Aktive vs. Passive Kühlung in der Leistungselektronik
Der Vergleich zwischen aktiver und passiver Kühlung in der Leistungselektronik, insbesondere in Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen, zeigt wesentliche Unterschiede in der Effizienz, Langlebigkeit und Wartung der Systeme.
- Einführung: Herausforderungen durch hohe Temperaturen
Hohe Umgebungstemperaturen wirken sich direkt auf die Leistung und Lebensdauer von Wechselrichtern aus. Während die Geräte selbst oft robust sind, sind die elektronischen Bauteile im Inneren empfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Diese Komponenten können bei Überhitzung schneller ausfallen, was zu einer Reduktion der Gesamtleistung und einer verkürzten Lebensdauer führt. Um dies zu verhindern, kommen verschiedene Kühlsysteme zum Einsatz.
- Passive Kühlung: Simpel, aber eingeschränkt
Die passive Kühlung nutzt natürliche Konvektion, um die überschüssige Wärme abzuführen. Diese Technologie erfordert den Einsatz großer Kühlkörper, die das Gerät sperriger und schwerer machen. Passiv gekühlte Systeme sind in ihrer Fähigkeit, Wärme effizient abzuleiten, jedoch begrenzt. Dies führt dazu, dass sie bei hohen Umgebungstemperaturen die interne Temperatur nicht ausreichend senken können, was zu lokalen Hotspots führt. Diese Hotspots belasten die Bauteile stärker, was ihre Lebensdauer verkürzt. Außerdem sind passiv gekühlte Geräte anfälliger für Leistungsverluste, da sie bei geringeren Temperaturen beginnen müssen, die Leistung zu drosseln (Derating), um ein Überhitzen zu vermeiden.
- Aktive Kühlung: Effizient und leistungsstark
Aktive Kühlung hingegen geht über die natürliche Konvektion hinaus und nutzt Lüfter, um die Wärme gezielt abzuführen. In dieser Technologie sorgen Lüfter für eine kontinuierliche Luftzirkulation im Inneren des Geräts und leiten die warme Luft aktiv ab. Dadurch werden kritische Bereiche, sogenannte „Hotspots“, vermieden, was zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Bei Fronius ist die aktive Kühlung ein Standard in allen Geräten. Die Lüfter passen ihre Geschwindigkeit dynamisch an die aktuelle Innentemperatur an, sodass die Kühlleistung stets optimal bleibt. Diese gezielte Kühlung ermöglicht es, höhere Temperaturen besser zu bewältigen und das frühzeitige Leistungsderating zu verhindern, wodurch die Geräte auch bei höheren Umgebungstemperaturen länger mit voller Leistung arbeiten können.
- Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Bauteile
Die Lebensdauer von Wechselrichtern wird oft durch den MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) angegeben, der die durchschnittliche Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen beschreibt. Dieser Wert basiert jedoch auf Labortests und gibt nicht immer ein präzises Bild der realen Lebensdauer im Feld. Eine genauere Messgröße ist die FIT-Rate (Failure in Time), die sich über eine längere Betriebsdauer ermittelt. Fronius kann aufgrund jahrzehntelanger Erfahrung in der Branche auf verlässliche FIT-Daten zurückgreifen.
Die Lebensdauer elektronischer Bauteile ist stark temperaturabhängig. Eine häufig zitierte Faustregel besagt, dass die Lebensdauer eines Bauteils mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C ungefähr halbiert wird ((siehe Abbildung A, Texas Instruments [1]). Passive Kühlsysteme, die größere Schwankungen in der Temperatur zulassen, führen daher zu einem schnelleren Verschleiß der Bauteile. Im Gegensatz dazu können aktive Kühlsysteme die Temperatur der Bauteile konstant niedriger halten, was ihre Lebensdauer erheblich verlängert.
Bild: Leistungsreduzierung in Bezug auf die Umgebungstemperatur [Quelle: Datenblatt Fronius]
Man erkennt deutlich, dass bei extremen Temperaturen über einen längeren Zeitraum die Fehlerrate äußerst stark ansteigt und somit die Lebensdauer enorm reduziert wird. Betrachtet man z.B. den Temperaturanstieg von 110 °C auf 120 °C, so erkennt man, dass sich die Lebensdauer halbiert.
- Wartungsbedarf und Betriebskosten
Ein weiterer entscheidender Vorteil der aktiven Kühlung liegt in den niedrigeren Wartungskosten. Passive Kühlsysteme sind anfälliger für Staub- und Schmutzablagerungen, die die Wärmeabfuhr behindern. Dies führt zu häufigeren und kostenintensiveren Wartungen, um den ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Aktive Kühlsysteme hingegen sind in der Regel wartungsfrei oder benötigen nur minimale Wartung, was die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer des Systems deutlich senkt.
- Ertragssteigerung durch aktive Kühlung
Wechselrichter mit aktiver Kühlung sind in der Lage, ihre Leistung länger aufrechtzuerhalten, selbst bei hohen Umgebungstemperaturen. Während passiv gekühlte Geräte ihre Leistung bereits bei niedrigeren Temperaturen drosseln müssen, um Überhitzung zu vermeiden, kann ein aktiv gekühltes Gerät wie der Fronius Wechselrichter auch bei höheren Temperaturen weiterhin mit voller Leistung arbeiten. Dies führt zu einem signifikant höheren Energieertrag, insbesondere in wärmeren Regionen oder bei intensiver Sonneneinstrahlung.
Wie in der Grafik leicht zu erkennen ist, schaltet der passiv gekühlte Wechselrichter (800 Volt) bereits bei Umgebungstemperaturen von 30 °C in ein Leistungsderating, was zu hohen Ertragsverlusten führen kann. Der aktiv gekühlte Fronius Wechselrichter (850 Volt) beginnt sein Leistungsderating hingegen erst ab 40 °C. Bei dieser Umgebungstemperatur läuft vergleichsweise das passiv gekühlte Gerät bereits nur noch mit 80 % der Leistung!
Bild: Leistungsreduzierung in Bezug auf die Umgebungstemperatur [Quelle: Datenblatt Fronius]
- Fazit: Vorteile der aktiven Kühlung
Die aktive Kühlung bietet in der Leistungselektronik zahlreiche Vorteile gegenüber der passiven Kühlung. Sie ermöglicht eine effektivere Temperaturregulierung, was die Lebensdauer der Bauteile verlängert und die Leistung optimiert. Darüber hinaus reduziert sie den Wartungsaufwand und führt zu höheren Erträgen, da das System länger mit maximaler Leistung betrieben werden kann. Diese Faktoren machen die aktive Kühlung zu einer überlegenen Technologie für moderne Leistungselektronik und Wechselrichter.
Insgesamt lässt sich sagen, dass die aktive Kühlung, insbesondere bei Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen mit hohen Temperaturen, die langfristig wirtschaftlichere und leistungsstärkere Lösung darstellt.
Quelle: Photovoltaikforum