Next generation power electronics technology for photo voltaic systems (EMVT 08212)

Titel
Next generation Power electronics technology for PV systems (EMVT 08212)

In zonnecel geïntegreerde PV-omvormer

Toekomstige generaties zonnecellen zullen vele malen goedkoper geproduceerd worden en ook hun energieconversie- efficiëntie zal sterk toenemen. Dat heeft consequenties voor de vermogenselektronica van PV-systemen. Het IOP-project “Next generation power electronics technology for photovoltaic systems” ontwikkelde daarom een betrouwbare, efficiënte, platte en potentieel goedkopere PV-omvormer die in een zonnecel geïntegreerd kan worden.

“Momenteel vinden er grote ontwikkelingen plaats op het gebied van zonne-energie”, zegt Braham Ferreira, hoogleraar Electrical Power Processing aan de Technische Universiteit Delft. “Er is sprake van een sterk concurrerende markt, waarin de afgelopen jaren de prijzen van PV-systemen meer dan gehalveerd zijn. Dan moeten de kosten van PV-omvormers natuurlijk ook gaan dalen.” Een PV-omvormer is momenteel ondergebracht in een apart kastje bij een zonnecellenpaneel. De vermogenselektronica zorgt ervoor dat het maximale vermogen uit de zonnecel wordt gehaald en zet de van de zonnecel afkomstige spanning (20-30 V gelijkstroom) om in 230 V wisselstroom.

Van de rol
Niet alleen moet de prijs van de toekomstige PV-omvormer scherp dalen, hij zal ook een beter vermogensrendement en hogere betrouwbaarheid moeten krijgen dan de bestaande. Om aan al deze
eisen te kunnen voldoen, ontwikkelde het IOP-project een nieuw concept, waarbij de PV-omvormer plat wordt uitgevoerd en wordt geïntegreerd op de achterkant van een zonnecel. Ferreira: “We hebben
daarbij in ons project gekozen voor integratie in low cost flexible thin-film zonnecellen, omdat onze onderzoeksgroep Photovoltaic Materials and Devices zich op dunne film zonnecellen richt. De verwachting is dat je zulke zonnecellen op termijn in een bouwmarkt van de rol kunt kopen. Deze zogenaamde building-integrated photovoltaics (BIPV) kun je op elk beschikbaar oppervlak aanbrengen.” Integratie van de PV-omvormer achterop de zonnecel heeft allerlei voordelen: er zijn  veel minder connectoren nodig, de energie afkomstig van de zonnecel heeft meteen de juiste spanning en het systeem biedt maximaal vermogen. Bovendien kan de packaging ervan veel simpeler worden uitgevoerd. De kunststof die de zonnecellen afdekt kan immers als bescherming worden gebruikt. Ook de bekabeling wordt eenvoudiger, wat ook tot kostenbesparing leidt.

Spiraalvormige spoel
Het nieuwe concept bracht wel een aantal uitdagingen met zich mee. “Omdat de energieconversie achterop de zonnecel plaatsvindt in plaats van in een apart kastje, genereert dat ter plekke extra warmte”, legt Ferreira uit. “Dat leidt tot zogenaamde hot spots in de zonnecel, die daar ander gedrag vertoont. Je moet dus in je ontwerp warmteontwikkeling zoveel mogelijk voorkomen en de warmte die ontstaat goed afvoeren. Dat is ons gelukt.” Een andere uitdaging was de eerder genoemde energieconversie: die moest zo efficiënt mogelijk worden. “PV-panelen zijn behoorlijk prijzig. Gebruikers verdienen hun investering terug door zoveel mogelijk energie aan het net te leveren. Omdat energieverlies meteen geldverlies betekent, moet een PV-omvormer een zo hoog mogelijk rendement hebben. We hebben onderzocht of een nieuw type transistor, gemaakt van GaN in plaats van silicium, kan worden toegepast. Uit ons onderzoek bleek dat dit type transistor zorgt voor een verdubbeling van het rendement van de omvormer. Daarnaast creëert de GaN-transistor weinig warmte, ideaal dus voor onze toepassing.” Een derde uitdaging was dat de PV-omvormer dun (hooguit enkele millimeters) en flexibel moest zijn. “Dat vraagt om een speciaal ontwerp van de magnetische componenten. We hebben de transformator uitgevoerd als een spiraalvormige spoel op een flexibele printplaat, waarbij het magnetische materiaal in poedervorm in de polymeer is ingebed.”

Veel interesse
“Zo’n dunne, flexibele magnetische component is sowieso een mooi resultaat van het project”, vervolgt Ferreira. “Daarnaast hebben we aangetoond dat het nieuwe concept van een geïntegreerde PV-omvormer inderdaad werkt. Het gebruik van de nieuwe GaN-halfgeleiders verdubbelt het conversierendement van de omvormer, doordat de verliezen in de transistor halveren.” Maar er zijn nog meer resultaten. “Twee jaar geleden waren we de eersten ter wereld die het gedrag van GaN-transistoren onderzochten. Er was dan ook veel belangstelling voor ons werk tijdens de IEEE Energy Conversion Congress and Exposition in 2011. Ook NXP heeft interesse, evenals IC-leverancier Infineon. We hebben veel ervaring opgedaan met deze nieuwe transistoren en zijn de eerste met ontwerpkennis over het gebruik van deze devices in PV-toepassingen.”

Interessant
Bij het project waren diverse bedrijven en organisaties betrokken. Een van hen is Femtogrid, een spin-off van Betronics die omvormers gebruikt in zijn systeem voor duurzame energieopwekking. Door de dunne uitvoering is het concept ook interessant voor NMB-Minebea, fabrikant van platte voedingen voor LED-schermen. Ook energieonderzoekscentrum ECN werkte mee aan het project. “Zij hebben ons prima ondersteund bij de systeemintegratie”, zegt Ferreira. “ECN doet vooral onderzoek naar de technologie van de zonnecellen zelf en het totale systeem, maar minder op het gebied van omvormers. Dat is voor hun dan ook de reden om aan dit project mee te doen.”

Gescheiden werelden
Het nieuwe geïntegreerde concept kan ook worden toegepast in combinatie met harde zonnepanelen. Dat biedt dezelfde voordelen als gebruik in dunne film zonnecellen. Wat moet er nu gebeuren om deze oplossing in de markt te zetten? “Dat is nog niet zo simpel”, legt Ferreira uit. “Zonnepanelen en omvormers zijn nu losse producten die door verschillende bedrijven worden gemaakt. De fabrikanten van de panelen hebben weinig kennis over omvormers in huis en vice versa. Het zijn gescheiden werelden, net als op de universiteit overigens. Die werelden komen pas bij de installateur bij elkaar. Wil je profiteren van de meerwaarde van dit concept dan is een organisatorische verandering in de markt nodig: de twee soorten fabrikanten moeten met elkaar gaan samenwerken. Dat is een grote stap. Een alternatief is dat een start-up het concept op pakt.”

Een van de ontwikkelde prototypes, een 120 W flexibele PV-module
EMVT-06101: Plaatsing van het intelligente distributiestation. … -04: Testen van het intelligente
distributiestation bij het Flex Power Grid Lab van KEMA. … -05: De wijk Het Kasteel in Apeldoorn:
Bijna letterlijk een eiland en het kan voor de energievoorziening functioneren als eilandbedrijf.

Uitvoerders:
TU Delft – faculteit EWI
• Prof.dr.-eng. J.A. Ferreira
• Milos Ačanski

Onderzoeksperiode:
2009-2013

Partners:
ECN
Exendis
Femtogrid
Infineon Technologies
Mastervolt
NMB-Minebea
(Duitsland)