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The inductive power transfer for photovoltaic modules was elaborated in the detailed scientific studies in order to develop a completely new and innovative PV system, which does not require a large number of traditional electrical connectors. Different variants and concepts are discussed. The most promising and expedient PV system solution has been designed in depth taking into account the close linkage of the power electronics topology based on the newest semiconductor devices with the intrinsic capacitances of the solar cells and with the magnetic circuit determined analytically as well as by electromagnetic field simulations. A classical development process would not have led to this goal. The functional principle, which was finally verified by measurements in the laboratory, is based on the fact that the DC current generated in the solar cells is converted into an AC current via a resonance converter and that it is fed through a primary planar coil. The converter and the coil will be integrated in the laminated area of the PV module. The AC voltage at the primary coil induces a voltage in the secondary coil that is located outside the PV module directly above the primary coil. The wirelessly transmitted energy is fed into parallel-connected string via a rectifier. The goal is to develop a PV system that does not require connectors, makes planning more efficient, requires less electrical expertise on site during the installation, reduces installation and maintenance costs, increases plant safety, eliminates the potential induced degradation of typical crystalline silicon PV modules and reduces cable losses or the amount of copper used, respectively. To achieve this goal, it was investigated whether required input capacitor of the converter can be substituted by the intrinsic capacitance of the solar cells. Furthermore, the design of the resonant converter was combined with an analytical coil design in order to establish their ideal geometry and in order to optimally determine other important parameters e.g. power losses, resonant frequency, switching topology, output voltage, solar cell matrix configuration. The inductive power transfer was verified by electromagnetic field simulation before the coils were manufactured, coupled by ferrite cores and connected with the resonant capacitor. This setup could be measured in the laboratory and an efficiency of 97.9% ±0.83% (k=1) was achieved. The loss models of the full-bridge LLC resonant converter, the inductive power transfer and the rectifier used during the design phase were combined with the PV performance model in order to calculate the efficiencies at different temperature and irradiance conditions. It could be shown that the wireless PV module could reach European and Californian efficiencies of 94.3% and 95.5 %, respectively. This means that this new PV system solution could have a chance on the market in the long-term due to its advantages. The potential is there to reduce the levelised cost of electricity of PV systems based on this completely new PV system approach by implementing parts of the power electronics in the solar module and wireless power transmission in the power plant. Die induktive Leistungsübertragung für Photovoltaikmodule ist in den wissenschaftlichen Detailstudien erarbeitet worden, um ein komplett neues und innovatives PV-system zu entwickeln, welches keine Vielzahl von traditionellen elektrischen Steckern benötigt. Verschiedenste Varianten und Konzepte werden diskutiert, wobei die vielversprechendste und zielführendste PV-Systemlösung in der Tiefe entworfen wurde unter Berücksichtigung der engen Verkettung von der Topologie der Leistungselektronik mit neuesten Halbleiterbauelementen mit den intrinsischen Kapazitäten der Solarzellen und mit dem Magnetkreis, bestimmt durch analytische Lösungen bzw. durch Magnetfeldsimulation. Ein klassischer Entwicklungsprozess hätte nicht zum Ziel geführt. Das Funktionsprinzip, welches schlussendlich messtechnisch im Labor überprüft werden konnte, beruht darauf, dass der in den Solarzellen produzierte Gleichstrom über einen Resonanzwandler in einen Wechselstrom umgewandelt und durch eine planare Primärspule geführt wird. Der Wandler und die Spule werden sich im laminierten Bereich des Solarmoduls befinden. Die Wechselspannung über der Primärspule induziert eine Spannung in der Sekundärspule, die ausserhalb des PV-Moduls direkt über der Primärspule angebracht wird. Die somit drahtlos übertragene Energie wird über einen Gleichrichter in einen parallel geschalteten String eingespeist. Das Ziel ist ein PV-System zu entwickeln, dass ohne Stecker auskommt, die Planung effizienter gestaltet, weniger elektrische Expertise während der Installation benötigt, den Installation- und Wartungssaufwand reduziert, die Anlagensicherheit erhöht, potenzial induzierte Degradation von klassischen kristallinen Silizium Solarmodulen eliminiert und Kabelverluste bzw. den Kupfereinsatz verringert. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde untersucht, ob der nötige Kondensator am Eingang des Wandlers durch die intrinsischen Kapazitäten der Solarzellen substituiert werden kann. Weiter wurde das Resonanzwandlerdesign an die analytische Auslegung des Spulensystem gekoppelt, um deren ideale Geometrie und weitere wichtige Parameter wie z.B. Verlustleistungen, Resonanzfrequenz, Schaltungstopologie, Ausgangspannung, Konfiguration der Zellmatrix optimal zu bestimmen. Die induktive Leistungsübertragung wurde mittels elektromagnetischen Feldsimulationen verifiziert, bevor die Spulen gewickelt, mittels Ferritkerne gekoppelt und mit dem Resonanzkondensator verbunden wurden. Dieser Aufbau konnte im Labor vermessen und dessen Wirkungsgrad mit 97.9% ±0.83% (k=1) quantifiziert werden. Die während der Designphase angewandten Verlustleistungsmodelle des LLC Resonanzwandlers mit Vollbrückenansteuerung, der induktiven Leistungsübertragung und des Gleichrichters wurden mit einem PV-Performancemodell kombiniert, um die Effizienzen bei verschiedenen Temperaturen und Einstrahlungsbedingungen zu berechnen. Es konnte aufgezeigt werden, dass der Euro-Wirkungsgrad und der CEC-Wirkungsgrad des kabellosen PV-Moduls bei 94.3% bzw. 95.5% liegt. Somit hat diese neue PVSystemlösung langfristig durchaus Chancen am Markt mit den gegebenen Vorteilen. Durch die Umsetzung von Teilen der Leistungselektronik im Solarmodulaufbau und der drahtlosen Leistungsübertragung im Kraftwerk ist das Potenzial da, um zukünftig die Gestehungskosten von PV-Systemen mit diesem vollständig neuem Photovoltaik Systemansatz zu senken. |
