Das Fraunhofer-Institut hat eine zentrale Schwachstelle von Wechselrichtern für Windkraft- und Photovoltaikanlagen identifiziert: Feuchtigkeit im Silikongel der Module führt zu vorzeitigen Ausfällen. Ein neues Verfahren soll diese Schwachstelle bekämpfen.
Testfeld für Solarzellenmodule im Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik. Foto:
Sandy Klengel, Gruppenleiterin am Fraunhofer IMWS, erklärt: „Im Laufe der Betriebszeit reichern sich im Silikongel der Leistungsmodule Elemente an, die die Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.“ Feuchtigkeit und Gase können in das Material eindringen und so die Elektronik wie Wechselrichter und Frequenzumrichter schädigen. Defekte Wechselrichter sind eine der häufigsten Ausfallursachen bei erneuerbaren Energien und entscheidend für die Langlebigkeit der Geräte. Eine lange störungsfreie Betriebszeit ist entscheidend, um die Effizienz von Windkraft- und Photovoltaikanlagen zu steigern.
Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) haben spezielle Testverfahren entwickelt, um die Feuchtigkeitsaufnahme und Verunreinigungen im Silikongel zu messen. Diese Tests halfen bei der Entwicklung einer Simulation, die die Durchlässigkeit verschiedener Beschichtungen unter realen Umweltbedingungen zuverlässig vorhersagt.
Um die erzeugte Energie an das Stromnetz anzuschließen, sind Umrichter erforderlich. Sie wandeln die Energie in die richtige Spannung und Frequenz um. Die neuen Erkenntnisse ermöglichen eine Optimierung der Fertigungs- und Montageprozesse. Herkömmliche Materialien und Verfahren genügen den Anforderungen dieser kritischen Komponente nicht. Diese spezifische Prüfmethode ist wertvoll, um Risiken wie Rost, Feuchtigkeit und Kurzschlüsse zu minimieren und die Langlebigkeit zu erhöhen.
Das Fraunhofer IMWS hat im Projekt „Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung“ (power4re) wichtige Fortschritte erzielt. Die Forscherinnen und Forscher analysierten physikalische Fehler an Leistungsmodulen verschiedener Leistungsklassen und konzentrierten sich dabei auf feuchtigkeitsbedingte Ausfälle und Langzeit-Zerfall der Materialien. Für die Messung der Verunreinigungen, die in das Silikongel eindringen, wurden neue Testmethoden entwickelt und bestehende Methoden weiterentwickelt.
Diese Daten wurden in ein Modell integriert, das reale Umweltbedingungen wie Tag-Nacht-Zyklen und jahreszeitliche Temperaturschwankungen berücksichtigt. „Wir haben ein vertieftes Verständnis der Materialwechselwirkungen und der Defektbildung gewonnen“, betont Sandy Klengel. Dies sei eine wichtige Grundlage, um die Zuverlässigkeit und Robustheit von Bauteilen zu verbessern.
Detailaufnahme der massiven Schädigung eines Leistungsmoduls und der Leiterplatte in einem Wechselrichter einer Windenergieanlage. Foto:
Die Lösungen könnten auch in anderen Bereichen wie der Elektromobilität oder dem Schienenverkehr Anwendung finden. Am Projekt „power4re“ waren neben dem Fraunhofer IMWS vier weitere Fraunhofer-Institute beteiligt. Unterstützt wurde das Team von einem Beirat aus der Industrie. Ziel ist es, durch optimierte Beschichtungen und Montageprozesse die Ausfallrate von Wechselrichtern zu senken, Wartungskosten zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit sowie Nachhaltigkeit der Technologien zu erhöhen.
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