Forschungsschwerpunkte - Regenerative Energien

  • DC-Verteilung für Offshore Windparks

    Die Erzeugung elektrischer Leistung mittels sog. Offshore Windparks ist aktuell ein Schwerpunkt im Bereich der Forschung an erneuerbaren Energien. Ein Vorteil dieser Anlagen ist, neben den großen Flächen für Windkraftanlagen, auch ein deutlich gesteigerter Energieertrag. Jedoch stellt die Elektrifizierung dieser Anlagen einen entscheidenden Aspekt dar. Aufgrund der Nachteile von konventionellen Drehstromsystemen bieten sich Gleichstromsysteme als eine Alternative an. Diese können zu einer Erhöhung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion der Investitionskosten führen. Nachteilig sind jedoch die fehlende Möglichkeit der Spannungsanpassung bei hoher Leistung und die Schutztechnik. Während für Letzteres am ISEA bereits eine Lösung entwickelt und patentiert wurde, liegt der Fokus der aktuellen Arbeiten auf der Entwicklung eines DC/DC Konverters im MW-Bereich. Neben der Untersuchung verschiedener Topologien liegt der Schwerpunkt auf dem Design eines Mittelfrequenztransformators für hohe Leistungen. Die entscheidende Komponente im höheren Leistungsbereich ist der Transformator. Dieser sollte mit einer möglichst hohen Frequenz betrieben werden, um die Masse und damit die Installationskosten bei Offshore Applikationen zu minimieren. Als Kernmaterial eignen sich hierzu insbesondere amorphe Metalle. Diese verfügen im Frequenzbereich von einigen Kilohertz über niedrige Verluste und haben eine relativ hohe Sättigungsflussdichte. Am ISEA wurden in dieser Thematik verschiedene Software Werkzeuge entwickelt, sowie weiterführende Untersuchen zur Regelung von DC Netzen und deren technisch-wirtschaftlicher Bewertung durchgeführt.

  • Dauertestprüfstand für Hochleistungsumrichter

    Moderne Hochleistungs-Halbleiter (z. B. IGBTs) unterliegen thermischem Verschleiß. Um Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer bei den besonderen Belastungszuständen während des Einsatzes in z.B in einer Windkraftanlage treffen zu können, am ISEA ein Langzeitprüffeld betrieben, dessen Umrichter mit verschiedenen Modulen bestückt sind. Um thermische FEM-Simulationen zu verifizieren, können Messungen an einem geöffneten Modul im hartschaltenden Umrichterbetrieb bei 1100 V und einigen hundert Ampere durchgeführt werden. Messungen mit einer Wärmebildkamera ergänzen die elektrischen Messungen. Über eine stationnäre Messung der Sättigungsspannung kann die Lebensdauer der IGBT Module bestimmt werden, bevor es zu einem destruktiven Fehler kommt. Es hat sich durch bereits durchgeführte Tests ergeben, dass die Belastungsprofile von Umrichtern in Windkraftanlagen, die einen doppelt gespeisten Asynchron-Generator verwenden, sich von signifikant typischen Traktionsanten unterscheiden: Die Laststromfrequenz liegt stets unterhalb von 16 Hz. Insbesondere im Bereich unter 5 Hz folgt die Chiptemperatur dem Laststrom sehr genau. Als besonders kritisch stellte sich dabei eine Frequenz von 0,2 und 0,5 Hz heraus.

  • PV-Wechselrichter

    Die wichtigsten Ziele für die Entwicklung von Photovoltaik-Wechselrichtern (PV-Wechselrichter) sind:
    • ein sehr guter Wirkungsgrad über einen weiten Leistungs- und Eingangsspannungsbereich
    • niedrige Kosten
    • hohe Lebensdauer
    • hohe Zuverlässigkeit
    Zur Erreichung dieser Ziele eignen sich insbesondere dreiphasige Topologien, da aufgrund des nahezu konstanten Leistungsflusses im Gegensatz zu einphasigen Systemen nur wenig Energie zwischengespeichert werden muss. Zur Umsetzung des ersten Ziels können zudem modernste Bauelemente oder auch weichschaltende Topologien einen entscheidenden Beitrag leisten. Das ISEA verfügt über große Erfahrung bei der Forschung an hocheffizienten Wechselrichter für Photovoltaikanlagen.

  • PV-Modulwechselrichter

    Photovoltaik-Modulwechselrichter speisen die Leistung des PV-Moduls von 150-200 W jeweils einzeln in das Versorgungsnetz ein. Im Gegensatz zu anderen Photovoltaiksystemen wird so für jedes Modul ein Wechselrichter installiert, so dass jedes Modul im Punkt maximaler Leistung betrieben werden kann. Ab einem gewissen Grad an Teilabschattung des gesamten PV-Generators kann mit Modulwechselrichtern ein im Vergleich höherer Systemwirkungsgrad erzielt werden. Dabei treten Teilabschattungen bei der heute zunehmenden Gebäude- und Fassadenintegration immer häufiger auf. Bedingt durch die Montage unter einem Solarmodul muss ein Modulwechselrichter (MWR) bei hohen Temperaturen bis 90°C und großen Temperaturzyklen von bis zu 80 K täglich zuverlässig arbeiten. Wirtschaftlich kommen MWR nur in Frage, wenn Sie die garantierte Modullebensdauer von > 20 Jahren erreichen. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die diesbezüglich kritischsten Komponenten - insbesondere Elektrolytkondensatoren - durch mehrphasige Anordnungen eliminiert werden können. Eine weitere Möglichkeit zur Maximierung der Lebensdauer wird in der Integration der leistungselektronischen Komponenten gesehen. Werden insbesondere die passiven Komponenten monolithisch in bzw. an der Platine integriert, so erhöht sich die thermische Leitfähigkeit der Schaltung, Hot Spots werden vermieden, die natürliche Konvektionskühlung wird begünstigt und die Lebensdauer wird erhöht.
Abbildung 1 Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 2