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Wechselrichter

Jede Photovoltaikanlage benötigt einen Wechselrichter. Die Hauptaufgabe des Wechselrichters besteht darin, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Seit einigen Jahren müssen Wechselrichter zusätzlich noch einige Steuerungsaufgaben übernehmen, um die Integration der Photovoltaik ins Stromnetz zu verbessern.

Wechselrichter mit oder ohne Trafo?

Während früher in Photovoltaikanlagen fast ausschließlich Wechselrichter mit Transformatoren eingesetzt wurden, setzen sich heute zunehmend trafolose Modelle durch. Diese weisen zahlreiche Vorteile auf.

Zunächst ist die Spannungsumwandlung in einem Trafo immer mit Leistungsverlusten verbunden, weswegen trafolose Modelle meist einen etwas höheren Wirkungsgrad aufweisen. Hinzu kommt, dass sie leichter, kleiner und preiswerter sind.

Es gibt jedoch harte Ausschlusskriterien, die in einigen Fällen ihren Einsatz unmöglich machen. Eine Besonderheit eines Transformators besteht darin, dass die Stromübertragung von der Gleichstrom- auf die Wechselstromseite induktiv erfolgt, also zwischen beiden Stromkreisen keine leitende Verbindung besteht. Dies wird als galvanische Trennung bezeichnet.

Die galvanische Trennung erlaubt es, die Modulstränge auf der Gleichstromseite zu erden. Einige Photovoltaik Module verlangen eine solche Erdung zwingend, insbesondere Dünnschichtmodule. Der zweite Vorteil der Wechselrichter mit Trafo besteht darin, dass auf der Gleichstromseite tatsächlich nahezu perfekter Gleichstrom herrscht und nur minimale Spannungsschwankungen auftreten.

Bei trafolosen Modellen ist diese Trennung zwischen Wechselstromseite und Gleichstromseite nicht ganz so perfekt. Einige Modultypen reagieren darauf empfindlich, wozu insbesondere Solarmodule aus amorphem Silizium gehören. In diesem Fall sollte entweder ein Modell mit Trafo gewählt werden oder ein trafoloser Wechselrichter, bei dem dieses Problem mittels der so genannten „Quiet-Rail-Technologie“ gelöst wurde.

Der abschließende Rat zum Thema Trafo ist also aus pragmatischer Sicht sehr einfach: Trafolose Wechselrichter sind meist eine gute Wahl, wenn der Modulhersteller für seine Module eine entsprechende Freigabe erteilt hat.

Gerätetypen

Je nach Anwendungsfall gibt es für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen unterschiedliche Wechselrichter:

  • Stringwechselrichter: Bei diesen Modellen werden mehrere Modulstränge zu einem Wechselrichter geführt.
  • Multistring-Wechselrichter
  • Modulwechselrichter: Bei dieser Bauart hat jedes Solarmodul einen eigenen Wechselrichter.
  • Zentralwechselrichter (für große Photovoltaikanlagen)

Um die Photovoltaik-Anlage auch bei einem Stromausfall weiter betreiben zu können, muss der Wechselrichter schwarzstartfähig sein.

Vergleich von notstromfähigen und ersatzstromfähigen Wechselrichtern
Notstromfähiger WechselrichterErsatzstromfähiger Wechselrichter
Separate SteckdoseVollständige Versorgung über drei Phasen
Einzelner StromkreisUmschaltvorrichtung notwendig
Geringerer InstallationsaufwandHöherer Installationsaufwand
Nur ausgewählte Geräte werden betrieben
Kosten: 300-500€Kosten: 1500-3000€

Der Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie viel der Eingangsleistung auf der Gleichstromseite als Leistung auf der Wechselstromseite abgegeben wird. Die Definition des Wirkungsgrads wird dadurch ein wenig kompliziert, dass dieser von der momentanen Eingangsleistung abhängt, die sich im Tagesverlauf ändert und darüber hinaus vom Wetter abhängt.

Wenig aussagekräftig ist daher der Spitzenwirkungsgrad, der praktisch nur unter Idealbedingungen auf dem Messstand erreicht wird. Deutlich praxistauglicher ist der so genannte europäische Wirkungsgrad, der den tatsächlich erreichbaren durchschnittlichen Wirkungsgrad unter typischen mitteleuropäischen Wetterbedingungen beschreibt.

Trafolose Wechselrichter erreichen Wirkungsgrade von mehr als 98 Prozent, für Modelle mit Trafo sind 96 Prozent ein guter Wert.

Eine Photovoltaikanlage – ein Wechselrichter?

Für private Dachanlagen lautet die Antwort meisten: ja! Hier werden alle Module in Reihe zu einem String zusammengefasst und mit dem Wechselrichter verbunden, der deswegen auch Stringwechselrichter genannt wird.

Im Stringwechselrichter sorgt ein „Maximum Power Point Tracker“ (MPP-Tracker) dafür, dass der Wechselrichter stets auf den für die momentan erzeugte Leistung optimalen Betriebspunkt eingestellt wird. Dieses Vorgehen führt allerdings zu Leistungseinbußen, wenn die Module der Anlage sehr unterschiedliche Leistungen liefern.

Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Anlage ein Ost- und ein Süddach umfasst. Hier empfiehlt es sich, für beide Dächer getrennte Strings zu schalten. Statt für jeden String einen eigenen Wechselrichter zu betreiben, kommt hierzu auch ein Multi-Stringwechselrichter in Betracht, der für jeden String einen eigenen MPP-Tracker nutzt.

Nur am Rande sei das Konzept der Modulwechselrichter erwähnt, bei dem jedes einzelne Modul direkt auf dem Dach mit einem eigenen Wechselrichter verbunden ist. Im Sinne der Leistungsoptimierung ist dieses Konzept durchaus logisch, aber aus praktischen Erwägungen spielt es nur eine untergeordnete Rolle.

Welche Daten werden bei der Auswahl des Wechselrichters benötigt?

Jeder Wechselrichter verfügt über ein vom Hersteller vorgegebenes Intervall von Eingangsspannungen auf der Gleichstromseite, innerhalb dessen er arbeitet. Es ist unbedingt erforderlich, dass die Photovoltaikanlage in allen Betriebsmodi innerhalb dieses Intervalls bleibt.

Die untere Grenze bildet die Leerlaufspannung der Photovoltaikanlage. Für in Reihe geschaltete Solarmodule berechnet sich diese durch Multiplikation der Leerlaufspannung eines Moduls mit der Zahl der Module.

Analog ergibt sich die obere Spannungsgrenze aus der Multiplikation der Zahl der Module mit der Modulspannung bei Nennleistung (=maximaler Leistung). Zu beachten ist, dass die Maximalspannung von der Modultemperatur abhängt. Die erforderlichen Angaben dazu finden sich im Datenblatt der Module.

Einspeisefrequenz & Fernsteuerung

Um eine reibungslose Einspeisung ins Stromnetz zu gewährleisten, muss zunächst einmal die Frequenz des Wechselstroms stimmen. Die Wechselstromfrequenz im öffentlichen Stromnetz ist nicht exakt konstant. Daher sind alle Wechselrichter (Ausnahme: Inselanlagen ohne Netzanschluss) netzgeführt, bekommen ihre Einspeisefrequenz also vom Stromnetz vorgegeben.

Lange Zeit war dies die einzige Vorgabe hinsichtlich der problemlosen Netzeinspeisung. Seit die Photovoltaik aber einen signifikanten Anteil zur Gesamtstromerzeugung beiträgt, gelten einige weitere Vorgaben.

Anlagen mit mehr als 100 Kilowatt Leistung müssen über Wechselrichter verfügen, die vom Netzbetreiber ferngesteuert werden können. PV-Anlagen mit weniger Leistung müssen vom Netzbetreiber jederzeit heruntergeregelt werden können und wenn möglich fernsteuerbar sein.

Aufstellort für den Wechselrichter

Der Wechselrichter sollte möglichst nah am Einspeisepunkt aufgestellt werden. Die Kabelverluste sind auf der Wechselstromseite deutlich höher als auf der Gleichstromseite, weswegen die Kabellänge zum Einspeisepunkt möglichst klein sein sollte.

Fazit: Zwei Dinge dürfen nie passieren

Wer seinen Wechselrichter ohne fachmännische Beratung aussucht und selbst kein Experte ist, muss unter Umständen Leistungseinbußen in Kauf nehmen. Zwei Aspekte müssen aber zwingend beachtet werden.

Erstens dürfen trafolose Wechselrichter ohne galvanische Trennung niemals für Photovoltaik Module verwendet werden, die dafür nicht freigegeben sind.

Zweitens darf die Spannung des Strings nicht außerhalb des Arbeitsbereichs des Wechselrichters liegen. Bei der Auswahl der Wechselrichter sollte nicht an der falschen Stelle gespart werden. Als Auswahlkriterium ist der sogenannte europäische Wirkungsgrad übrigens aussagekräftiger als der maximale Wirkungsgrad, da er die tatsächlichen Bedingungen besser widerspiegelt.

Für die Auslegung der Wechselrichter bieten fast alle Hersteller eine entsprechende Auslegungssoftware an, sodass schlechte Wirkungsgrade vermieden werden.

 

Letzte Aktualisierung: 27.06.2024