Von Jeremy Cook
Die Gewinnung von Solarenergie „aus dem Nichts“ war einst eine so futuristische Idee, wie es in früheren Jahrhunderten Flugzeuge waren. Heute stellen Solaranlagen eine alltägliche Technologie dar. Es gibt jedoch nach wie vor ein enormes ungenutztes Potenzial im Hinblick auf Effizienz und Anwendung.
Eine Materialtechnologie, die das Solarenergiemanagement revolutionieren wird, ist Siliziumkarbid (SiC). Solaranlagenhersteller nutzen dieses Wundermaterial, um hoch effiziente und robuste Invertersysteme für Solaranlagen zu bauen, die den Gleichstrom aus Photovoltaik(PV)-Zellen in Wechselstrom für Haushalte und Unternehmen umwandeln. Es gibt drei primäre Inverterarchitekturen: Mikro-PV-Inverter, Strang-PV-Inverter und Zentral-PV-Inverter.
Dieser Artikel betrachtet diese Architekturen und die Rolle, die SiC hier spielt.
Siliziumkarbid-Technologie: eine lange Geschichte, heute neu erfunden
Wissenschaftler synthetisierten SiC erstmals im Jahr 1891. SiC kommt zwar natürlich vor, ist jedoch auf der Erde selten. Ursprünglich wurde SiC als Schleifmittel in vielen verschiedenen Anwendungen im Bauwesen und im Elektroanlagenbau verwendet. Heute wird es jedoch als hoch modernes Halbleitermaterial verwendet. Die Eigenschaften dieses Materials übertreffen die Eigenschaften von Silizium bei Weitem.
Die Herausforderung bei SiC besteht darin, dass es immer noch sehr schwierig ist, es in ausreichender Reinheit für die Verwendung als Halbleiter herzustellen, obwohl die erste Synthetisierung bereits mehr als ein Jahrhundert zurückliegt. Anders als bei der Herstellung von Silizium (Si) in Transistorqualität (das aus einem flüssigen Zustand in einen schneidbaren Kristall verwandelt werden kann), erfordert die Herstellung von SiC-Kristallen einen Sublimations-/Abscheidungsprozess, bei dem Gas direkt in einen Feststoff verwandelt wird.
Die Herstellung von SiC-Transistoren ist daher komplizierter (und teurer) als die Herstellung von Si-Komponenten. Aufgrund der besseren Eigenschaften von SiC müssen diese Kosten jedoch anders bewertet werden. SiC weist eine breite Bandlücke auf. Das bedeutet, dass SiC-Transistoren in höheren Spannungs-, Temperatur- und Frequenzbereichen als Si-Geräte betrieben werden können.
SiC ist außerdem ein besserer Wärmeleiter als Si und kann Elektrizität bei höheren Temperaturen weitaus besser leiten. Zu den wichtigsten Anwendungen von Siliziumkarbid gehören Invertersysteme für Solaranlagen.
So nutzen Invertersysteme für Solaranlagen SiC
Die Nutzung von SiC für Solaranlageninverter bietet zahlreiche Vorteile, darunter:
- Höhere Effizienz
- Geringeres Gesamtsystemvolumen und -gewicht
- Besseres Wärmemanagement
- Höhere Zuverlässigkeit
Da SiC-Geräte Wärme besser leiten und tolerieren als Si-Geräte, fallen bei der Inverterimplementierung in der Regel geringere Kosten für Kühlungsdesign und -komponenten an. Die Inverter können auch kleiner sein, was geringere Materialkosten bedeutet. Bei Betrachtung der übrigen, oben beschriebenen Leistungsvorteile sieht der SiC-Wertvorschlag sehr attraktiv aus. Hinzu kommt, dass die SiC-Fertigungskosten in der Zukunft wahrscheinlich sinken werden, wenn die Prozesse weiterentwickelt werden.
Nach der Herstellung muss der Solaranlageninverter (oder das Inverterarray) in eine Photovoltaik(PV)-Anlage eingebaut werden, um ihn nutzen zu können. Installateure von Solaranlagen wenden bei der Einrichtung der Anlagen hauptsächlich drei Verfahren/Topologien an.
Die drei hauptsächlich verwendeten Topologien für Solaranlagen-PV-Inverter
Inverter für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom stellen eine allgemein einsetzbare Technologie dar. Solaranlagen-PV-Inverter werden verwendet, um Gleichstrom aus einem PV-Array in Wechselstrom umzuwandeln. Es gibt drei hauptsächliche Topologien für PV-Inverter: Mikro-Inverter, Strang-Inverter und Zentral-Inverter. Jede dieser Topologien ist für unterschiedliche Situationen und Installationsumfänge geeignet.
Anwendungsleitfaden für Solaranlageninverter
Mikro-Inverter
Die Pluralform „Mikro-Inverter“ gibt das Konzept am besten wieder, da hier mehrere kleine Inverter (Mikro-Inverter) den Gleichstrom aus Sonnenkollektoren in Wechselstrom umwandeln, um ein Haus oder eine andere kleine Einrichtung zu versorgen. Jeder Sonnenkollektorabschnitt erzeugt zwischen 40 und 80 V Gleichstrom mit einer typischen Leistung von 110 oder 230 V Wechselstrom.
Die Pluralform „Mikro-Inverter“ gibt das Konzept am besten wieder, da hier mehrere kleine Inverter (Mikro-Inverter) den Gleichstrom aus Sonnenkollektoren in Wechselstrom umwandeln, um ein Haus oder eine andere kleine Einrichtung zu versorgen. Jeder Sonnenkollektorabschnitt erzeugt zwischen 40 und 80 V Gleichstrom mit einer typischen Leistung von 110 oder 230 V Wechselstrom.
Diese Vorrichtungen sind hoch flexibel und bieten einen allgemeinen Leistungsbereich von 200 W bis 1,5 kW und eine moderate Effizienz von etwa 96 %. Die durch die SiC-Technologie ermöglichte Größenreduzierung ist in diesem Szenario besonders attraktiv, da in der Regel mehrere Inverter zu den Sonnenkollektoren transportiert und in diese eingebaut werden müssen. Allerdings stellen Mikro-Inverter auch die teuersten Invertersysteme für Sonnenkollektoren dar.
Strang-Inverter
Hier sind die Sonnenkollektoren in Form eines Strangs miteinander verbunden und leiten den gesamten Gleichstrom an einen einzelnen Inverter. Diese Topologie ist für Leistungsbereiche von 1 kW bis 200 kW geeignet und kann alle Arten von Einrichtungen versorgen, von einem Einfamilienhaus über größere Gebäude bis zu Industrieanlagen. Die Eingangsspannung kann bis zu 1500 V Gleichstrom, die Ausgangsspannung bis zu 800 V Wechselstrom (dreiphasig) betragen. Diese Topologie ist flexibel und erreicht eine Effizienz von bis zu 98,5 %. Da SiC höhere Spannungen bewältigen kann, ist das Material für diese Art von Invertern ideal geeignet.
Der SiC-Hersteller Infineon hat ein Referenzdesign für ein Strang-PV-Invertersystem mit einer Leistung von 1500 V entwickelt, das die SiC-MOSFET-Technologie mit aktiver Neutralpunktklemmung (Active Neutral Point Clamped, ANPC) nutzt und bei 48 kHz betrieben wird. Dieses Design ist auf Kosten-kW-Basis um fünf bis zehn Prozent günstiger als ein vergleichbares System, das eine reine IGBT-Technologie bei 16 kHz verwendet. Die Halbleiterschalter und -treiber mit SiC-Technologie in diesem Design sind zwar teurer als vergleichbare reine IGBT-Komponenten, ermöglichen jedoch beträchtliche Einsparungen bei den magnetischen Komponenten, was den maximalen Preisunterschied wieder ausgleichen kann.
Die potenziell geringeren Verluste und die höhere Leistung in Inverteranwendungen tragen ebenfalls zur langfristigen Attraktivität von SiC-Systemen bei. Die Möglichkeit mehrerer Umwandlungen in einer Energiespeicherlösung (Energy Storage Solution, ESS) stellt ein zusätzliches Argument für die Nutzung der modernen SiC-Technologie dar. Auch wenn sich dies auf die Implementierung von Strang-PV-Invertern bezieht, erzielen andere Topologien aufgrund der SiC-Eigenschaften vergleichbare Vorteile.
Zentral-Inverter
Die Leistung mehrerer Stränge von Sonnenkollektoren wird in einen Zentral-Inverter geleitet. Diese Topologien eignen sich für Betreiber auf Netzebene und können mehr als 1000 kW Strom (d. h. mehr als ein Gigawatt) erzeugen. Die Eingangsspannung kann bis zu 1500 V Gleichstrom, die Ausgangsspannung bis zu 690 V Wechselstrom (dreiphasig) betragen. Diese Technologie ist die am wenigsten skalierbare der drei Topologien, bietet jedoch die höchste Effizienz (bis zu 99 %). Die höheren Spannungskapazitäten von SiC sind in diesem Szenario attraktiv. Ein Zentral-Inverter ermöglicht die großflächige Anwendung der Hocheffizienz-Eigenschaften von SiC. Pro kW gerechnet, stellen Zentral-Inverter die kostengünstigsten Invertersysteme für Solaranlagen dar.
Vorteile von SiC für die Solarstromerzeugung
Während bestimmte SiC-Eigenschaften in bestimmten Szenarien größere Vorteile bieten, gelten alle Vorteile von SiC grundsätzlich für jede der hier beschriebenen Topologien. Und das Kosten-Nutzen-Verhältnis wird mit der Weiterentwicklung der Technologie noch attraktiver werden. Da Unternehmen wie Infineon, Microchip, Onsemi, STMicroelectronics und Wolfspeed die SiC-Technologie laufend weiterentwickeln, wird SiC die Energieeffizienz in der Solarindustrie und darüber hinaus wahrscheinlich verbessern.
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