Stromversorgung Die richtige Auswahl des Kondensators für Solarwechselrichter

Autor / Redakteur: Theo Van De Steeg * / Gerd Kucera

Schlüsselkomponenten im Wechselrichter sind die Kondensatoren. Ihre Auswahl erfordert vielfältige Überlegungen. Weshalb sachkundiger Rat des Lieferant wichtig ist, skizziert der Beitrag.

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Die photovoltaische Zelle (Solarzelle) setzt die kurzwellige Strahlungsenergie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie um. Damit diese elektrische Energie für den Verbraucher über das Stromnetz bereitgestellt werden kann, dienst ein Solarwechselrichter als Schnittstelle zwischen Solarzellen und Stromnetz. Ein Blockdiagramm eines einfachen Solarwechselrichters zeigt Bild 1. Der DC-DC-Wandler regelt den Arbeitspunkt des Solarwechselrichters zur Erzielung einer maximalen Leistungsabgabe. Der DC-AC-Wandler speist diesen Strom unter Berücksichtigung der Vorschriften der Stromversorgungsunternehmen in das Stromnetz ein. Ein Energiepuffer absorbiert die Differenz des Stromflusses zwischen diesen beiden Wandlern.

Die Wahl des Energiepuffers: Größe und Speicherdauer

Die Größe des Energiepuffers wird von der Energiemenge bestimmt, die er speichern muss. Die Energiemenge kann aus der Betriebsleistung des Solarwechselrichters und der Zeitdauer zwischen Energiespeicherung und -freigabe ermittelt werden. Als Faustregel gilt: Ist die Zeitdauer weniger als eine Sekunde, kann ein Film- oder Aluminiumkondensator eingesetzt werden.

Film- und Aluminiumkondensatoren haben Einschränkungen, welche die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Solarwechselrichters beeinflussen. Daher ist es wichtig, die während der Lebensdauer zu erwartenden Betriebsbedingungen sorgfältig zu spezifizieren. Wichtige Parameter sind die Umgebungstemperatur, die Betriebsspannung und der überlagerte Wechselstrom sowie die Zeitspanne, in welcher diese Kombination auftritt.

Vergleich von Film- und Aluminiumkondensatoren

Film- und Aluminiumkondensatoren beruhen auf dem Prinzip des Plattenkondensators. Bild 2 zeigt den grundlegenden Aufbau mit Andeutung der Hauptunterschiede. Filmkondensatoren, wie sie als Energiepuffer in Solarwechselrichtern verwendet werden, bestehen aus einer zweischichtigen Wicklung aus metallisiertem Polypropylen. Die Dicke des Polypropylens bestimmt die Betriebsspannung, die bis zu mehrere kV betragen kann. Eine Verbindung zur Metallisierung des Polypropylens wird durch das Aufsprühen von Metall erreicht. Die Anschlussdrähte sind auf beide Seiten des Wickels aufgelötet.

Aluminiumkondensatoren bestehen aus zwei Aluminiumfolien, die durch eine oder zwei Schichten Papier voneinander getrennt und mit einer leitfähigen Flüssigkeit, dem Elektrolyt, imprägniert sind. Die Anschlüsse werden auf die beiden Aluminiumschichten angebracht. Die erste Aluminiumschicht ist aufgeraut (um den Oberflächenbereich zu vergrößern) und mit einer dicken Oxidschicht bedeckt. Die zweite Aluminiumschicht dient ausschließlich dem Kontakt mit dem Elektrolyten. Die Betriebsspannung wird durch die Dicke der Oxidschicht und die Eigenschaften des Elektrolytes begrenzt. In der Praxis liegt diese Grenze bei etwa 500 V.

Ein Filmkondensator ist nahezu ein idealer Kondensator. Seine Kapazität ändert sich bei Temperaturschwankungen unwesentlich und er erwärmt sich kaum beim Laden und Entladen (überlagerter Wechselstrom). Aufgrund seines Aufbaues sind die Stromwege kurz, wodurch eine niedrige Induktivität erzielt wird. Deshalb können Filmkondensatoren für einen großen Frequenzbereich, normalerweise bis zu mehreren MHz verwendet werden.

Ein Aluminiumkondensator weicht von einem idealen Kondensator ab. Die Kombination aus dünnen Poren und im Vergleich zu Metall einem nicht so leitfähigem Elektrolyten hat zur Folge, dass die Kapazität von der Temperatur und der Frequenz abhängt. Ohmsche Verluste in der Aluminium-Papier-Elektrolyt-Kombination sowie frequenzabhängige Verluste in der nicht perfekten Oxidschicht resultieren beim Laden und Entladen in eine Erwärmung des Kondensators. Die maximale Wechselstrombelastung ist daher limitiert. Hinzu kommt, dass sich die elektrischen Eigenschaften mit der Zeit ändern, da der Elektrolyt mit anderen Materialien in dem Aluminiumkondensator reagiert. Dies führt zum Ende der Lebensdauer des Kondensators. Da diese Reaktionsrate mit der Temperatur des Kondensators abnimmt, muss eine Lebensdauerberechnung mit auf Basis des Betriebsprofils des Solarwechselrichters durchgeführt werden.

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