Fronius Active vs Passive Cooling of Power Electronics Whitepaper [DE]

AKTIVE VS. PASSIVE KÜHLUNG
VON LEISTUNGSELEKTRONIK

Warum aktive Kühlung die bessere Technologie für Leistungselektronik
ist.

© Fronius International GmbH
Version 1.1, 5/2019, Jürgen Wolfahrt, Franz Breitwieser, Volker Haider, Jasmin Gross
Solar Energy

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INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung .........................................................................................................................................5

1.1 Definition: Passive Kühlung ..............................................................................................................5

1.2 Definition: Aktive Kühlung .................................................................................................................5

2 Planung & Systemdesign ...............................................................................................................6

2.1 Mehr Flexibilität durch aktive Kühlung ..............................................................................................6

2.1.1 Flexibilität in der Anlagenauslegung .................................................................................................6

2.1.2 Flexibilität in der Montage .................................................................................................................7

3 Wartung ...........................................................................................................................................9

3.1 Geringere Kosten durch aktive Kühlung ........................................................................................ 10

4 Lebensdauer ................................................................................................................................. 11

4.1 Längere Lebensdauer durch aktive Kühlung ................................................................................. 12

4.1.1 Lebensdauer eines Lüfters ............................................................................................................ 12

5 Ertrag............................................................................................................................................. 14

5.1 Mehr Ertrag durch aktive Kühlung ................................................................................................. 14

5.1.1 Auswirkungen am Beispiel einer Referenzanlage ......................................................................... 15

6 Thermischer Vergleich ................................................................................................................ 17

6.1 Verhalten von passiv gekühlten Geräten ....................................................................................... 17

6.2 Verhalten von aktiv gekühlten Geräten.......................................................................................... 19

7 Aspekte beider Kühlsysteme ...................................................................................................... 20

7.1 Aspekte der aktiven Kühltechnologie (Active Cooling) .................................................................. 20

7.1.1 Geräuschentwicklung..................................................................................................................... 20

7.1.2 Geringere Kosten über die gesamte Produktlebenszeit ................................................................ 20

7.1.3 Mehr Komfort durch geringes Gewicht .......................................................................................... 20

7.1.4 Längere Lebensdauer .................................................................................................................... 20

7.1.5 Höhere Flexibilität im Systemdesign .............................................................................................. 20

7.1.6 Mehr Ertrag .................................................................................................................................... 21

7.2 Aspekte der passiven Kühltechnologie .......................................................................................... 21

7.2.1 Geräuschentwicklung..................................................................................................................... 21

7.2.2 Wirkungsgrad ................................................................................................................................. 21

8 Weiterentwicklung von aktiver Kühlung ................................................................................... 22

8.1 Fronius GEN24 Plus ...................................................................................................................... 22

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8.2 Strömungsverhalten im Kühlkörper des Fronius GEN24 Plus ...................................................... 23

8.2.1 Beitrag zur effektiven Energieerzeugung....................................................................................... 24

9 Zusammenfassung ...................................................................................................................... 25

10 Literaturverweise ......................................................................................................................... 26

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1 EINLEITUNG

Hohe Umgebungstemperaturen beeinflussen nicht nur den Ertrag einer gesamten PV-Anlage sondern haben
auch eine starke Auswirkung auf die Lebensdauer von Wechselrichtern. Nicht nur Wechselrichter selbst wer­den von hohen Außentemperaturen negativ beeinflusst, sondern auch die Performance sowie die Lebens­dauer elektronischer Bauteile im Inneren des Gerätes.
Es stellt sich die Frage, wie man ein Überhitzen von elektronischen Bauteilen vermeiden kann, ohne hohe
Summen für beispielsweise ein klimatisiertes Umfeld des Wechselrichters investieren zu müssen.

In diesem Whitepaper werden zwei am Markt übliche Kühltechnologien von Wechselrichtern näher unter­sucht und verglichen. Die Vergleichstests sollen Unterschiede und vorteilhafte Merkmale von passiver und
aktiver Kühltechnologie herausheben.

1.1 Definition: Passive Kühlung

Bei passiver Kühltechnologie setzt man auf natürliche Konvektion. Um die Innentemperatur niedrig zu halten
werden große Kühlkörper eingesetzt, was das Gerät tendenziell schwer macht.

1.2 Definition: Aktive Kühlung

Aktive Kühltechnologie zielt darauf ab, Hitzefelder mit Hilfe von Innenraumlüftern proaktiv zu vermeiden und
warme Luft gesteuert abzuführen.

Bei Fronius ist Active Cooling ein Technologie-Standard in allen Geräten. Ein Lüfter sorgt zusätzlich zu ei­nem kleinen Kühlkörper dafür, dass die Luft im Inneren der Wechselrichter zirkuliert und sogenannte Hot­spots vermieden werden. Ein weiterer Lüfter ist dafür zuständig die Temperatur der Kühlrippen der Leis­tungselektronik niedrig zu halten. Die Geschwindigkeit der Lüfter variiert in Abhängigkeit von der Temperatur
im Innenraum des Gerätes.

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2 PLANUNG & SYSTEMDESIGN

Anlagendaten

AC-Leistung

Überdimensionierung

Modulleistung

Besonders im Bereich der Einfamilienhäuser ist intelligente Anlagenauslegung ein sehr wichtiges Thema, da
einerseits die Dächer der Häuser oft verwinkelt und in verschiedene Himmelsrichtungen ausgerichtet sind
und andererseits die Dachfläche begrenzt ist.
Zudem kann in der Praxis der Installationsort des Wechselrichters nur bedingt frei gewählt werden und man
muss sich an die gegebenen Bedingungen anpassen. Bei einigen Wechselrichtern gibt es allerdings strikte
Vorgaben rund um die Installationsart, -position und den Installationsort. Diese Einschränkungen sind meist
bedingt durch das verwendete Kühlsystem im Wechselrichter.

2.1 Mehr Flexibilität durch aktive Kühlung

2.1.1 Flexibilität in der Anlagenauslegung

Betrachtet man den maximalen Eingangsstrom (I

) eines MPP-Trackers von passiv gekühlten Geräten

DCmax

etwas genauer, stellt man fest, dass diese eine Einschränkung in der Flexibilität aufweisen. Aufgrund der oft­mals limitierten Stromstärke der MPP-Tracker bei passiv gekühlten Geräten, kann meist nur 1 Modulstrang
an einen Tracker angeschlossen werden. Dies liegt daran, dass höhere Stromstärken auch höhere Bauteil­temperaturen verursachen (P = I2 x R).
Passiv gekühlte Geräte verwenden tendenziell gleichmäßig aufgeteilte MPPT-Eingänge. Aufgrund der be­grenzten Wärmeabführung sind die Stromstärken der MPPT-Eingänge begrenzt. Dadurch ergeben sich Ein­schränkungen in der Design-Flexibilität, da pro MPPT-Eingang vergleichsweise weniger DC-Modulstränge
angeschlossen werden können. Aus diesem Grund ist auch eine asymmetrische Aufteilung nur einge­schränkt möglich.

Bei aktiv gekühlten Geräten hingegen kann mehr Wärme abgeführt werden, was höhere Stromstärken er­laubt. Höhere Stromstärken je MPP-Tracker bedeutet wiederrum, mehr Flexibilität im Systemdesign, da
mehr parallele Stränge angeschlossen werden können.
Aktiv gekühlte Geräte von Fronius erlauben zumindest bei einem MPPT-Eingang besonders hohe Ströme
(z.B. 25 A bei 5 kW Symo GEN24 Plus). Dadurch ist es möglich an diesem MPPT-Eingang zwei oder meh­rere DC-Stränge anzuschließen. Darüber hinaus gibt es bei aktiv gekühlten Fronius Wechselrichtern noch
mindestens einen zweiten MPPT-Eingang. Somit ist eine breite asymmetrische Aufteilung auf beide MPPT­Eingänge möglich. Dies und auch die mögliche Überdimensionierung der DC-Leistung von bis zu 150 %, er­möglicht eine hohe Flexibilität bei der Anlagenauslegung und wird deshalb auch SuperFlex-Design genannt.
Dies kann anhand eines einfachen Beispiels veranschaulicht werden.

Vergleichsbeispiel:

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5 kW 130 % (6,5 kWp) 285 Watt (8,97 A)

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Mit einem aktiv gekühlten Fronius Wechselrichter kann man im Falle unserer Beispielanlage die beiden DC­Stränge problemlos an einem MPPT-Eingang anschließen. Es wäre außerdem möglich am zweiten MPPT­Eingang noch weitere Module von einem anders orientierten Dach anzuschließen.
Durch das SuperFlex-Design kombiniert mit einem aktiven Kühlsystem ist es somit mit Fronius Wechselrich­tern möglich unterschiedlich komplexe Dächer optimal auszulegen. Bei passiv gekühlten Geräten ist man
hingegen häufig auf eine verhältnismäßig symmetrische Aufteilung des PV-Generators angewiesen, was in
der folgenden Grafik abzulesen ist.

Abbildung 1: Gegenüberstellung der Leistungsverteilung der MPP-Tracker von passiv sowie aktiv gekühlten 5 kW Wechselrichtern

Zu erkennen ist, dass die Leistungsverteilung der MPP-Tracker bei aktiv gekühlten Geräten großzügiger ge­staltet ist, als bei passiv gekühlten. Dies erklärt sich, da Wechselrichter mit passiver Kühlung der Leistungs­klasse von z.B. 5 kW meist Maximalströme von nur 10 A bis 15 A erlauben.

Bezogen auf unsere Beispielanlage bedeutet das, dass bei passiv gekühlten Geräten die maximale asym­metrische Aufteilung mit 4,5 kW (MPPT1) und 2 kW (MPPT2) begrenzt ist, während beim aktiv gekühlten
Fronius Wechselrichter eine asymmetrischere Aufteilung mit 5,7 kW (MPPT1) und 0,8 kW (MPPT2) realisiert
werden kann.

Bei einem System mit einem Standardmodul von 285 Watt (Trina TSM-285), welches einen Strom von 8,97
A aufweist, können bei Fronius Wechselrichtern Stranglängen von 3 bis 22 Modulen auf Tracker 1 sowie 3
bis 20 Modulen auf Tracker 2 angeschlossen werden. Beim passiv gekühlten Gerät hingegen können an bei­den Trackern gerade mal 7 bis 15 Module angeschlossen werden.

2.1.2 Flexibilität in der Montage

Bei passiv gekühlten Wechselrichtern muss eine möglichst ungehinderte Ein- und Ausströmung der Luft ge­geben sein, was eine bestimmte Positionierung des Wechselrichters voraussetzt.

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So dürfen Wechselrichter mit passivem Kühlsystem lediglich vertikal (90 °) montiert werden. Auch eine In­stallation Seite an Seite sowie übereinander ist nur eingeschränkt möglich, da sich sonst die Luft von Gerät
zu Gerät erwärmt und dadurch der Kühleffekt stark reduziert wird. Von einer Positionierung des Wechselrich­ters an Orten mit direkter Sonneneinstrahlung ist ebenso abzuraten, da die Strahlungswärme das Gerät mit
passivem Kühlsystem zusätzlich zur Umgebungstemperatur erhitzt.

Für Geräte mit aktivem Kühlsystem gibt es keine Einschränkungen bei der Montage. Die Wechselrichter kön­nen vertikal sowie horizontal (0 ° - 90 °) und sogar flach (auf einem Dach) montiert werden.

Abbildung 2: Flexible Befestigungsmöglichkeiten von aktiv gekühlten Fronius Wechselrichtern [Quelle: Fronius]

Mit einer intelligenten aktiven Luftführung ist es möglich, die Wechselrichter Seite an Seite zu montierten.
Beispielsweise wird die kühle Luft von der Seite angesaugt und die erwärmte Luft nach oben abgeführt, wie
in der nachfolgender Abbildung ersichtlich ist:

Abbildung 3: Flexible Montagemöglichkeit - Seite an Seite sowie übereinander aufgrund von intelligenter aktiver Luftführung

[Quelle: Fronius]

Die geregelte Konvektion ermöglicht eine um ca. 5-fach erhöhte Wärmeabfuhr, im Vergleich zu passiver
Konvektion, wodurch die Wechselrichter auch an Standorten mit höherer Sonneneinstrahlung platziert wer­den können.

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