WIPT-PV – Kontaktlose Leistungsübertragung in PV-Systemen mit sehr hoher String-Spannung

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502050
• Projekttitel Englisch: WIPT-PV – Wireless power transfer in PV system with very high string voltages

Schlüsselwörter (Englisch)

photovoltaic module, inverter, balance of system, inductive coupling

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Anders als bei herkömmlichen leitungsgebundenen Solarmodule mit Steckern soll die Leistungsübertragung von den Solarzellen eines Solarmoduls zum Modulanschluss kontaktlos mittels magnetischer Kopplung erfolgen. Die damit entstehende galvanische Trennung ermöglicht es höhere String-Spannungen (>1 kV) zu nutzen, die Montage- und Servicekosten zu reduzieren und auch Betriebsdauer zu steigern. Die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Umsetzung der induktiven Leistungsübertragung, unter Berücksichtigung einer höheren String-Spannung, werden analysiert und im Labor verifiziert werden, was das System ausserhalb des neuen Solarmoduls anlangt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

In contrast to conventional cable based solar modules with connectors, the power transfer from the solar cells of a solar module to the module connection should be made wireless by using a magnetic coupling. The resulting galvanic isolation enables to use higher string voltages (> 1 kV). The feasibility and economic efficiency of implementing the inductive power transfer, considering a higher string voltage, will be analysed and verified in the laboratory.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Machbarkeit einer induktiven Leistungsübertragung, um die Leistung von 400 W drahtlos aus einem PV-Modul zu koppeln, und Anbindung an ein PV-System mit sehr hoher String-Spannung konnte aufgezeigt werden. Dafür wurde ein technisches Konzept für ein Wireless PV-System entwickelt. Ein Resonanzkonverter ist mit zwei in Serie geschalteten Primärspulen im PV-Module verbunden und überträgt die Leistung auf die beiden in Serie geschalteten Sekundärspulen ausserhalb des PV-Moduls. Das Design sieht einen Gleichrichter vor, an dessen Ausgang eine Stringspannung von 1420 V anliegt. In einem String werden weitere Wireless PV-Module parallel dazu geschaltet.

Auf dieser Basis konnten die Spulen, der Magnetkreis, sowie der Serienschwingkreis berechnet und manuell gefertigt bzw. aufgebaut werden. Die kreisförmige planare Primärspule weist 16 Windungen auf. Die Sekundärspule hat 280 Windungen und besteht aus 7 Lagen à 40 Windungen. Die Spulen sind durch 3.2 mm voneinander separiert, was der Dicke des Frontglases entspricht und von Ferritplatten umgeben. Der realisierte Aufbau zur induktiven Leistungsübertragung konnte im Labor messtechnisch analysiert und die einzelnen Verlustkomponenten (Kondensator-, Kupfer- und magnetische Verluste) separiert und quantifiziert werden.

Der gemessene Wirkungsgrad eines Spulensystems bei einer übertragenen Leistung von 203 W beträgt von 97.9 % ±0.83 % (k=1). Unter Einbezug der modellierten Verluste der Leistungselektronik, die notwendig ist, um den Resonanzkonverter anzusteuern und die Ausgangspannung gleichzurichten, konnte ein Gesamtwirkungsgrad von 95.7 % abgeschätzt werden.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 2'081 kB

Schlussbericht (Englisch)

The feasibility of an inductive power transfer that transfers the power of 400 W from a PV module to a PV system with very high string voltage was demonstrated. For this purpose, a technical concept for a wireless PV system was developed. A resonant converter is connected to two series-connected primary coils in the PV module and transfers the power to the two series-connected secondary coils outside the PV module. The setup uses a rectifier at the output, where a string voltage of 1420 V is achieved. Several wireless PV modules are connected in parallel to this string.

Based on that, the coils, the magnetic circuit and the series resonant circuit could be calculated and manually manufactured or built, respectively. The circular planar primary coil has 16 turns. The secondary coil has 280 turns and consists of 7 layers of 40 turns each. The coils are separated from each other by 3.2 mm, which corresponds to the thickness of the front glass, and are surrounded by ferrite plates. The realised setup for the inductive power transfer could be analysed metrologically in the laboratory and the individual loss components (capacitor, copper and magnetic losses) could be separated and quantified.

The measured efficiency of one coil system with a transmitted power of 203 W is 97.9 % ±0.83 % (k=1). An overall efficiency of 95.7 % could be estimated by including the modelled losses of the power electronics, which are necessary to control the resonance converter and to rectify the output voltage.

Schlussbericht (Französisch)

La faisabilité d'une transmission de puissance par induction pour coupler sans fil la puissance de 400 W d'un module PV et la connexion à un système PV avec une tension de string très élevée a pu être démontrée. Un concept technique pour un système PV wireless a été développé à cet effet. Un convertisseur de résonance est relié à deux bobines primaires en série dans le module PV et transmet la puissance aux deux bobines secondaires en série à l'extérieur du module PV. Le design prévoit un redresseur à la sortie duquel est appliquée une tension de string de 1420 V. Dans un string, d'autres modules PV sans fil sont connectés en parallèle.

Sur cette base, les bobines, le circuit magnétique, ainsi que le circuit oscillant série ont pu être calculés et fabriqués ou montés manuellement. La bobine primaire circulaire plane présente 16 tours. La bobine secondaire a 280 tours et se compose de 7 couches de 40 tours chacune. Les bobines sont séparées les unes des autres par 3,2 mm, ce qui correspond à l'épaisseur du verre frontal, et sont entourées de plaques de ferrite. Le montage réalisé pour la transmission de puissance par induction a pu être analysé en laboratoire par des techniques de mesure et les différentes composantes de perte (pertes du condensateur, du cuivre et magnétiques) ont été séparées et quantifiées.

Le rendement mesuré d'un système de bobines pour une puissance transmise de 203 W est de 97,9 % ±0,83 % (k=1). En tenant compte des pertes modélisées de l'électronique de puissance nécessaire pour contrôler le convertisseur à résonance et redresser la tension de sortie, il a été possible d'estimer un rendement global de 95,7 %.