LongLife: Kosteneffiziente Zuverlässigkeit von PV-Kraftwerken und Wechselrichtertechnik - Aufklärung und Vorhersage von Alterungs- & Fehlervorgängen für Geräteentwicklung und Predictive-Maintenance sowie Realisierung praxisnaher Lösungen; Teilvorhaben: Wechselrichter & Solarkraftwerkslösungen

Abstract

Aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten zu "Digital-Twin"-Lösungen und Reliability-Design in der Solar-Wechselrichtertechnik, sollten im Verbundvorhaben LongLife nun die gewonnenen Erkenntnisse zusammengeführt und weiter vertieft werden. Ziel war es, das Verständnis der Fehler- und Alterungsvorgänge und vor allem die darauf aufbauenden Analyse-Methoden, Test- und Vorhersageverfahren zu verbessern und einerseits in eine Methodik für eine kosteneffizienz- und zuverlässigkeitsorientierte Geräteentwicklung & Qualifizierung und andererseits in praxistaugliche Digitalisierungslösungen für das Predictive-Maintenance und integrale O&M-Konzepte und -Dienste zu überführen. Damit sollte ein Beitrag geleistet werden, die Kosten der Solarkraftwerkstechnik in Herstellung und Betrieb weiter zu senken und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und nachhaltige Langlebigkeit punktgenau zu steigern. Im Verbundforschungsvorhaben LongLife wurden daher, gemeinsam mit Herstellern aus den Bereichen Stromrichtertechnik, Halbleiterbauelemente und Batteriesysteme und gemeinsam mit Wissenschaftspartnern aus Zuverlässigkeitsforschung, Data-Sciences und Photovoltaik in den drei FuE-Schwerpunkten des Projekts – Testverfahren, Predictive-Maintenance und Lebensdauervorhersagen, in einem breit angelegten Ansatz und speziell zugeschnitten auf das Anwendungsgebiet der PV-Systemtechnik, die Alterungsvorgänge und Fehlermechanismen in Wechselrichtern und ausgewählten relevanten Bauteilen grundlegend untersucht. Zudem wurde das Verständnis der Vorgänge vertieft und eine verbesserte Methodik sowohl für Komponenten- und Gerätetests wie auch für die Zuverlässigkeitsauslegung erarbeitet. Ziel war es, die Grundlagen für belastbare Lebensdauervorhersagen, eine kostenoptimale Zuverlässigkeitsauslegung und die Reduzierung des Testaufwands bei Entwicklung und Qualitätssicherung zu schaffen. Im Rahmen dieser gemeinsamen Ziele und FuE-Arbeiten, befasste sich das Teilvorhaben von SMA neben der Verbundkoordination und einigen ausgewählten Bauteiluntersuchungen vor allem mit der systemischen Behandlung des Gesamt-Wechselrichtergerätes und den solarenergie- und anwendungsspezifischen Aspekten und Praxiserfahrungen zu Alterung und Fehlerfällen, mit effizienteren und aussagekräftigeren Verfahren für Test & Qualifizierung von Wechselrichtern und ihren Bauteilen, verbesserten Strategien zur kostenorientierten Zuverlässigkeitsoptimierung für neue PV- und Batteriewechselrichter sowie mit Verfahren zur gerätespezifischen Wechselrichterzuverlässigkeits- & Lebensdauervorhersage. Mit dem Ziel die Relevanz, Tauglichkeit und Evaluation der neuen Methoden in der industriellen Praxis zu erhöhen. Die im Vorhaben erzielten Projektergebnisse werden vor allem bei der Entwicklung neuer Wechselrichter und der Qualitätssicherung nützlich sein, um so die Geräte- und Qualitätskosten weiter zu senken und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit noch weiter zu steigern. Building on previous research work on digital twin solutions and reliability-oriented design in solar inverter technology, the joint research project LongLife aimed to consolidate and further deepen the knowledge gained. The objective was to improve the understanding of failure and aging processes and, in particular, the related analysis methods, testing procedures, and forecasting approaches. These developments were intended to be transferred, on the one hand, into a methodology for cost-efficient and reliability-oriented product development and qualification, and, on the other hand, into practical digitalization solutions for predictive maintenance as well as integrated operation and maintenance (O&M) concepts and services. In doing so, the project sought to contribute to further reducing the manufacturing and operating costs of solar power plant technology while simultaneously enhancing reliability and ensuring long-term sustainable durability in a targeted manner. To achieve these goals, the LongLife collaborative research project brought together manufacturers from the fields of power electronics, semiconductor devices, and battery systems, as well as research partners specializing in reliability engineering, data science, and photovoltaics. Within the project’s three main R&D focus areas—testing methods, predictive maintenance, and lifetime prediction—a comprehensive approach was adopted, specifically tailored to photovoltaic (PV) system applications. Aging processes and failure mechanisms in inverters and selected critical components were systematically investigated. In addition, the understanding of these processes was further advanced, and improved methodologies were developed for both component and system testing as well as reliability-oriented design. The overall aim was to establish the foundations for robust lifetime predictions, cost-optimized reliability engineering, and a reduction in testing efforts during product development and quality assurance. Within the framework of these joint objectives and R&D activities, SMA’s subproject focused, in addition to consortium coordination and selected component investigations, primarily on the system-level treatment of the complete inverter system and on solar-energy-specific and application-related aspects and practical experiences concerning aging and failure scenarios. The work also addressed more efficient and informative methods for inverter and component testing and qualification, improved strategies for cost-oriented reliability optimization of new PV and battery inverters, and methods for device-specific inverter reliability and lifetime prediction. The overarching goal was to increase the relevance, applicability, and validation of the newly developed methods in industrial practice. The project results achieved within LongLife are expected to be particularly valuable for the development of new inverter generations and for quality assurance activities, thereby helping to further reduce equipment and quality-related costs while simultaneously increasing product lifetime and reliability.