Zeitschrift EE

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2001-02: Photovoltaik

Forschung und Entwicklung

Erfreulicherweise erlebt der PV Netzkoppelmarkt in vielen Ländern Europas, aber auch in Übersee ein starkes Wachstum. Mit den stark steigenden Stückzahlen erwachsen den Herstellern von Wechselrichtern aber auch neue Herausforderungen, die mit den bisherigen Konzepten oft nur unzulänglich oder gar nicht mehr bewältigt werden können. Die Vervielfachung der Produktionszahlen erfordert z.B. neue Logistikkonzepte im Bauteileinkauf, der Lagerhaltung und der Produktion.

Neue Wechselrichtergeneration für den netzgekoppelten PV-Markt

Von Christoph Panhuber*

Gleichzeitig haben sich die Anforderungen der zunehmend an wirtschaftlichen Kriterien orientierten Benutzer stark erhöht. Dieser Kundenkreis stellt sehr hohe Ansprüche an Preis, Qualität, Kundenservice und -support sowie Geschwindigkeit bei der Lösung eines aufgetretenen Problems.
Die Anforderungen der unterschiedlichen Marktteilnehmer in der Vertriebskette lassen sich im Spannungsfeld der folgenden vier Aspekte beschreiben: Technologie, Ökonomie, Ökologie und Ergonomie.
Technologie: Gefordert sind ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom und Flexibilität in jeder Hinsicht, das heißt ein weiter Eingangsspannungsbereich, die Möglichkeit der Montage innen oder außen, unterschiedliche Leistungsklassen und ein weiter Betriebstemperaturbereich. Weiters besteht die Anforderung nach hoher Betriebssicherheit, langer Lebensdauer und nach Gewichts- und Volumenreduktion der Geräte. Kommunikationsmöglichkeiten, wie Datenerfassung und -speicherung, Datenübertragung via Modem, E-mail oder SMS, Anschlussmöglichkeiten für Messsensoren und ein integriertes und abgesetztes Display, sind notwendig.
Ökonomie wird durch eine schnelle und unkomplizierte Montage, ein überzeugendes Preis/Leistungsverhältnis, niedrige Transportkosten durch geringes Transportvolumen und Gewicht und schließlich durch geringe Servicekosten gewährleistet.
Ökologie: Voll recyclingfähige Materialien werden verwendet. Der Einsatz energieintensiver Stoffe (z.B. Aluminium) wird drastisch reduziert. Durch Gewichts- und Volumenreduktion wird eine Verringerung der zum Transport nötigen Energie erreicht.
Ergonomie wird dadurch erreicht, dass das Gerätedesign ansprechend und modern gestaltet wurde. Weiters sind die Betriebsinformation ist einfach und klar für den Endkunden am Gerät verfügbar und die Benutzerschnittstellen leicht zu bedienen.
Wichtig ist dabei, dass für den Erfolg am Markt auch nichttechnische Aspekte von entscheidender Bedeutung sind. Dies ist aber durchaus positiv zu sehen, denn das ist ein Zeichen für die Bewegung hin zu einem "Massenmarkt" (zumindest für die Verhältnisse in der PV Industrie), wodurch neue, breitere Kundenschichten auch Service, Design und Benutzerfreundlichkeit bewertet werden.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde bei Fronius in mehrjähriger Entwicklungsarbeit eine neue Wechselrichtergeneration für den netzgekoppelten PV-Markt entwickelt. Die Fronius IG Serie zeichnet sich besonders durch große Flexibilität in vielen Aspekten aus (daher das Schlagwort "FlexModul Technologie) und soll im Folgenden genauer vorgestellt werden.
Nach dieser Philosophie gibt es kein Gerät "von der Stange" mehr, sondern auf Kundenwunsch gefertigte Wechselrichter. Dies erfordert vor allem in der Logistik und in der Produktionsflexibilität neue Ansätze - so können die neuen Fronius Wechselrichter z.B. in 11 verschiedenen Anschlussvarianten für DC und AC Kabel bestellt werden. Andererseits ist dies die logische Antwort auf die unterschiedlichen Bedingungen, die bei der Errichtung von PV Anlagen auftreten können und für die es keine Einheitslösung gibt. Nur wenn der Einsatz von PV kostengünstig, unkompliziert und den jeweiligen Verhältnissen angepasst ist, wird sie schnell eine breite Akzeptanz finden.

Leistungsteilkonzept

Das Herzstück der neuen Wechselrichtergeneration ist ein Leistungsteil, das in Varianten zwischen 1200 bis 2500 W AC Dauerleistung verfügbar ist. Es ist als zweistufiges Konzept mit Hochfrequenz-Trafo ausgelegt - die Schaltfrequenz liegt bei ca. 25 kHz.
Es gibt einige technische Besonderheiten. Ein spezielles Schaltverfahren, das sogenannte Phase-Shift-Verfahren, sorgt für extrem niedrige Schaltverluste [1]. Daraus resultiert ein europäischer Wirkungsgrad von 93% sowie ein Spitzenwirkungsgrad von 95%, was trotz Trafo absolut vergleichbar mit den besten trafolosen Geräten ist [2]. Weiters gibt es eine galvanische Trennung von Solarmodulen und Netz für höchste Personensicherheit. Der Geräteaufbau ist extrem kompakt und servicefreundlich. Alle Teile des Wechselrichters können ohne spezielle Werkzeuge von einem Installateur vor Ort getauscht werden. Dies verschafft dem Installateur zusätzliche Wertschöpfung und verleiht ihm gegenüber dem Kunden zusätzliche Kompetenz. Der hohe Wirkungsgrad sowie eine intelligente Zwangsbelüftung ermöglichen eine radikale Verkleinerung des Aluminiumkühlkörpers und niedrigere Temperaturen der Leistungshalbleiter, was deren Lebensdauer erhöht. Weiters wird dadurch der Einsatz an "grauer Energie" so klein wie möglich gehalten. Zur Herstellung von 1 kg Aluminium über die volle Prozesskette sind ca. 35 kWh an Energie nötig; der Aluminiumeinsatz im neuen Leistungsteil beträgt 0,5 kg gegenüber mehreren Kilogramm bei marktgängigen Geräten.

Systemtechnik

Das beschriebene Leistungsteil stellt nun die Basis für eine ganze Plattform von Wechselrichtern dar, indem durch Parallelschaltung die vom Kunden gewünschte Leistung in einem Bereich von 1,2 kW bis 30 kW variiert werden kann. Abbildung 1 gibt eine Übersicht über die Leistungsklassen der Geräte von 1,2 bis 4.6 kW. Alle Wechselrichter sind für den Temperaturbereich -20°C bis 50°C ausgelegt; ihr Gewicht bewegt sich zwischen 10 und 16 kg.

Abbildung 1: Übersicht über die Modelle der neuen IG Wechselrichter-Reihe. Neben den Modellbezeichnung steht jeweils die ausgangsseitige Nennleistung in Watt. PV Anlagen im Leistungsbereich von 1000 - 6000 Wp können damit lückenlos abgedeckt werden.

Zum erfolgreichen Parallelbetrieb ist ein komplexes Kommunikationsprotokoll zwischen den Leistungsteilen nötig, das Regelvorgänge, wie zum Beispiel den abrupte Wechsel der Sonneneinstrahlung, in Echtzeit an alle Leistungsteile kommuniziert. Dies geschieht über eine zentrale Steuerplatine mit einem leistungsfähigen Prozessor, der noch zusätzlich die Kommunikation der Betriebsdaten über das Fronius LocalNet Protokoll übernimmt.
Neben der Flexibilität in der Ausgangsleistung kann durch Einbau der Leistungsteile in verschiedene Gehäuseformen sowohl die Montage des Wechselrichters im Innen- als auch im Außenbereich stattfinden. Weiters sind alle Modelle mit einer Vielzahl von Anschlussmöglichkeiten für die DC und AC Kabel erhältlich: sowohl Schraubklemmen als auch Multi-Contact Stecker auf der DC Seite sowie arretierbare AC Stecker sind verfügbar.

Kommunikation

Über einen eigenen Datenbus können mehrere Wechselrichter untereinander und auch mit Zusatzkomponenten (Datenlogger, Sensoren, Aktoren, Anzeigeeinheiten) vernetzt werden. Das Datenprotokoll ist als offenes System angelegt und erlaubt in Zukunft die Einbeziehung von weiteren Komponenten, die auch kundenspezifisch entwickelt werden können. Über diesen Datenbus ist ebenso die Anbindung von diversen Telekommunikationsmedien möglich (Fax, Modem, SMS, Internet).
Die meisten der optionalen Zusatzkomponenten können im Wechselrichter selbst eingebaut werden, wobei auch die Nachrüstung zu einem späteren Zeitpunkt ohne Probleme möglich ist. Dies wird durch eine standardisierte Größe der Optionsplatinen ermöglicht, die nach dem Prinzip von PC Steckkarten in sogenannten "Slots" je nach Bedarf im Wechselrichter installiert werden können. Auch hier gilt wieder: Es wird nur das installiert, was der Kunde wirklich haben möchte.

Gerätedesign, Ergonomie

Das in modernem Industriedesign gehaltene Gehäuse der FRONIUS IG Serie ist in Abbildung 2 dargestellt. Es wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Kristian Fenzl von der Kunsthochschule für Industrielles Design in Linz erarbeitet.
Als Detail ist das speziell für FRONIUS angefertigte LCD zu sehen, das die zentrale Schnittstelle zwischen Endkunde und seiner PV Anlage darstellt. Es ermöglicht dem Benutzer auf einfache Art und Weise, sich über verschiedene Betriebsparameter seines Gerätes zu informieren. Dazu zählen auch Werte wie Gesamtenergieerzeugung, Tages- und Jahreserträge sowie ein Betriebsstundenzähler.

Abbildung 2: Ansicht des FRONIUS IG 30 mit dem kundenspezifischen LCD

Ausblick

Die FRONIUS IG Serie befindet sich derzeit in der intensiven Testphase, sowohl im Labor als auch im Praxiseinsatz. Der Serienstart ist für Sommer 2001 vorgesehen.
Mit der FlexModul-Technologie wird eine Wechselrichter-Generation zur Verfügung stehen, die wesentlich mehr auf spezifische Kundenwünsche eingehen kann als dies derzeit möglich ist. Weiter gefasste Anforderungen an ein modernes Gerät wie geringer Energieeinsatz bei der Herstellung, reduzierte Logistikanforderungen, einfaches und schnelles Service wurden in die Entwicklung miteinbezogen. Ebenso wurde der wachsenden Bedeutung des Gerätedesigns Rechnung getragen. Im ersten Schritt werden Geräte mit einer Leistung zwischen 1,2 kW und 2,5 kW in den Markt eingeführt, weitere Wechselrichter mit Leistungen bis zu 30 kW werden in einem nächsten Schritt folgen.

Literatur:
1 J.A. Sabate et al.,"Design Considerations for High-Voltage High Power Full Bridge Zero Voltage Switched PWM Converter", IEEE Applied Power Electronic Conference, 1990
2 A.Cox et al., "Netzgekoppelte PV-Systeme - Gebrauchstauglichkeit von PV Modulen und Wechselrichtern", 15. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 15.-17.März 2000, S. 284 - 293.

 

*) Dipl.-Ing. Christoph Panhuber ist Divisionsleiter für Solarelektronik bei der Fronius International GmbH & CoKG in Wels-Thalheim, E-Mail: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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