Wie sich Komponenten rund um die Photovoltaik kühlen lassen

Die Solarkonstante liefert mit theoretischen ca. 1,3 kW/m² im Mittel mehr als ausreichend Energie zur Erde. Über alle Zeiten hinweg erhielt diese Energie das Leben auf unserem Planeten aufrecht. Zeitgeschichtlich gesehen ist die Solarzelle auf Siliziumbasis eine brandneue Erfindung. Erste Anwendungsfelder waren sehr spezialisiert (Solarzellen an Satelliten) und hatten für die Stromerzeugung keine Relevanz. Durch die industrielle Fertigung von PV-Modulen und die staatliche Förderung von PV-Anlagen hat sich das in den letzten 20 Jahren grundlegend geändert. Der enorm steigende Bedarf an elektrischer Energie lässt sich durch sinkende Herstellungskosten und steigende Effizienz der Module und Wandler besser durch „Sonnenstrom“ decken. Eine Sonderrolle nimmt hierbei die E-Mobilität ein. Die Wende vom fossilen Energieträger, den die Sonnenstrahlen vor Millionen von Jahren „aufgeladen“ haben, zum E-Auto lässt den Strombedarf überall auf der Welt steigen.

Zwischen der Energiegewinnung in der Silizium-Solarzelle und der Steckdose verrichten verschiedene verlustleistungsbehaftete Systeme ihren Dienst (Bild 1). Dabei hat die Komplexität zugenommen und gleichzeitig wurden die Geräte kompakter. Es stieg auch die Leistungsdichte. Viel Leistung auf kleinem Raum bedeutet bei einem Wirkungsgrad, der bekannterweise unter 1 liegt, auch Verlustleistung. Da jede Temperaturerhöhung die Lebensdauererwartung von vielen beteiligten Bauteilen reduziert, ist es unerlässlich, effektiv arbeitende Entwärmungskonzepte zu implementieren. Hierbei ergeben sich folgende Fragen:

• Kosten der Entwärmung
• Auswirkungen auf die Effizienz
• Lebensdauer der elektromechanischen Komponenten (Lüfter)
• Geräuschentwicklung und Wartungsintensität

Im Folgenden geht es um die aktive Entwärmung der beteiligten Geräte und die weiteren, sich daraus ergebenden Überlegungen. Bei der aktiven Entwärmung wird der Einsatz eines Lüfters und eines Kühlkörpers vorausgesetzt.

Solarpanel, Wechselrichter und PV-Speicher

Das Solarpanel wird direkt von der Sonne beschienen und gibt eine Gleichspannung aus. Das Modul muss nicht aktiv gekühlt werden.

Der Wechselrichter empfängt die Gleichspannung von den Panels und erzeugt daraus, durch einen Aufwärtswandler, Wechselstrom bzw. Drehstrom. Hier wird ein Großteil der Verlustleistung erzeugt und es besteht der größte Bedarf an aktiver Kühlung. Je nach Bauart sind 2 bis 4 Prozent der AC-Ausgangsleistung zu Entwärmen. Für einen 10-kW-Wandler ergeben sich 200 bis 400 W Verlustleistung. Überschlagsweise lässt sich die Lüfterauswahl ohne Betrachtung der Gehäuseoberfläche wie folgt berechnen:

dV/dt = (50 · P_Verlust)/ΔT, Beispiel: dV/dt = (50 · 400 W)/30 K = 667 m³/h (dV/dt steht für den Volumenstrom)

In Bild 2 können diese Werte für Verlustleistungen bis 1 kW und verschiedene Temperaturerhöhungen abgelesen werden. Hier gilt zu bedenken, dass eine um 10 K höhere Bauteiltemperatur die Lebensdauererwartung des Systems halbiert. Eine tendenziell großzügigere Auslegung des Kühlsystems drängt sich also auf. Da mit steigendem Volumenstrom die Geräuschentwicklung zunimmt, ist im Wechselrichter sorgfältig ein aktives Geräuschmanagement notwendig.

Der Photovoltaik-Speicher für die gesammelte Energie erzeugt keine nennenswerte Verlustleistung und muss daher ebenso wie die Panels nicht aktiv gekühlt werden. Ausnahmen bilden hier Speichereinheiten mit integrierten Wechselrichtern.

Ethernet-Gateway

Steuerung und Überwachung der gesamten PV-Anlage ist in allen Fällen zentraler Bestandteil und nicht wegzudenken. Das Gateway bündelt und übersetzt die Kommunikation der Komponenten und zum Betreiber der PV-Anlage. Hier kommen System-on-a-Chip-Prozessoren (SoC) zum Einsatz, die bedingt durch hohe Übertragungsraten gekühlt werden müssen. Die Verlustleistungen betragen wenige Watt und sind somit gering.

Da die Gateways teilweise in Schaltschränken zum Einsatz kommen, sollte auch hier die Entwärmung aktiv stattfinden. Geeignet sind klassische Chipkühler, die aus einer möglichst gut zueinander passenden Lüfter-/Kühlkörperkombination bestehen. Dabei ist es sinnvoll, kleine Gehäuselüfter mit einem Kantenmaß von 20 bis 30 mm einzusetzen. Diese ermöglichen eine effektive Wärmeableitung, selbst in Situationen mit ungünstigen thermischen Einbaubedingungen oder hohen Umgebungstemperaturen. Eine langfristige Zuverlässigkeit dieses zentralen Anlagenteils ist somit gewährleistet.

Unter High Power Charging versteht man eine Ladestation mit einer Ladeleistung bis zu 400 kW. Eine Aktivkühlung der Gleichrichter ist in diesem Fall unerlässlich. Passende Lüfter sind leistungsstark und mit PWM-Eingang ausgestattet. Eine Filterung der angesaugten Luft ist wegen des hohen Volumenstromes wichtig. Dazu eignen sich austauschbare Grobstaubfilter. Auch der Einsatz von EMV-Filtern ist unerlässlich. Die engmaschigen Stahlgitter schirmen die Umwelt vor der im Gerät auftretenden elektromagnetischen Strahlung ab.

Egal in welchem Anwendungsbereich: Zur Abfuhr der Verlustleistung und der Einhaltung der Temperaturrestriktionen der Gerätekomponenten ist zusätzlich Geld für Kühlkörper und Lüfter notwendig. Die Kosten hängen dabei stark von der Komplexität der jeweiligen Konstruktion ab.

Der Betrieb eines aktiven Kühlsystems verbraucht Strom und dieser Strom wird dem Gesamtsystem entzogen. Als Folge dessen sinkt der Wirkungsgrad. Durch den Einsatz aktueller elektronisch kommutierter DC-Lüfter ist diese Absenkung aber nur marginal. So kann z. B. ein Axiallüfter mit 10 W Leistungsaufnahme in Kombination mit einem Aluminiumkühlkörper ausreichen, um einen Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von 10 kW zu entwärmen. Das entspricht exakt einem Promille.

Elektromechanische Bauteile mit gelagerten Wellen unterliegen dem Verschleiß und der Alterung. Heutige Lagersysteme mit hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer erhöhen durch die Absenkung der Temperatur sensibler Bauteile (z. B. Elektrolytkondensatoren) die Lebensdauererwartung des Gesamtsystems.

Die Lebensdauer wird in der technischen Dokumentation von Lüftern in L10 und in MTBF angegeben. L10 ist eine rechnerisch ermittelte Größe. Sie gibt an, wie lange es dauert, bis zehn Prozent der Lüfter einer großen Gesamtmenge ausgefallen sind. Grundlage für die Ermittlung sind Laborversuche. Diese werden mit der Weibull-Verteilung auf die gebräuchlichen Einsatztemperaturen umgerechnet. Standardmäßig erfolgt die Angabe der Lebensdauerwahrscheinlichkeiten von Lüftern bei 40 °C.

MTBF ist die Abkürzung für „Mean Time Between Failure“ und stellt eine weitere Angabe zur Lebensdauer dar und gibt an, wann ein repariertes System wahrscheinlich erneut ausfällt. Da Lüfter nicht repariert werden und die Werte mehrere Jahrzehnte betragen, ist die Aussagekraft für den Anwender eher gering. In Bild 3 wird der große Unterschied zwischen L10 und MTBF (auch MTTF) durch die logarithmische Skalierung verdeutlicht.

Die Lautstärke der Aktivkühlung sollte besonders bei Anlagen in Privathaushalten so moderat wie möglich sein. Dabei gilt es, nicht nur den Schallpegel zu betrachten. Wichtig ist die intelligente Steuerung der Lüfter über eine breitbandige Drehzahlregelung. Damit ist gemeint, dass über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) zwischen 30 Prozent und 100 Prozent der Nenndrehzahl einstellbar sind. Die Impulsdauer im Verhältnis zur Periodendauer wird auch Tastgrad genannt. Über den Tachoausgang werden zwei Rechteckimpulse pro Umdrehung ausgegeben. Durch die Auswertung dieses Signals lässt sich der Tastgrad anpassen, um somit den Regelkreis zu schließen. Ziel der Regelung soll sein, die Drehzahl so hoch wie nötig, aber so niedrig wie möglich zu halten.

Die Angabe der Geräuschentwicklung eines Lüfters ist, ebenso wie die Lebensdauerwahrscheinlichkeit, eine erklärungsbedürftige Größe. Die Messung erfolgt standardisiert in einer Geräuschmesskammer. Der Lüfter wird hierzu in Gummiseilen aufgehängt und in einem definierten Abstand zur Lüfternabe (Lufteintrittsseite) gemessen. Die dazugehörige Norm ist die ISO 7779. Diese legt einen Abstand von 1 m fest. Kleine Lüfter entwickeln so wenig Geräusch, dass die Messung besser in 0,1 m Entfernung durchgeführt wird. In diesem Fall wird dann der ermittelte Wert um 20 dB reduziert. Die Ergebnisse eignen sich zur Orientierung, stellen aber keinesfalls das tatsächliche Geräusch im eingebauten Zustand dar.

Wichtige Einflüsse, wie z. B. Montageart, Gehäusebauform, Gehäusematerial, Staudruck oder ungünstige Strömungsbedingungen bleiben bei der Messung unberücksichtigt, haben aber einen erheblichen Einfluss auf das Geräusch des Lüfters. In der Applikation sind die Laborbedingungen nicht reproduzierbar und Schwierigkeiten wie Resonanzen oder geräuschverstärkende Konstruktionen können aufkommen. Diese Schwierigkeiten lassen sich durch Entkopplung, Lüfterauswahl und Dimensionierung in den Griff bekommen.

Lüfter und Kühlkörper sind wartungsfrei und erfordern nur minimale Aufmerksamkeit. Allerdings sollten Lüfter in PV-Anlagen regelmäßig kontrolliert werden, um eine zuverlässige und effiziente Kühlung sicherzustellen. Aktuelle Lüfter sind in der Regel robust und langlebig, können aber dennoch Störungen oder Verschleißerscheinungen entwickeln, insbesondere in Umgebungen mit hoher Belastung oder schwierigen Bedingungen wie Staub, Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen. In kritischen Anlagen, in denen eine konstante Kühlung von entscheidender Bedeutung ist, sollten daher regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten durchgeführt werden, um potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

Fazit

Aktive Entwärmung spielt in der Nutzbarmachung von Solarstrom eine entscheidende Rolle. Vor allem die unterschiedlichen Spannungsarten und deren Umwandlung ineinander produzieren Verlustleistung. Diese darf unter keinen Umständen zur Überhitzung oder gar zum Ausfall des Systems führen. SEPA Europe besitzt bereits langjährige Erfahrung in der Belieferung der Branche der Erneuerbaren und unterstützt Entwickler und Anwender bei Auswahl, Dimensionierung und Know-how rund um die Elektronikkühlung. (na)