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Der Solar-Wechselrichter
Zu jeder Photovoltaikanlage gehört ein Wechselrichter. Was macht dieses Bauteil? Welche Ausführungen gibt es und wonach richtet sich die Auswahl des passenden Wechselrichters? Hier erfahren Sie mehr über diesen elementaren Bestandteil von Solaranlagen.
20.01.2021 Lesezeit ca.
Inhaltsverzeichnis
Wechselrichter sind unverzichtbar in Photovoltaikanlage
In einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) wird mithilfe von Solarzellen die Energie der Sonne in Gleichstrom umgewandelt. Damit der Solarstrom im Haushalt des Anlagenbetreibers genutzt und/oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss der Strom in 230-V-Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter der Photovoltaikanlage.
Grundsätzliches zu Wechselstrom und Gleichstrom
Unter elektrischem Strom wird die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern (Elektronen, Protonen und Ionen) verstanden. Gleichstrom (engl. „direct current“, „DC“) fließt dann, wenn sich erstens die Ladungsträger nur in eine Richtung bewegen und zweitens dauerhaft die gleiche Menge an Ladungsträgern in Bewegung ist. Richtung und Stärke von Gleichstrom sind konstant.
Die meisten elektrischen Verbraucher im Haushalt benötigen Wechselstrom (engl. „alternating current“, „AC“). Im Gegensatz zum Gleichstrom ändert sich beim Wechselstrom sowohl die Richtung des Stroms als auch die Menge der sich bewegenden Ladungsträger in regelmäßigen Abständen. Bei einer im deutschen Netz üblichen Wechselstromfrequenz von 50 Hz wechselt der Strom 50-mal pro Sekunde die Polarität.
Wechselstrom hat den Vorteil, dass man ihn über weite Strecken transportieren und ihn mittels Transformatoren auf verschiedene Spannungsniveaus bringen kann. Deshalb arbeiten öffentliche Stromnetze und hausinterne Stromleitungen mit dieser Art von Strom.
Arten von Solarstrom-Wechselrichtern
Auf dem Photovoltaikanlagen-Markt finden sich zahlreiche Wechselrichter, die sich nicht nur in ihrem Funktionsumfang, sondern auch im Wirkungsgrad unterscheiden können. Welche Art von Wechselrichter man für seine Photovoltaikanlage benötigt, hängt vor allem von der Leistung und der Verschaltung der Solarmodule ab. Aber auch der Standort der Anlage und die örtlichen Gegebenheiten spielen eine Rolle.
Es gibt fünf verschiedene Wechselrichter-Typen für Photovoltaikanlagen:
- Inselwechselrichter
- Modulwechselrichter
- Stringwechselrichter
- Multistringwechselrichter
- Zentralwechselrichter
- Batterie- bzw. Hybridwechselrichter
Zudem unterscheidet man zwischen Geräten mit und ohne Transformator sowie zwischen ein- und dreiphasigen Wechselrichtern. Einphasige Wechselrichter sind kostengünstiger und werden meist bei kleineren Anlagen installiert.
Inselwechselrichter
Inselwechselrichter werden bei netzunabhängigen Gleichstromanlagen, sogenannten Insel-Solaranlagen, benötigt. Zum Einsatz kommen solche PV-Anlagen beispielsweise in entlegenen Dörfern und auf Alpenhütten, aber auch auf Gartenhäuschen oder Wohnmobilen. Den Gleichstrom beziehen die entsprechenden Wechselrichter aus einer Batterie. Die Eingangsspannung ist deshalb auf die herkömmliche Batteriespannung abgestimmt.
Bei Inselwechselrichtern wird die Ausgangsspannung je nach dem angeschlossenen Verbraucher geregelt und ist nicht lastabhängig. Der Vorteil: Der Verbrauch erfolgt weitgehend verlustfrei. Bei der Auswahl des Inselwechselrichters sollte man besonders auf die Ausgangsleistung achten.
Modulwechselrichter
Modulwechselrichter werden jeweils an ein einzelnes Solarmodul angeschlossen. Man benötigt somit entsprechend viele Wechselrichter für eine Solaranlage einer bestimmten Größe. Sinnvoll ist das vor allem bei kleineren Anlagen, bei denen die Solarmodule unterschiedlich ausgerichtet sind oder sich in ihrer Leistung stark unterscheiden. Jedes Modul lässt sich dann einzeln überwachen und ansteuern. Zudem fällt bei einem Defekt eines Wechselrichters oder eines Solarmoduls nicht gleich die gesamte Anlage aus.
Für große Anlagen empfiehlt sich dieser Aufbau jedoch nicht: Zum einen sind Modulwechselrichter vergleichsweise teuer, zum anderen besteht aufgrund der Vielzahl an Geräten ein höheres Fehlerpotenzial.
Stringwechselrichter
Sehr häufig werden Stringwechselrichter installiert, an die nur ein einzelner oder zumindest nur wenige sogenannte Strings angeschlossen werden. In einem String werden mehrere Solarmodule gleicher Art zusammengeschaltet. Der Vorteil: Einzelne Verschattungen oder verschiedene Ausrichtungen der einzelnen Solarmodule wirken sich nur geringfügig auf die Gesamtleistung der PV-Anlage aus.
Für maximale Erträge sorgen ein bis zwei „Maximum Power Point Tracker“ („MPP Tracker“). Sie ermitteln kontinuierlich den idealen Arbeitspunkt der einzelnen Strings. Stringwechselrichter punkten mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Geeignet sind sie vor allem für kleine und mittlere Anlagen.
Multistringwechselrichter
Multistringwechselrichter bieten die Möglichkeit, gleich mehrere Strings mit unterschiedlicher Modulneigung und -ausrichtung zu integrieren. Im Gegensatz zu Stringwechselrichtern besitzen sie mehrere MPP Tracker. Damit gewährleisten sie einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Multistringwechselrichter werden häufig bei größeren PV-Anlagen eingesetzt.
Zentralwechselrichter
Zentralwechselrichter kommen bei Großanlagen ab einer Leistung von 30 Kilowatt-Peak (kWp) zum Einsatz, bei denen Ausrichtung und Neigung der Solarmodule weitgehend identisch sind. Zentralwechselrichter erzielen hohe Wirkungsgrade und lassen sich außerdem leicht warten. Der Nachteil: Bei einer Störung ist mit ihnen die gesamte Anlage außer Betrieb gesetzt.
Batterie- bzw. Hybridwechselrichter
Hybride Wechselrichter bzw. Batteriewechselrichter besitzen eine integrierte Batterie, in der Solarstrom zwischengespeichert wird. Sie sind in der Lage, bei einem Stromausfall oder bei einer geringen Sonneneinstrahlung, das Haus weiterhin mit Solarstrom zu versorgen. Batteriewechselrichter arbeiten dann wie ein Notstromsystem komplett netzunabhängig. Aufladung und Entladung der Batterie erfolgen in der Regel stufenlos.
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Batteriewechselrichter sind nicht nur für medizinische Einrichtungen oder Computerlabore interessant, sondern auch für Privatpersonen, die den Eigenverbrauch an Solarstrom optimieren möchten.
Die Aufgaben von Photovoltaik-Wechselrichtern im Detail
Typische Wechselrichter von PV-Anlagen erzeugen die Wechselspannung in sinusförmigen Verläufen, ähnlich jenen eines Synchrongenerators im öffentlichen Netz. So kann der Solarstrom direkt ins Netz eingespeist oder im Haushalt verbraucht werden. Die Umwandlung von Gleich- zu Wechselstrom erfolgt über komplexe Schaltungen auf der Basis von Transistoren.
Neben der verlustarmen Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom übernehmen moderne Wechselrichter von Solaranlagen aber noch weitere Aufgaben, beispielsweise:
- Leistungsoptimierung
- Systemüberwachung
- Kommunikation der Komponenten
- Sicherheit
Leistungsoptimierung
Alle Photovoltaikanlagen besitzen einen maximalen Leistungspunkt, den Maximum Power Point (MPP). Beim MPP bringen die Solarmodule die höchste Leistung. Er hängt ab von der Spannung, der Stromstärke, der Sonneneinstrahlung und der Temperatur. Da sich der MPP im Tagesverlauf kontinuierlich ändert, sollte der optimale Betriebszustand der Anlage ebenso stetig angepasst werden.
Diese Aufgabe übernimmt der MPP Tracker in einem Wechselrichter. Der MPP Tracker berechnet anhand der oben genannten Parameter den MPP und regelt die Solaranlage durch eine gezielte Veränderung des Innenwiderstands so, dass ein möglichst hoher Ertrag erreicht wird.
Überwachung
Der Wechselrichter überwacht nicht nur den Energieertrag einer modernen Photovoltaikanlage, sondern auch das Versorgungsnetz, an das diese ggf. angeschlossen ist. Da das Stromnetz sehr empfindlich auf Änderungen der Spannung oder der Frequenz reagiert, könnte es ohne die Überwachung und Regulierung zu einer Überlastung oder gar zu einem Zusammenbruch der Leitung kommen. Steigen die Spannung und die Frequenz über die festgelegten Grenzwerte an, trennt der Wechselrichter die Solaranlage aus Sicherheitsgründen sofort vom Netz. Bei einem leichten Anstieg der Frequenz reduziert er lediglich die Ausgabeleistung der PV-Anlage im Sinne einer Netzregelung.
Kommunikation
Jeder Wechselrichter besitzt eine Kommunikationsschnittstelle zu den weiteren wesentlichen Komponenten der Photovoltaikanlage. Mittels der Schnittstelle überwacht der Wechselrichter Spannung, Stromstärke und aktuelle Leistung der Solaranlage. Störungen lassen sich so schnell erkennen.
Sehr komfortabel ist es, wenn die Ertragsdaten über sogenannte Datenlogger an spezielle Online-Datenportale oder Energiemanagementsysteme übertragen werden. Sie können dann bequem und ortsunabhängig vom Smartphone oder Laptop aus eingesehen werden. Das hilft Anlagenbesitzern dabei, Netzeinspeisung und/oder Eigenverbrauch von Solarstrom zu optimieren.
Sicherheit
Steigt die Temperatur im Gehäuse des Wechselrichters zu sehr an, besteht die Gefahr einer Überhitzung. Damit es gar nicht erst dazu kommt, haben Wechselrichter eine Kühlung.
Die meisten Wechselrichter verfügen zudem über eine DC-Trennvorrichtung, mit welcher der Stromfluss zwischen einzelnen Solarmodulen auch während des Betriebs unterbrochen werden kann. So lassen sich Wartungsarbeiten ohne aufwendige Verdunkelung des jeweils betroffenen Moduls durchführen.
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Die richtige Auslegung des PV-Wechselrichters
Die Auslegung des Wechselrichters spielt für die Leistung einer PV-Anlage eine bedeutende Rolle. Hier sind vier Kriterien zu berücksichtigen:
- Eingangsleistung
- Spannungsbereich
- Temperaturkoeffizient
- Wirkungsgrad
Wichtig: Um Fehlkäufe und Leistungseinbußen zu vermeiden, sollte die Auslegung des passenden Wechselrichters für eine spezifische Photovoltaikanlage von einem Fachmann Solarteur berechnet werden.
Eingangsleistung
Die Leistung des Wechselrichters sollte möglichst genau der Gesamtleistung aller Solarmodule entsprechen. Ein Rechenbeispiel: Sind zehn Module mit einer Leistung von je 200 W verbaut, ergibt sich eine Gesamtleistung von 2.000 W. Der Wechselrichter muss dementsprechend ebenfalls für eine Leistung von (mindestens) 2 kW ausgelegt sein.
Spannungsbereich
Jedes Solarmodul arbeitet in einem bestimmten Spannungsbereich, der von Leerlauf (Nullspannung) bis zu maximaler Systemspannung (Nennspannung) reicht. Liegen beispielsweise die Spannungswerte eines Solarmoduls zwischen 29 und 36 V, dann besitzt eine Anlage mit zehn Modulen ein Spannungsbereich von 290 bis 360 V. Um alle Eventualitäten abzudecken, wird am besten ein Toleranzwert von +/-100 V eingerechnet. Der Wechselrichter für die hier angenommene PV-Anlage sollte also mit einem Spannungsbereich zwischen 190 und 460 V umgehen können.
Temperaturkoeffizient
Die oben genannte Höchstspannung tritt nur unter den Idealbedingungen eines hypothetischen Szenarios ein, das heißt bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung und einer gleichbleibenden Temperatur. Verändert sich im realen Betrieb jedoch die Temperatur, verändert sich auch der Temperaturkoeffizient und damit die Spannung. Der Temperaturkoeffizient des Wechselrichters wird in der Regel in dessen Datenblatt ausgewiesen. Für die Anlagenberechnung wird meist der Durchschnittswert am konkreten Wohnort herangezogen.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad des Wechselrichters gibt an, wie viel Prozent des von der Anlage produzierten Stroms nach der Umwandlung durch den Wechselrichter tatsächlich nutzbar sind. Generell unterscheidet man zwischen dem Spitzenwirkungsgrad und dem europäischen Wirkungsgrad. Bei Ersterem handelt es sich um den maximalen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen. Er ist allerdings nur wenig aussagekräftig, da ein Wechselrichter nicht das ganze Jahr hindurch seine volle Leistung bringen kann. Stattdessen variiert der Wirkungsgrad u. a. je nach Sonneneinstrahlung.
Praxisnäher ist deshalb der europäische Wirkungsgrad. Er gibt den durchschnittlichen Wirkungsgrad unter typischen (durchschnittlichen) europäischen Wetterbedingungen an. Moderne Wechselrichter erreichen heute Wirkungsgrade zwischen 96 und 99 %.
Der optimale Aufstellort für den Solarstrom-Wechselrichter
Modulwechselrichter werden an den Modulen selbst angebracht. String- und Multistringwechselrichter werden dagegen meist frei platziert. Der Aufstellort sollte möglichst kühl, trocken und gut belüftet sein, damit die Wechselrichter nicht überhitzen. Dafür kommen somit ein Keller, ein Technikraum oder eine Garage infrage. Es empfiehlt sich, den Wechselrichter möglichst nah am Einspeisepunkt anzuordnen: Die Verluste, die durch Kabelstrecken entstehen, sind auf der Wechselstromseite nämlich größer als auf der Gleichstromseite.
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In jedem Fall sollte der Wechselrichter einer Photovoltaikanlage leicht zugänglich sein. Außerdem sollte er ausreichend frei stehen: Im Betrieb kann er hohe Temperaturen entwickeln. Kommt es zu einem Schaden infolge mangelnder Wärmeabgabemöglichkeit, kann es sein, dass eine Photovoltaik-Versicherung dem Betreiber grobe Fahrlässigkeit vorwirft und ihre Leistungen kürzt oder sogar vollständig verweigert. .
Was bei der Anschaffung des Wechselrichters noch zu beachten ist
Es gibt eine große Auswahl an Modellen von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen. Lediglich beim Kauf einer Photovoltaik-Komplettanlage muss man sich in der Regel keine Gedanken dazu machen, da ein passender Wechselrichter zumeist Teil des Pakets ist. Wer sich jedoch die Komponenten einer künftigen Solaranlage selbst zusammenstellt, sollte auf folgende fünf Aspekte bei der Wahl des Wechselrichters achten:
- Der Hersteller sollte eine Garantie von mindestens fünf Jahren mit der Option zur Verlängerung gewähren.
- Es ist von Vorteil, wenn der Hersteller nach Ablauf der Garantiezeit vergünstigte Austauschgeräte oder preiswerte Reparaturmöglichkeiten des Altgeräts in Aussicht stellt.
- Der Wechselrichter sollte das europäische CE-Zeichen tragen.
- Empfehlenswert ist eine selbsttätige Freischaltung (ENS) nach VDE 0126 (für den Fall, dass das Netz abgeschaltet wird).
- Der Wechselrichter sollte nach der IEC 77 genormt sein und einen Spannungsrückgangsschutz besitzen.
Derzeit weisen Wechselrichter eine Lebensdauer von rund 15 Jahren auf. Eine Photovoltaikanlage kann allerdings 20 und mehr Jahre in Betrieb sein. Anlagenbesitzer sollten also einkalkulieren, dass sie einen Wechselrichter im Laufe der Lebenszeit einer PV-Anlage eventuell einmal austauschen müssen. Damit der Wechselrichter möglichst lange seinen Dienst versieht, sollte er zusammen mit den weiteren Komponenten der Photovoltaikanlage regelmäßig gewartet werden.
