Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Gleichrichter senkt Stromverbrauch

13.07.2009
Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, die Verluste in so genannten Wechselstromgleichrichtern um zwei Drittel zu reduzieren. Würden alle IT-Geräte in der Schweiz umgerüstet, könnte schätzungsweise der jährliche Stromverbrauch von 10'000 Schweizern gedeckt werden.

Module, die Geräte mit Gleichstrom versorgen, sind aus der modernen Elektro-technik nicht mehr wegzudenken.

Egal ob Handys, Computer oder Fernsehgeräte - alle benötigen das Verbindungsteil, das die Wechselspannung des Energienetzes in Gleichspannung umwandelt und den Eingangsstrom so formt, dass keine Störungen auftreten.

Leider entstehen bei der Umwandlung unerwünschte Verluste: Der Wirkungsgrad von Gleichrichtern liegt momentan bestenfalls bei 97,5 Prozent. Dr. Jürgen Biela und Doktoranden der Professur für Leistungselektronik der ETH Zürich haben nun ein neues Verfahren entwickelt, mit welchem der Wirkungsgrad von Gleichrichtern wesentlich gesteigert werden kann.

Nach den Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) wird im Laufe des Jahres 2009 die Zahl der Computernutzer eine Milliarde überschreiten. Bis 2030 wird sich laut IEA der Energiebedarf durch Unterhaltungselektronik und Bürogeräte auf rund 1'700 Milliarden Kilowattstunden verdreifachen. Der steigende IT-Stromverbrauch wird also in Zukunft nicht nur die Stromrechnungen in die Höhe treiben, sondern er gefährdet auch die Pläne, die Energieversorgung zu sichern.

Um dem stetig steigenden Stromverbrauch entgegenzuwirken, müssen unter anderem die Verluste in den leistungselektronischen Konvertern, welche die IT-Geräte mit Energie versorgen, reduziert werden. Biela und seine Kollegen konn-ten nun durch neue Optimierungsverfahren einen Gleichrichter entwickeln, der den erreichbaren Wirkungsgrad von 97,5 auf maximal 99,2 Prozent verbessert. Was nach wenig tönen mag, hat eine grosse Wirkung: "Mit der eingesparten Energie durch einen höheren Wirkungsgrad aller IT-Geräte in der Schweiz um nur ein Prozent, könnte ungefähr der jährliche Stromverbrauch von 10'000 Schweizern gedeckt werden", veranschaulicht Biela die Auswirkungen des neuen Gleichrichters.

Bei der Berechnung solcher Geräte muss der Ingenieur immer einen geeigneten Kompromiss finden, denn je kleiner ein gegebenes System gebaut wird, desto geringer wird normalerweise seine Effizienz. Der Wirkungsgrad sinkt, da der Fluss elektrischer Energie - vergleichbar einem Flüssigkeitsstrom - durch ein kleineres Gerätevolumen gepresst werden muss. Dadurch geht wertvolle Energie verloren. Die Kunst ist also, ein System mit hoher Leistung und kleinem Volumen zu bauen. Mit dem vom ETH-Forschungsteam entwickelten Ansatz lässt sich jetzt erstmals der bestmögliche Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Baugrösse ermitteln. So können die Forscher feststellen, welcher maximale Wirkungsgrad bei einem begrenzten Volumen theoretisch überhaupt erreichbar ist. "Mit den heutigen Materialien ist der von uns erreichte Wirkungsgrad von 99,2 Prozent bei einer Leistung von 1,6 kW und einem Volumen von 1,1 Liter wohl das Optimum", betont Biela. Möchte man ein System so klein wie möglich bauen, so sinkt der erreichbare Wirkungsgrad auf unter 96 Prozent. Die ausserordentlich hohe Effizienz des neuen aktiven Gleichrichters erreichten die ETH-Forscher, indem sie dessen Komponenten bezüglich der Bauteilwerte und der Geometrie optimal berechneten und aufeinander abstimmten.

Um die hohen Effizienzwerte in der Praxis genau ermitteln zu können, mussten die Forscher überdies ein neues Messsystem entwickeln, mit dem der Wirkungsgrad mit einer Genauigkeit von ±0,05 Prozent bestimmbar ist. Mit dem neu entwickelten Modellierungs- und Optimierungsverfahren, kann in Zukunft aber auch das Potential neuer Technologien und Materialien - wie zum Beispiel Silizium Karbid - ausgelotet werden.

Die Industrie interessiert sich sehr für die Forschung der ETH-Leistungselektroniker. Der Prototyp des aktiven Gleichrichters ist bereits für Tests bei einer grossen Halbleiterfirma. "Unser Verfahren ist keine theoretische Spielerei, es kann unmittelbar eingesetzt werden", hebt Biela den Praxisbezug der Forschung hervor. Der verbesserte Gleichrichter ist aber für das Team nur der erste Schritt. Um die Energieeffizienz zu verbessern, ist ihr nächstes "Angriffsziel" der Gleichspannungswandler. Mikroprozessoren und Speicherbausteine (RAMs) benötigen häufig eine niedrige Spannung von 1,2-1,8 Volt. Der Gleichspannungswandler ist dem aktiven Gleichrichter nachgeschaltet und reduziert Spannung aus der Steckdose auf die gewünschte niedrigere Voltzahl.

Kontakt
ETH Zürich
Dr. Jürgen Biela
Professur für Leistungselektronik
+41 44 632 69 22
biela@lem.ee.ethz.ch

Franziska Schmid | idw
Weitere Informationen:
http://www.cc.ethz.ch/media/picturelibrary/news/Gleichrichter

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht »FLUX-LMDR« will Energieeffizienz von Transformatoren erhöhen
18.12.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen
15.12.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Carmenes“ findet ersten Planeten

Deutsch-spanisches Forscherteam entwirft, baut und nutzt modernen Spektrografen

Seit Januar 2016 nutzt ein deutsch-spanisches Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen den modernen Spektrografen „Carmenes“ für die Suche nach...

Im Focus: Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

Heute verfügbare Ionenfallen-Technologien eignen sich als Basis für den Bau von großen Quantencomputern. Das zeigen Untersuchungen eines internationalen Forscherteams, deren Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler haben für Ionenfallen maßgeschneiderte Protokolle entwickelt, mit denen auftretende Fehler jederzeit entdeckt und korrigiert werden können.

Damit die heute existierenden Prototypen von Quantencomputern ihr volles Potenzial entfalten, müssen sie erstens viel größer werden, d.h. über deutlich mehr...

Im Focus: Error-free into the Quantum Computer Age

A study carried out by an international team of researchers and published in the journal Physical Review X shows that ion-trap technologies available today are suitable for building large-scale quantum computers. The scientists introduce trapped-ion quantum error correction protocols that detect and correct processing errors.

In order to reach their full potential, today’s quantum computer prototypes have to meet specific criteria: First, they have to be made bigger, which means...

Im Focus: Search for planets with Carmenes successful

German and Spanish researchers plan, build and use modern spectrograph

Since 2016, German and Spanish researchers, among them scientists from the University of Göttingen, have been hunting for exoplanets with the “Carmenes”...

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neue Konfenzreihe in Berlin: Landscape 2018 - Ernährungssicherheit, Klimawandel, Nachhaltigkeit

18.12.2017 | Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Lipid-Nanodisks stabilisieren fehlgefaltete Proteine für Untersuchungen

18.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

Von Alaska bis zum Amazonas: Pflanzenmerkmale erstmals kartiert

18.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

Krebsforschung in der Schwerelosigkeit

18.12.2017 | Biowissenschaften Chemie