornelius Armbruster, Projekt­leiter am Fraunhofer-ISE. Falls nicht alle Phasen gleich­zeitig betrieben werden, empfiehlt es sich, zur gleich­mäßigen thermischen Belastung die einzelnen Phasen alter­nierend zu betreiben. Je nach Leistungs­bereich zeigt ein unter­schied­liches Modulations­verfahren den besten Wirkungs­grad. Im Rahmen des Projekts wurde daher eine wirkungs­grad­optimierte und an den Leistungs­bereich angepasste Betriebs­führung entwickelt und umgesetzt.

In der Serienproduktion können auf Silizium­karbid-Kompo­nenten basierende Heimspeicher­systeme bereits nahezu kosten­neutral in den Markt gebracht werden. Die Optimierung hinsichtlich des Teillast­wirkungs­grads erfolgt bis heute noch kaum. Ein grober Vergleich der verfügbaren Heimspeicher­systeme am Markt zeigt, dass es immer noch erhebliche Unter­schiede zwischen den verfügbaren Systemen gibt. „Ein wesent­licher Einfluss­faktor für die Unter­schiede der am Markt verfüg­baren Systeme sind die Verluste im Teillast­bereich“, erklärt Leonhard Probst, der im Projekt die Optimie­rungen des Batterie­lade­geräts verantwortet. Sehr gute Heimspeicher­systeme verursachen weniger Verluste: Simulationen im Rahmen des Projekts HyBaG haben gezeigt, dass jährliche Einsparungen von 150 bis 250 Euro beim Strombezug erwartet werden. Das Entwickler­team des Fraunhofer-ISE ist in engem Austausch mit Herstellern von Batterie­speicher­systemen, um die Optimierungs­potenziale aufzu­zeigen und neue Technologie­entwicklungen zu begleiten.

Fh.-ISE / RK

Weiter Infos

 

Die nächste Generation der effizienten Lösung für die Gasanalyse von Pfeiffer Vacuum

OmniStar und ThermoStar sind kompakte Benchtop-Analysegeräte für Probengase die unter Atmosphärendruck vorliegen. Sie sind die perfekte Komplettlösung zur Gasanalyse, insbesondere bei chemischen Prozessen, in der Halbleiterindustrie,

Metallurgie, Fermentation, Katalyse, Gefriertrocknung und bei der Umweltanalyse. Die Analysesysteme bestehen aus Einlasssystem, Massenspektrometer PrismaPro, trocken verdichtender Membranvakuumpumpe MVP und Turbopumpe HiPace.

 

Pfeiffer Video

Erfahren Sie mehr über Analysegeräte

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

On-demand-Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum on-demand-Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen

On-demand-Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum on-demand-Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen