Quelle: ines-solaire.org
Das CEA bei INES hat den ersten Prototyp eines 400-W-Photovoltaik-Mikrowechselrichters hergestellt, der mit GaN-Transistoren hergestellt wurde, die von den CEA-Labors in Leti entwickelt wurden.
Es bietet eine hohe Leistungsdichte von 1,1 kW/L und einen Wirkungsgrad von 97 Prozent (im Vergleich zu 0,3 kW/L und 95 Prozent für herkömmliche Technologien mit Siliziumkomponenten).
Die Photovoltaikmodule erzeugen einen elektrischen Gleichstrom. Für den Anschluss an das Stromnetz wird ein Wechselrichter benötigt, der die Verbraucher mit Wechselstrom versorgt. Dieser Umwandlungsschritt führt zu Energieverlusten, die mit neuen Komponenten minimiert werden können.
Große Freiflächen-Photovoltaikanlagen sowie Anlagen auf Gewerbe- oder Industriegebäuden werden mit "zentralen" oder "String"-Wechselrichtern ausgestattet und an das dreiphasige Stromnetz angeschlossen.
Für Hausinstallationen ist das verfügbare Stromnetz einphasig und mit Niederspannung. Auf Dächern installierte Photovoltaikmodule unterliegen möglicherweise einer stärkeren Verschattung, was zu Verlusten führt. Daher ist es interessant, jedem Photovoltaikmodul einen Wechselrichter zuzuordnen, der einen unabhängigen Betrieb zwischen den Modulen, einen optimalen Einheitsertrag und einen sehr modularen Betrieb (einfacher Austausch) ermöglicht. Dieser Wechselrichtertyp mit einer Leistung von 200 bis 500 W wird Mikro-Wechselrichter genannt. Es wird auf der Rückseite jedes Panels installiert.
Dieses Gerät verwendet Schlüsselkomponenten: Leistungshalbleiter.
Das CEA bei INES entwickelt Wechselrichter der neuen Generation, um Kosten zu senken, die Energieleistung zu verbessern und das Stromnetz zu unterstützen. Die Kompaktheit dieser Objekte ist auch ein Thema, um die Auswirkungen auf die Installations- und Wartungskosten von Kraftwerken zu kontrollieren und den Materialeinsatz zu minimieren.
Unsere Forschung konzentriert sich auf die elektronische Architektur und verwendet Halbleiter mit großer Lücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), insbesondere solche, die in den CEA-LETI-Labors in Grenoble entwickelt wurden.
Die GaN-Technologie gehört zu den sogenannten „Wide-Gap“-Technologien (Breitbandhalbleiter), die die Grenzen von Leistungshalbleitern mit Silizium verschieben.
Es ermöglicht eine Miniaturisierung und erhöhte Energieeffizienz bei gleichzeitiger Kostensenkung.
Die Photovoltaik- und Automobilindustrie (mit Elektrofahrzeugen) sind die Hauptwachstumstreiber für diese neuen Konverter auf Basis von GaN- oder SiC-Halbleitern.
CEA-Leti verfügt über hochmoderne Epitaxie (600 V und 1200 V) und Technologie zur Herstellung von GaN-600-V-Dioden und Leistungstransistoren, die Siliziumäquivalente übertreffen. Mit dieser koplanaren Technologie wäre es möglich, die Leistungskomponente mit Schutz- (Temperatur, Spannung, Strom usw.) und Steuer- (Treiber-) Funktionen „intelligenter“ zu machen. Es ist auch möglich, derzeit nicht existierende bidirektionale Spannungsunterbrecher zu konstruieren.
Das CEA am INES hat eine dynamische Hochtemperatur-Charakterisierungsbank für diese neuen GaN-Transistoren sowie den ersten Prototyp eines 400-W-Photovoltaik-Mikrowechselrichters unter Verwendung der von der Komponentenabteilung von CEA Leti hergestellten Transistoren gebaut. Dieser Mikrowechselrichter besteht aus zwei Umwandlungsstufen:
- Eine DC/DC-Stufe mit 5 GaN-100-V-Transistoren
- Eine DC/AC-Stufe mit 4 GaN-650-V-Transistoren
Für Ende 2022 ist eine zweite Generation von Mikrowechselrichtern mit optimierten GaN-Transistoren geplant. Andere Größen von Wechselrichtern werden ebenfalls angestrebt, um das Konzept bei höheren Leistungen zu erproben.
Diese Technologie wird voraussichtlich bis zum 2025-2027 auf den Markt kommen. In der Zwischenzeit werden Forscher von CEA-Leti und CEA-Liten von INES die Technologie verbessern und ein integriertes digitales Steuersystem entwickeln. Das Team wird in den kommenden Jahren neue Prototypen vorstellen.
Diese Arbeit ist Gegenstand von Patenten und mehreren Artikeln und Präsentationen auf internationalen Konferenzen (PCIM, EPE).
