Solar-Wechselrichter: Verluste halbiert

»Das war eine Sache von Minuten«, erinnert sich Dr. Heribert Schmidt an den Tag im Frühjahr 2002. Er hatte in seinem Büro am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg schon oft über dem Schaltungsplan eines Wechselrichters gegrübelt, um nach Verbesserungsmöglichkeiten zu suchen. Ein Geistesblitz – und eine genial einfache Lösung erschien vor seinen Augen.

Sofort holte er einen Wechselrichter aus dem Labor, zog ein paar neue Strippen und baute zwei zusätzliche Halbleiter-Schalter ein. »Dann war nur noch wenig Arbeit an der Steuerung nötig – und schon hatten wir den Beweis!«, so knapp beschreibt der promovierte Elektrotechniker den revolutionären Schritt: Die Verluste ließen sich halbieren und der Wirkungsgrad von 96 auf 98 Prozent erhöhen.

Schlüsselkomponente für die Stromeinspeisung
Der Wechselrichter ist nach dem Solargenerator die zweite Schlüsselkomponente einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage. Solarmodule erzeugen Gleichstrom. Soll der Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden, muss er in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter. Einphasig einspeisende Wechselrichter bestehen aus drei wesentlichen Teilen: dem Pufferkondensator am Eingang, der den Gleichstrom des Solargenerators zwischenspeichert; der Wechselrichterbrücke mit vier Halbleiter-Schaltern, die den Gleichstrom durch schnelles Ein- und Ausschalten »zerhackt«, und als drittes den Drosselspulen am Ausgang, die den Wechselstrom in perfekten Sinusstrom verwandeln.
In kurzer Zeit von der Idee zum Produkt
Heribert Schmidt wusste: Ein großer Teil der Verluste wird durch den Rückfluss von Strom zwischen der Ausgangsdrossel und dem Eingangskondensator verursacht. Frage war also, wie man das verhindern kann. »Ganz einfach«, sagte Heribert Schmidt eine plötzliche Eingebung: »Wenn ich Kondensator und Drosseln in bestimmten Zeitabschnitten vollständig voneinander entkopple, dann kann weder ein Rückstrom fließen, noch können elektro-magnetische Störungen durch Spannungssprünge am Eingang auftreten.« Umgehend ließ er seine Erfindung als HERIC®-Topologie schützen und begann mit der Firma SUNWAYS in Konstanz eine neue Geräteserie zu entwickeln. Die Fachwelt war verblüfft, schnell folgten Preise und fachliche Anerkennung: »das mit Abstand beste Gerät dieser Leistungsklasse.« Inzwischen wurde ein umfassender Patentschutz auf die Grundidee erteilt, und die Fraunhofer-Gesellschaft steht in Verhandlungen mit weiteren Lizenznehmern.

»Mit dieser Topologie wurde im Jahre 2009 ein Wirkungsgrad-Weltrekord für Wechselrichter von über 99 Prozent aufgestellt«, hebt Institutsleiter Prof. Eicke Weber hervor. Heribert Schmidt – seit 1988 am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE – ist mit mehr als 20 erteilten Patenten ein erfahrener Erfinder. Das HERIC®-Patent hat dem Institut bereits erfreuliche Lizenzerträge eingebracht – und Heribert Schmidt nun den Fraunhofer-Preis.

Joseph-von-Fraunhofer-Preis – Forschen für die Praxis:
Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft alljährlich Preise für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Mitarbeiter, die anwendungsnahe Probleme lösen. Mehr als 200 Forscherinnen und Forscher haben diesen Preis inzwischen gewonnen. In diesem Jahr werden drei Preise mit jeweils 20 000 Euro vergeben.