Im gebäudeintegrierten Anwendungsbereich mit kleinen, unterschiedlich ausgerichteten Flächen ermöglicht modulnahe oder integrierte Elektronik einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau von Photovoltaik-Anlagen und einen erhöhten Energieertrag. Sechs Partner aus den Bereichen Elektro-, Fertigungs-, Daten- und PV-Modul-Technik sowie entsprechende Forschungseinrichtungen haben gemeinsam im „Voyager-PV“-Projekt neue technologische Lösungen für smarte PV-Module erforscht. Der Projektkoordinator Prof. Dr.-Ing. Jens Friebe von der Leibniz Universität Hannover erklärt dazu: „Die Grundidee hinter dem Forschungsvorhaben ist, Wechselrichter und digitale Technik direkt in das PV-Modul zu integrieren und dadurch die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Effizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken.“ Das Ergebnis sind gemeinsame Demonstratoren von kommunikativen PV-Modulen, die nach der Installation am Institut für Solarenergieforschung GmbH (ISFH) erfolgreich ein sogenanntes „Mesh“ zur einfachen und sicheren Datenkommunikation aufgebaut haben.
Die vollintegrierten Solarmodule bestehen aus einem PV-Modul, in dem ein Wechselrichter integriert ist. In die modulnahe Elektronik des PV-Moduls wurde eine Funktechnologie durch die who Ingenieurgesellschaft mbH integriert, mit der im lizenzfreien 2,4-GHz-Band eine selbst organisierende Mesh-Topologie realisiert werden kann. Diese ermöglicht eine kostengünstige, flexible und robuste Vernetzung von den Solarmodulen selbst sowie der im System befindlichen Infrastrukturkomponenten wie z. B. Gateways. Mit einer optimierten kommunikativen Kopplung an die Leistungselektronik wird die Verfügbarkeit von verschiedenen Messgrößen ebenso realisiert wie deren Parametrierung. Im Rahmen der Arbeiten an der Leibniz Universität Hannover wurde, statt eine zusätzliche Antenne im Modulwechselrichter unterzubringen, eine Schlitzantenne in den Querverbinder eingebracht. Diese wird durch die Modulrückseite über eine Leiterplatte kapazitiv gespeist.
Einkapselungstechniken, die z. B. im Automobilbereich kostengünstig eingesetzt werden, um die Elektronikkomponenten vor Umwelteinflüssen zu schützen, wurden in die PV-Modulproduktion durch den Vergusstechnik-Fertigungsanlagen-Spezialist Optimel GmbH übertragen. Dadurch wurde die Applikation der Elektronik an dem PV-Modul wesentlich vereinfacht. Gehäuse, Kabelzugentlastung, Klebeschichten und evtl. Kabel zwischen Anschlussbox und Elektronik sind dann nicht mehr notwendig. Dies kann zur Kostenreduktion beitragen. Dr. Henning Schulte-Huxel vom ISFH konkretisiert: „Durch die Verbindung der Leistungselektronik mit den einzelnen Substrings des PV-Moduls können Bypassdioden und damit verbundene Defekte vermieden und der Energieertrag gesteigert werden. Zudem erlaubt der direkte Verguss der Leistungselektronik auf der Modulrückseite, die Zahl der Steckverbindungen drastisch zu reduzieren.“
Die Entwicklungsarbeiten im Bereich Leistungselektronik wurden an der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. Sie fokussierten sich zum einen auf die optimierte Auslegung und Integration der dreistufigen Topologie mit Blindleistungsfähigkeit und zum anderen auf das Einsatzpotenzial von GaN-Leistungshalbleitern sowie das Regelungskonzept für die Netzdienlichkeit. Der PV-Wechselrichter besteht aus einem mit 500 kHz getakteten Serienresonanzwandler mit Transformator zur galvanischen Trennung und einem einphasigen Wechselrichter mit Galliumnitrid-Leistungshalbleitern (GaN-HEMTs).
Eine durchgängiges Software-Update-Konzept „over the air“ integriert alle Teile der Elektronik und ermöglicht so die stetige Anpassung an neue Sicherheitsanforderungen oder funktionale Erweiterungen. Zudem ist die Erweiterung des Mesh-Netzwerks ohne großen Installationsaufwand möglich.
Seit Inbetriebnahme im Mai 2024 konnte anhand der über Funk übermittelten Messdaten die Leistungselektronik überwacht und die Betriebsdaten wie beispielsweise PV-Modulstrom oder PV-Modulspannung sowie Temperaturwerte ausgelesen werden. Mit dem beim ISFH aufgebauten Mesh-Netzwerk konnte die Stabilität und kommunikative Selbstoptimierung über mehrere PV-Module nachgewiesen werden. Zudem war der zeitgleiche sichere Zugriff auf das Netzwerk für alle Projektbeteiligten aus ihren jeweiligen, unterschiedlichen Standorten möglich. Dieses beinhaltete die Möglichkeit, individuelle Log-Daten aus den PV-Modulen für eine spätere Auswertung generieren zu lassen.
Die SMA Solar Technology AG unterstützte das Forschungsprojekt „Voyager-PV“ als Verbundpartner mit ihrer Expertise als Wechselrichter-Hersteller und Systemspezialist und die Universität Stuttgart betrachtete den Bereich Zuverlässigkeit. Das Projekt „Voyager-PV“ startete im März 2020. Die Förderung erfolgte durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Die Betreuung des Projekts erfolgte durch den Projektträger Jülich (PTJ).
Die Partner:
- Wechselrichter-Hersteller und Systemspezialist SMA Solar Technology AG
- Gehäuse- & Vergusstechnik-Fertigungsanlagen-Spezialist Optimel GmbH
- Daten-Kommunikation- & Funklösungen-Spezialist who Ingenieurgesellschaft mbH
- Leistungselektronik-Forschung Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik, Leibniz Universität Hannover
- Mikroelektronische Systeme / Rechen- & Signaltechnik-Forschung
Institut für Mikroelektronische Systeme, Leibniz Universität Hannover - Funksystemintegration-Forschung Institut für Hochfrequenztechnik und Funksysteme, Leibniz Universität Hannover
- PV-Modultechnik-Forschung, Institut für Solarenergieforschung GmbH (ISFH)
- Zuverlässigkeitstechnik-Forschung am Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart
Über die Energieforschung an der Leibniz Universität Hannover
Die Leibniz Universität Hannover bündelt ihre Energieforschung im LiFE 2050, einem interdisziplinären Forschungszentrum zur Erforschung nachhaltiger Energiesysteme, dem auch das Institut für Solarenergieforschung GmbH angehört. Das LiFE 2050 bildet zudem einen von fünf Forschungsstandorten des Energieforschungszentrums Niedersachsen (EFZN). Weitere Informationen finden Sie unter www.energie.uni-hannover.de.
ISFH – Institut für Solarenergieforschung GmbH in Hameln
Das ISFH ist eines der weltweit führenden Forschungsinstitute für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen und PV-Module, die industriell gefertigt werden können. Auch Systemlösungen für die Integration erneuerbarer Energien in Gebäude und Quartiere werden am ISFH erforscht. Das ISFH mit Sitz in Emmerthal bei Hameln wurde 1987 gegründet und ist Mitglied im Forschungsverbund Erneuerbare Energien (FVEE), Mitglied der Zuse-Gemeinschaft und An-Institut der Leibniz Universität Hannover.
Erfolgreich installierte Demonstratoren auf den Testständen des ISFH mit Teilen des Projektteams. © ISFH
Vergossener Mikro-Wechselrichter auf der Rückseite eines PV-Moduls. © Tobias Brinker, IAL-LUH