Das in diesem Projekt zu entwickelnde AC Modul bietet eine Möglichkeit, die Photovoltaik einfacher und an neuen Orten wie gebäudeintegrierte Anlagen und für Installationsorte wie beispielsweise Gartenzäune, Balkon- und Trennelemente nutzbar zu machen. Durch die Aufteilung und separate Ansteuerung einzelner Substrings (bspw. 14 Substrings beim aufgebauten Demonstrator) wird der Einfluss von Teilverschattungen signifikant reduziert. Hierdurch ist keine Notwendigkeit zur Analyse/Planungseinfluss von Verschattungen gegeben, bzw. z.B. kein zusätzlicher Pflanzenrückschnitt oder Einschränkungen in der Ausrichtung gegeben.
Netzparallele PV-Anlagenschaltungen am Niederspannungsnetz werden heute in den meisten Fällen mit Stringwechselrichtern (mit oder ohne Moduloptimierer) aufgebaut. Diese Anlagenform besteht jeweils aus einer zentralen Leistungselektronikeinheit mit ein oder mehreren angeschlossenen PV-Strings. Die PV-Strings verbinden in einer DC-Reihenschaltung die Leistungselektronik mit den PV-Modulen. Diese anlagenspezifische DC-Reihenschaltung verursacht insb. ohne den Einsatz von Moduloptimierern einen hohen Auslegungs- und Planungsaufwand, da für jede Anlage eine geeignete Auslegung zwischen Wechselrichter, Modulstrings und verschiedenen Himmelsausrichtungen inkl. Verschattungsobjekten, wie Schornsteinen, individuell getroffen werden muss. Wird die Anlagenauslegung nicht sorgfältig durchgeführt, kann dies zu drastischen Ertragseinbußen bis hin zur Beschädigung von Komponenten der PV-Anlage führen.
Unter dem Aspekt, dass im Bereich der Solarzellenentwicklung die einzelnen Zellen innerhalb eines Moduls immer größer werden, kommen die aktuellen Modulverschaltungen mit Bypassdioden bezüglich Hot-Spot-Bildung unter teilverschatteten Bedingungen an ihre Grenzen. Die Hot-Spot-Bildung ist bei der oben angesprochenen Ausweitung in weitere Anwendungsbereiche besonders zu beachten, da bei diesen Teilverschattungen und suboptimalen Ausrichtungen der Anlagen häufiger als bisher vorkommen werden. Diese Anforderungen werden durch das AC Modul adressiert.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines verschattungstoleranten AC Solar Moduls, das eine einfache sowie standort- und ausrichtungsunabhängige Installation ermöglichen. Das Ergebnis ist die vollständige Integration aus Wechselrichter und Solarmodul sowie die Erprobung im Labormaßstab. Die beiden Prototypen werden für den Einsatz in einer realen Einbausituation nach Projektabschluss vorbereitet.
Der Arbeitsplan für das Projekt ist aufgeteilt in drei Arbeitsphasen (AP 1 bis AP 3)
Zu AP 1: Elementarer Bestandteil des AC Moduls ist die innovative Kombination aus Solarteilzellen, die zu Substrings in Reihe geschaltet werden und deren Enden mit einer Leistungselektronik-H-Brücke verbunden sind. Dieser Schaltungsteil wird in einer diskreten Anzahl über sogenannte kaskadierte H-Brücken innerhalb des AC Moduls in Reihe geschaltet. Basierend auf den Simulationsvorarbeiten sollen optimale Verhältnisse aus Solarteilzellen in Reihe, Anzahl an Substrings inkl. kaskadierter H-Brücken und deren regelungstechnisches Zusammenspiel bestimmt werden. Darüber hinaus soll mithilfe der Simulation eine Auslegung der passiven Bauteile, wie Kondensatoren und Drosseln, erfolgen.
Zu AP 2: Die Ausarbeitung des Modulaufbaukonzepts umfasst insbesondere die Ausarbeitung der Platzierung, Formgebung, Größen und die Anbindung der Leistungselektronikkomponenten an die Solarzellsubstrings innerhalb des Moduls. Ziel ist die konstruktive Ausarbeitung des Modulaufbauplans inkl. Substringverbindungen, Leitungen sowie Verbinder zur Leistungselektronik und Montagetechniken und -reihenfolge.
Mit der Schaltplanerstellung werden die elektrischen Funktionen des AC Moduls erarbeitet und geeignete Bauteile ausgewählt. Arbeitsmittel ist eine Software für die Entwicklung von Leiterplatten wie KiCad. Zu erarbeitende Funktionsgruppen sind u.a. die Leistungselektronik-H-Brücke inkl. Ansteuerung, eine Funktionseinheit für das MPPT, eine interne Spannungsversorgung, sowie eine Kommunikationsschnittstelle. Der Aufbau der entwickelten Leiterplatten mit den definierten Bauteilen und Inbetriebnahme der Funktionseinheiten bilden den Anfang der Subsystem-Labortests der Elektronik.
Zu AP 3: Die Fertigung sowie ein folgender Belichtungstest der Funktionsmuster in den Fertigungs- und Testbereichen des ISFH (Unterauftragnehmer) bilden den Start der dritten Arbeitsphase. Unterstützung bei dem Aufbau der Mustermodule im ISFH inkl. Anbringung der Elektronik in das Modul. Erstinbetriebnahme der aufgebauten Funktionsmuster im Labor und Durchführung der definierten Systemtests.
Die Ergebnisse und Prüfungen des Projekts zeigen, dass mit aktuellen Mitteln die Realisierung eines AC-Moduls auf Basis von einer hohen Anzahl von 1/6tel, 1/8tel, etc. Solarzellen und dem integrierten Wechselrichter auf Basis einer kaskadierten H-Brückentopologie möglich ist und besonders bei der Verschattungstoleranz gute Ergebnisse erzielt werden können.
Kritische Punkte zur erfolgreichen Umsetzung des Ansatzes wie die nötige Pufferkapazität und die Ableitströme wurden betrachtet. Hier zeigt sich, dass bei der Pufferkapazität eine geeignete Auslegung zwischen Kapazitätsgröße (Kosten und Platzbedarf) und der MPP- bzw. System-Effizienz gewählt werden kann. Dies gilt insbesondere positiv für das AC-Modul bei (teil-) verschatteten Bedingungen mit geringen Einstrahlungsintensitäten. Bei den Ableitströmen wurden Simulationen durchgeführt und eine optimierte verteilte Filtertopologie realisiert. Der vorgestellte Hardwareaufbau des AC-Moduls ermöglicht viele neue Optimierungen auf Basis von Software-Algorithmen, die für unterschiedliche Situationen und Umgebungen die Effektivität des Moduls steigern.
Von hoher Relevanz für den Transfer hat sich die Entwicklung aktueller Modultechnologien und insbesondere auch die weiter gestiegene Bedeutung dezentraler elektrischer Energien gezeigt. Während der Projektzeit sind die durchschnittlichen PV-Modulpreise von ca. 200 €/400 W auf derzeit unter 80 €/400 W gefallen. Gleichzeitig wurden mit dem Solarpaket I zu Beginn 2024 insb. die sogenannten Balkonkraftwerke bis 2000 W PV-Modulleistung möglich. Dies hat zu einem Trend starker Modulüberauslegung gegenüber der Wechselrichterleistung geführt. Bezogen auf modulintegrierte Elektronik bedeutet dies eine große Herausforderung bzgl. der Skalierung der Leistung der Elektronik, da sie in direktem Zusammenhang mit der Modulleistung steht, und nicht wie derzeit entkoppelt ist.
Im Zusammenhang mit dem Weggang der PV-Modulfertigung aus Deutschland ist die Möglichkeit für innovative Lösungen modulintegrierter Elektronik leider zusätzlich in den letzten Monaten signifikant verschlechtert worden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in einem Vergleich der Schaltungstopologie für unterschiedliche Energiespeicher und elektrische Erzeuger im Rahmen einer Dissertationsschrift aufbereitet. Die technische Machbarkeit ist nachgewiesen worden, die kommerzielle Machbarkeit ist allerdings durch die massiv gesunkenen PV-Modulpreise schwierig und zeigt derzeit eher zu Multimodulwechselrichtern.
Im Rahmen des Projekts wurde eine Pressemitteilung der Leibniz Universität Hannover erstellt (https://www.uni-hannover.de/de/universitaet/aktuelles/online-aktuell/details/news/neues-solar-modul-soll-kosten-einsparen/ ). Darüber hinaus wird der Forschungsgegenstand Bestandteil einer Dissertation sein und wird derzeit bereits in der Lehre im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten verwendet. Die Abschlussarbeiten sollen die beiden vorbereiteten PV-Module derart finalisieren, dass sie im Rahmen eines Feldtests verwendet werden können. Wenn dies erfolgt ist, wird eine weitere Pressemitteilung erstellt.
Eine wissenschaftliche Veröffentlichung zum Vergleich der Anforderungen der Schaltungstopologie in Verbindung mit Batteriezellen gegenüber Solarzellen ist in Vorbereitung. Diese soll auf einer leistungselektronischen Konferenz vorgestellt werden.
Die kaskadierte H-Brückentopologie zeigt eine Möglichkeit zur Wechselrichterintegration in PV-Module auf. Ihre Funktionsweise konnte in Verbindung mit dem PV-Modul und den spezifischen Anforderungen nachgewiesen, und die Auswirkungen auf die Auslegung gezeigt werden. Auf Basis eines realisierten Moduls wurden Verschattungsszenarien untersucht und ein neuartiges Trackingsverfahren, angepasst auf die Schaltungstopologie und reduziertem Datenaufwand innerhalb der Elektronik, messtechnisch nachgewiesen.
Aufgrund der derzeitigen Tendenzen im Bereich der Photovoltaik ist jedoch zu erkennen, dass eine vergleichsweise hohe Modulleistung installiert wird, die wiederrum durch begrenzte Wechselrichterleistung ans Netz angeschlossen wird. Konkret heißt dies, dass häufig 2 - 3 Module parallel geschaltet werden, was mit der derzeitigen Zellanordnung bereits sehr gut Verschattungsszenarien toleriert, als auch besonders bei Streulicht (z. B. Wintermonate) keine weiteren Maßnahmen benötigt.
Das technische Potential des Projektansatzes kann unter diesen Bedingungen durch eine gezielte Reduktion der Leistung des integrierten Wechselrichters in Kombination mit einer weiteren Miniaturisierung der Komponenten (z. B. durch ASIC-Integration) erreicht werden, und würde dann möglicherweise sogar eine sehr flache Integration unterhalb des Backsheets ermöglichen - vorausgesetzt ein PV-Modulfertiger unterstützt diesen Ansatz und überträgt ihn in eine hochautomatisierte Fertigung.