Eigenschaften von Modulnahen Wechselrichtern und Leistungsoptimierern

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Margarethe Lange
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13. Workshop Photovoltaik-Modultechnik 28./29.11.

1 13. Workshop Photovoltaik-Modultechnik 28./ , Köln Eigenschaften von Modulnahen Wechselrichtern und Leistungsoptimierern Peter Lechner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

2 MLPE * und Smart-Module auf dem Vormarsch? Quelle: SMA HV 2016, IHS Research * MLPE: Module Level Power Electronics - 2 -

3 Inhalt Labor- und Felduntersuchung - Wirkungsgrad und Erträge Zuverlässigkeit - Anforderungen - Stressfaktoren und Stress-Modell - Lebensdauertest Zusammenfassung - 3 -

4 MLPE: Vorteile und Herausforderungen Vorteile (optional): Ertragsoptimierung - DC/DC-Optimierer - DC/AC-WR Vereinfachte Planung Herausforderungen: Mehrkosten Zuverlässigkeit und Lebensdauer Sicherheitsschalter Spannungsbegrenzung Modul-Monitoring, Big data - 4 -

5 Fehlererkennung durch Modul-Monitoring Fehlerhafte Bypass-Diode erkannt: - schnell mit Monitoring - aufwändig mit Feld-Inspektion - 5 -

6 Untersuchte Produkte Modell Enphase M250 SMA SB240 SolarEdge P300 Typ DC/AC DC/AC DC/DC Leistung 250W AC 230W AC 300W DC Eingang V 23V 39V 27V 39V 9V 48V η EUR 95.7% 95.3% n/a Referenz: Strang-WR SMA SB3000TL-21 mit globalem MPP-Tracking - 6 -

7 DC/AC-Effizienz von Modul-WR und Strang-WR: Labor- und Feldmessung Modul-WR bei geringer Last besser als Strang-WR - 7 -

8 Testfeld Widderstall: Evaluation ohne/mit Verschattung Strang-WR Referenz MLPE Test-System DC-Messung MLPE Strang-WR AC-Messung Vergleichende Evaluation MLPE und Strang-WR Permutation Module und Messtechnik, um Bias zu eliminieren Unverschattet, Mast- und Giebelverschattung - 8 -

9 Ertragsvergleich: unverschattet MLPE (Enphase, SMA) vs. Strang-WR (Referenz) Mikro-WR an einstrahlungsschwachen Tagen besser als Strang-WR - 9 -

10 Ertragsvergleich: Mast-Verschattung MLPE (Enphase, SMA, SolarEdge) vs. Strang-WR (Referenz) 0 bis 10% Ertragsvorteil durch MLPE gegenüber Strang-WR

11 Tagesverlauf des Betriebsverhaltens: Mast-Verschattung AC-PR des Mikro-WR teilweise unter Strang-WR Begrenzung durch limitierte Eingangsspannung (Enphase >23V)

12 Inhalt Labor- und Felduntersuchung - Wirkungsgrad und Erträge Zuverlässigkeit - Anforderungen - Stressfaktoren und Stress-Modell - Lebensdauertest Zusammenfassung

13 Ausfallkurve Lebensdauer Fehlerrate l Lebensdauer Fehlerrate l: FIT, Failure In Time; Fehler pro 10 9 Betriebsstunden MTBF: Mean Time Between Failure (Zeit bis zur Reparatur) MTBF = 1/ l Fehlerrate l MTBF 1 FIT a 1000 FIT 114a

14 MLPE: Anforderungen; Herstellerangaben PV-System mit MLPE)* 20 Jahre fehlerfrei Notwendige FIT Notwendige MTBF Erwartete Lebensdauer 5 kw Hausdach 20 MLPEs 500 kw kommerziell MLPEs <570 >200 a >20 a <6 > a >20 a Produkt FIT MTBF Erwartete Lebensdauer Enphase MikroWR )** >300 a >20 a SMA SB240 )*** >800 a >20 a MTBF ausreichend für 20 Jahre fehlerfreies Hausdach MTBF reicht nicht für 20 Jahre fehlerfreie 500kW Anlage )* 50% Einschaltzeit : 4380 h/a )** Reliability_of_Enphase_Microinverter_2009 )*** SMA_Microinverter_Intersolar-life_2011

15 Stressfaktoren für beschleunigte Alterung (Accelerated Life Test, ALT) Wesentliche Stressfaktoren für Halbleiter/Elektronik: Temperatur Temperatur-Feuchtigkeit Temperatur-Wechsel Spannung-Strom

16 Modell für Abschätzung der Lebensdauer am Einsatzort Anwendungs- Modell: Temperatur am Einsatzort Stress-Modell: Temperatur-Stress Arrhenius-Abhängigkeit Referenzdaten Zuverlässigkeit: Herstellerdaten Feld-, Labordaten Abschätzung Zuverlässigkeit: Lebensdauer am Einsatzort

17 Temperatur-Stress Modell für beschleunigte Alterung Arrhenius Modell liefert Beschleunigungsfaktor AF(T) = exp [(E a /k)(1/t use -1/T t )] - AF Beschleunigungsfaktor - T t Gerätetemperatur im Alterungstest, z.b. 85 C+DT - T use Gerätetemperatur am Einsatzort - E a Aktivierungsenergie, typisch 0,7 bis 1,0 ev

18 Anwendungs-Modell für MLPE-Gerätetemperatur MLPE-Gerätetemperatur: T MLPE = T a + DT bias + c*e POA - Wind unberücksichtigt Parametrierung DT bias, c für: - Enphase M250 - (1) Hinterlüftetes MLPE-Gerät - (2) Thermisch isoliertes MLPE - T a Umgebungstemperatur DT bias Geräte-T Bias - c Wärme-Transfer Faktor - E POA Einstrahlung

19 Thermisches Derating berücksichtigen MLPE-Gerät soll bei T a 85 C getestet werden: Derating messen, weil Datenblattwerte fehlen Enphase M250: - regelt bei T a >70 C ab - läuft bei T a =85 C mit 50% SMA SB240: - regelt bei T a 82 C ab - kein aktiver Betrieb bei T a =85 C

20 Abschätzung Dauer thermischer Lebensdauertest Enphase M250 Lebensdauer Temperatur-Modell Arrhenius E a = 0,7eV T a = 85 C => T t = 92 C Meteo-Daten; 1h-Werte - Stuttgart - Alice Spring (AUS) Einbausituation: - hinterlüftet - isoliert Ort/Einbau Testdauer bei 85 C für 25 a Lebensdauer Enphase M250 Stuttgart hinterlüftet Stuttgart isoliert Alice Spring hinterlüftet Alice Spring isoliert 550 h 1200 h 2200 h 6000 h

21 Thermischer Lebensdauertest: Enphase M250 Klimakammer Test 2000h, 85 C/10%rF - Effizienz stabil +1500h 85 C/85%rF - Funktion stabil 3500h Lebensdauertest bei 85 C ohne Mängel bestanden Entspricht mehr als 25 Jahre thermischem Stress für ein hinterlüftetes System in extrem heißem Klima

22 Zusammenfassung Die Mikro-WR und Optimizer zeigen im Vergleich zu Strang-WR: - vergleichbare Erträge bei unverschattetem Betrieb - typisch 5 bis 10% Mehrertrag bei Verschattung Abschätzung der Zuverlässigkeit (hier Temperatur-Stress) - erfordert Stress-Modell und Anwendungsmodell - Dauer Lebensdauertest stark abhängig vom Einsatzort - bisher 3500h bei 85 C für Enphase ohne Probleme Ausblick: - Feld- und Labordaten für Fehlerraten FIT/MTBF notwendig - Bestimmen der Fehlermodi wichtig

23 // Energy with a future // Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Stuttgart: Photovoltaics Division (with Solab), Energy Policy and Energy Carriers, Central Division Finance, Human Resources and Legal Solar Test Facility Widderstall Ulm: Electrochemical Energy Technologies Division with elab

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