Photovoltaik: Funktionsweise, Technik und Installation / 3.4 Wechselrichter

Wechselrichter sind das Herzstück jeder PV-Anlage, denn sie wandeln über eine elektronisch gesteuerte Optimierungseinheit den in den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der für den Eigenbedarf (Haushaltsstrom) verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Zudem bestimmt er den Wirkungsgrad der gesamten Anlage.

Der Wirkungsgrad eines elektronischen Geräts hängt in der Regel von der Auslastung ab. Bei PV-Anlagen schwankt diese Auslastung abhängig von der Sonneneinstrahlung (Tag/Nacht und Jahreszeit) erheblich. Die Nennleistung des Solargenerators liegt daher zwischen 0 und 100 %. Für die Effizienz des Wechselrichters ist somit nicht der Spitzenwirkungsgrad, sondern der Durchschnitt über den gesamten Leistungsbereich des Geräts entscheidend. Vernachlässigt werden kann auch, dass in allen Wechselrichtern ein geringer Teil des erzeugten Solarstroms verloren geht beziehungsweise für die Stromversorgung der Geräteelektronik verbraucht wird.

Hinweis

Wirkungsgrade

Da Wechselrichter in unterschiedlichen Leistungsbereichen deutlich unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen, ist die Angabe des Wirkungsgrads bei maximaler Leistung wenig aussagekräftig. Der Europäische Wirkungsgrad stellt einen gewichteten Mittelwert der Wirkungsgrade bei unterschiedlicher Leistung dar. Gemessen wird der Wirkungsgrad bei einer Leistung von 5, 10, 20, 30, 50 und 100 % der Maximalleistung. Diese sechs Werte gehen mit einer Gewichtung von 3, 6, 13, 10, 48 und 20 % in die Berechnung des europäischen Wirkungsgrads ein. Der Europäische Wirkungsgrad wird in vielen Datenblättern von Wechselrichtern angegeben.

Jeder Wechselrichter verfügt über maximale und minimale Eingangsspannungen und -ströme, die von Hersteller zu Hersteller und auch für verschiedene Leistungsklassen variieren. Damit möglichst bei jeder unterschiedlichen Einstrahlung möglichst viel Strom erzeugt wird, muss der Wechselrichter die solare Eingangsspannung immer so weit aufbereiten, dass Strom ins Netz eingespeist werden kann. Dabei gilt folgende Grundregel:

• Der untere Eingangsspannungsbereich sollte bei mindestens 30 % der Nennleistung liegen, damit der Wechselrichter überhaupt Strom erzeugen kann.
• Im oberen Spannungsbereich muss die Maximalspannung unter der Leerlaufspannung der Modulkette liegen.

Um den erzeugten Strom bestmöglich umzuwandeln, muss der Wechselrichter das sich aus der Einstrahlung (Strom) und der Zelltemperatur (Spannung) ergebende Verhältnis optimieren. Am optimalen Punkt beider Werte – maximaler Strom und maximale Spannung – liegt der maximale Leistungspunkt (maximal power point – MPP). Für jede Kombination von Einstrahlung und Zelltemperatur gibt es ein unterschiedliches Strom-Spannungsverhältnis und so einen veränderten MPP.

Die Aufgabe, immer das optimale Strom-Spannungsverhältnis herzustellen, übernimmt der sog. MPP-Tracker, indem er die Leistung der Solarmodule ständig auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abstimmt. Dieses Tracking kann allerdings immer nur innerhalb des oben definierten Spannungsbereichs erfolgen. Zudem kann ein MPP-Tracker immer nur auf ein Modul beziehungsweise einen Modulstrang eingestellt werden, sodass bei der Entscheidung auch die Ausrichtung der Anlage bedacht werden muss.

Hinweis

Auswahl des Wechselrichters

Um den für die Anlage am besten passenden Wechselrichter auszuwählen, sind Informationen über

• den Spannungswandler,
• die Gerätetypen und
• die erwartete Leistung erforderlich.

Für die richtige Dimensionierung des Wechselrichters gibt es eine Vielzahl von Programmen, die diese Kriterien berücksichtigen und die von den Herstellern kostenlos zur Verfügung gestellt werden.

Ein grundsätzlicher Unterschied ist ferner, ob der Wechselrichter Teil einer netzgekoppelten PV-Anlage oder einer Inselanlage ist.

3.4.1 Wechselrichter für netzgekoppelte Anlagen

In einer netzgekoppelten PV-Anlage wird der Wechselrichter zwischen den verschalteten Solarmodulen und dem Einspeisezähler beziehungsweise zwischen den Modulen, gegebenenfalls dem Stromspeicher und dem Verbraucher installiert. Zur Einspeisung ins Stromnetz muss der Wechselrichter eine netzidentische Wechselspannung aufweisen. Kleine Anlagen bis etwa 5 kWp Leistung speisen den Strom meist einphasig ein, größere Anlagen dreiphasig.

Hinsichtlich der Entscheidung, ob ein trafoloser oder ein Trafo-Wechselrichter eingesetzt werden soll, hat die Marktentwicklung eine eindeutige Tendenz gezeigt: Aufgrund des besseren Wirkungsgrades (98 % gegenüber 95 %), der geringeren Betriebsgeräusche, der einfacheren Installation und des niedrigeren Anschaffungspreises haben sich die trafolosen Geräte durchgesetzt. Um sie ausreichend vor Überspannungen zu schützen, müssen sie allerdings nach Schutzklasse II installiert werden.

Dimensionierung des Wechselrichters

Im Hinblick auf die Dimensionierung des Wechselrichters gibt die Anlagengröße den Gerätetyp vor:

• Modul-Wechselrichter

  Beim Modul-Wechselrichter für kleine Anlagen (unter 10 kWp) hat jedes Solarmodul einen eigenen Wechselrichter. Das gleiche gilt für Mini-Solaranlage...