In Wechselrichter eingebaute Siliziumkarbid-Transistoren erhöhen die Effizienz von Solarstromanlagen.
Platine eines Wechselrichters mit Siliziumkarbid-Bauelementen. Quelle: ©Fraunhofer ISE
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat mit 98,5 % einen neuen Weltrekord für Photovoltaik-Wechselrichter aufgestellt. Mit Siliziumkarbid-Bauelementen des amerikanischen Herstellers CREE, Inc. konnte die Verlustleistung herkömmlicher Geräte um 30 bis 50 % verringert werden. Die Freiburger Forscher sind weltweit die Ersten, die das neue Halbleitermaterial in Wechselrichtern getestet haben.
Wechselrichter wandeln den von Photovoltaik-Anlagen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und speisen ihn ins öffentliche Netz ein. Je höher der Wirkungsgrad des Wechselrichters, desto höher ist der Ertrag der gesamten Anlage. »Siliziumkarbid-Bauelemente schalten schneller und haben kleinere Durchlassverluste als bisher verwendete Bauelemente aus Silizium«, so Dr. Bruno Burger, Leiter der Gruppe Leistungselektronik am Fraunhofer ISE. »Dank unserer guten Beziehungen zum amerikanischen Hersteller CREE sind wir die Einzigen, die bereits über Transistoren aus dem neuen Material verfügen. Wir haben sie charakterisiert und in bestehende Wechselrichter integriert. Durch eine Optimierung der Geräte speziell für das Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad bestimmt noch weiter steigern«.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist führend auf dem Gebiet der Photovoltaik-Wechselrichter. Vor 25 Jahren haben die Ingenieure den ersten transformatorlosen Wechselrichter vorgestellt und die transformatorlose Technik bis heute stetig weiter entwickelt. Sie hat sich bei der Solarstromerzeugung inzwischen durchgesetzt. Transformatorlose Wechselrichter sind effizienter, kostengünstiger und leichter als Geräte mit Transformatoren.
Das derzeitige Hauptanwendungsgebiet des Halbleiters Siliziumkarbid SiC sind weiße LEDs, die gerade die Beleuchtungstechnik revolutionieren. SiC-Dioden sind schon seit einiger Zeit verfügbar. Die für die Leistungsstufe in Wechselrichtern nötigen MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistoren) gab es bisher nicht. Bruno Burger und sein Team erzielten den Wirkungsgrad-Rekord mit einem einphasigen Wechselrichter mit der zum Patent angemeldeten HERIC®-Topologie, der eine Nennleistung von 5 Kilowatt hat. Bei einem dreiphasigen Wechselrichter mit 7 Kilowatt Nennleistung steigerten sie den Wirkungsgrad von 95,1 % auf 97,5 %.
Bei Wechselrichtern ist nicht nur der maximale Wirkungsgrad wichtig: Für hohen Ertrag sollte er über einen möglichst weiten Leistungsbereich hoch sein. Der »Europäische Wirkungsgrad« ist ein genormter Mittelwert bei verschiedenen Leistungen. Wechselrichter mit den Siliziumkarbid-Bauteilen von CREE erzielten auch bezüglich dieser Definition einen neuen Rekord.