Wechselrichter von PV-Anlagen: Funktion, Aufbau, Typen

Inhalt

• Funktionsweise des Wechselrichters in einer PV-Anlage
• Aufbau eines Wechselrichters in der PV-Anlage
• Typen von Wechselrichtern mit ihren Vor- und Nachteilen
• Wahl des passenden PV-Wechselrichters
• Wichtige technische Aspekte bei Wechselrichtern
• Wechselrichter fachgerecht installieren

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Wechselrichter sind unverzichtbare Komponenten jeder PV-Anlage. Sie konvertieren den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom, der dann im Haushalt verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Die Auswahl des richtigen Wechselrichters ist entscheidend für die Effizienz und Leistung Ihrer Anlage.

Funktionsweise des Wechselrichters in einer PV-Anlage

Ein Wechselrichter ist ein Gerät, das den Gleichstrom (DC), der von Photovoltaikmodulen erzeugt wird, in den für Haushalte und das öffentliche Netz nutzbaren Wechselstrom (AC) umwandelt. Moderne Wechselrichter erreichen dabei einen Wirkungsgrad von über 98%, was bedeutet, dass nur ein minimaler Anteil der Energie während der Umwandlung verloren geht​.

Außerdem optimieren moderne Wechselrichter die Leistung jedes angeschlossenen Solarmoduls. Sie passen sich dynamisch an die variierenden Einstrahlungsbedingungen an und maximieren so die Energieausbeute durch Technologien wie Maximum Power Point Tracking (MPPT). Zusätzlich bieten fortschrittliche Modelle Netzmanagement-Funktionen. Sie stabilisieren die Netzfrequenz und schalten das Netz bei einem Stromausfall sicher ab.

Aufbau eines Wechselrichters in der PV-Anlage

Ein Wechselrichter besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, damit die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom gelingt.

• Eingangsschaltungen (DC-Eingang): Im DC-Eingang wird der von den Solarmodulen kommende Gleichstrom empfangen. Diese Schaltungen enthalten oft Sicherheits- und Schutzmechanismen wie Sicherungen und Überspannungsschutz.
• Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter (Inverter): Der Inverter ist das Herzstück des Wechselrichters. Der Konverter nutzt elektronische Schaltungen, meistens auf Basis von Leistungstransistoren, um den Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Hierbei wird oft eine Technik namens Pulswellenmodulation (PWM) verwendet, um die Effizienz der Energieumwandlung zu optimieren.
• Filter und Ausgangsstufen: Nach der Umwandlung wird der Wechselstrom oft durch Filter geleitet, um sicherzustellen, dass der Strom sauber und frei von störenden Frequenzen ist, bevor er ins Netz eingespeist oder im Haushalt verwendet wird.
• Steuerungseinheit: Die digitale Steuereinheit überwacht und reguliert den Betrieb des Wechselrichters. Sie optimiert den Energieertrag durch MPPT, überwacht die Leistung und führt Diagnosen durch, um sicherzustellen, dass der Wechselrichter effizient und sicher arbeitet.
• Kommunikationsinterfaces: Moderne Wechselrichter verfügen oft über Schnittstellen, die eine Verbindung zu Überwachungs- und Management-Systemen für die gesamte PV-Anlage ermöglichen. Sie können auch mit dem Internet verbunden sein, um Fernüberwachung und -steuerung zu erlauben.

Typen von Wechselrichtern mit ihren Vor- und Nachteilen

Es gibt verschiedene Typen von Wechselrichtern, die je nach Anlagengröße und -konfiguration eingesetzt werden.

Zentralwechselrichter

Zentralwechselrichter sind ideal für sehr große Anlagen, wie sie in kommerziellen oder industriellen Umgebungen vorkommen. Für Einfamilienhäuser sind sie sinnvoll, wenn eine sehr große Anlagenleistung installiert ist. Sie können die Leistung vieler Solarmodule bündeln, sind jedoch anfällig für Ausfälle, wenn einzelne Module beschattet sind oder ausfallen​​. Bei einer Störung des Wechselrichters kann die gesamte Anlage ausfallen. Zudem sind sie aufgrund ihrer Größe und der zentralisierten Funktionsweise weniger flexibel bei der Installation im Vergleich zu anderen Typen.

Stringwechselrichter und Multistring-Wechselrichter

String- oder Multistring-Wechselrichter ermöglichen es, mehrere Solarmodule zu gruppieren und trotzdem jeden String von Modulen separat zu steuern. Dies ist vorteilhaft in Situationen, in denen Module teilweise verschattet sind, da der Wechselrichter dennoch optimale Leistung aus den unbeschatteten Modulen ziehen kann​. Stringwechselrichter haben ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Ihre einfache Installation macht sie zu einer beliebten Wahl für Standard-Photovoltaikanlagen in Einfamilienhäusern. Der Hauptnachteil ist, dass die gesamte String-Leistung durch das schwächste Modul limitiert wird. Bei teilweiser Beschattung oder unterschiedlicher Ausrichtung der Module kann dies zu Leistungseinbußen führen​.

Mikrowechselrichter

Mikrowechselrichter, auch Modulwechselrichter genannt, werden direkt an jedes einzelne Solarmodul angeschlossen und wandeln den Gleichstrom unmittelbar am Modul in Wechselstrom um. Dies reduziert Verluste und verbessert die Leistung bei teilweiser Beschattung einzelner Module. Sie sind besonders für kleinere PV-Anlagen und Balkonkraftwerke geeignet. Allerdings sind die Kosten pro installiertem Watt im Vergleich zu anderen Systemen höher. Zudem ist bei einem Defekt jedes Modul einzeln zu warten, was die Wartungskosten erhöhen kann.

Hybridwechselrichter

Hybridwechselrichter verbinden die Vorteile eines Standardwechselrichters mit der Fähigkeit, Energie in Batterien zu speichern. Sie können den selbst erzeugten Strom speichern und bei Bedarf nutzen, was zu einer höheren Unabhängigkeit vom Stromnetz führt. Dadurch sind sie besonders nützlich, um den Eigenverbrauch der erzeugten Solarenergie zu maximieren und die Energieverfügbarkeit auch nach Sonnenuntergang zu gewährleisten​. Die Kosten für Hybridwechselrichter sind oft höher als für andere Wechselrichterarten, und die Komplexität der Systeme erfordert eine sorgfältige Planung und Installation.

Wie wählt man einen passenden PV-Wechselrichter aus?

Beim Einsatz von Wechselrichtern in Einfamilienhäusern hängt die Wahl stark von der spezifischen Anlagengröße und -konfiguration ab. Für die meisten Einfamilienhäuser sind Stringwechselrichter eine beliebte Wahl, da sie ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten und für Anlagen mit einheitlicher Modulausrichtung und geringer Verschattung gut geeignet sind.

Multistringwechselrichter bieten sich an, wenn die Photovoltaikanlage mehrere Ausrichtungen oder partielle Beschattungen aufweist, was in einigen Einfamilienhaus-Konfigurationen der Fall sein kann. Sie ermöglichen eine effiziente Nutzung der Solarenergie durch individuelle Anpassung an verschiedene Bereiche der PV-Anlage.

Mikrowechselrichter sind eine weitere Option, besonders wenn die Dachflächen unterschiedlich orientiert sind oder teilweise verschattet werden, da sie die Flexibilität bieten, jedes Modul individuell zu optimieren. Sie sind jedoch kostenintensiver in der Anschaffung und Wartung.

Hybridwechselrichter könnten attraktiv sein, wenn die Installation eines Energiespeichers geplant ist, um die Energieautarkie zu maximieren, obwohl auch diese mit höheren Initialkosten verbunden sind.

PV-Module mit integrierten Wechselrichtern

Es gibt PV-Module mit integrierten Wechselrichtern, bekannt als AC-Module. Diese Module sind mit einem Mikrowechselrichter ausgestattet, der direkt am Modul befestigt ist, und konvertieren Gleichstrom in Wechselstrom unmittelbar am Installationsort des Moduls. Solche integrierten Lösungen vereinfachen die Installation und verbessern die Effizienz der einzelnen Module, indem sie Verluste minimieren und eine optimale Anpassung an unterschiedliche Lichtverhältnisse bieten. Sie sind besonders nützlich bei Anlagen, die mit partieller Verschattung zu kämpfen haben​.

Anzahl der benötigten Wechselrichter

Die Anzahl der Wechselrichter, die in einer Photovoltaikanlage gebraucht werden, hängt stark von der Größe und Konfiguration der Anlage ab. Für die meisten Wohnhäuser reicht ein einzelner Wechselrichter aus, der die gesamte Leistung der Solarmodule in Wechselstrom umwandelt. Dies ist besonders üblich bei Anlagen, die bis zu 10 kWp produzieren. Bei größeren Anlagen oder wenn eine Optimierung einzelner Solarmodule aufgrund von Verschattung oder Ausrichtung wichtig ist, können jedoch auch Mikrowechselrichter für jedes Modul oder mehrere Stringwechselrichter zum Einsatz kommen.

Insbesondere bei kleineren oder mittleren Anlagen, die in Wohnhäusern installiert sind, werden oft Stringwechselrichter verwendet, die eine gute Balance zwischen Kosten und Leistung bieten. In größeren, kommerziellen Anlagen können Zentralwechselrichter oder Multistringwechselrichter verwendet werden, die mehrere Strings von Solarmodulen verarbeiten können, um die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage zu maximieren.

Dimensionierung eines Wechselrichters

Die Größe des Wechselrichters sollte auf die Leistung der PV-Anlage abgestimmt sein. Eine Faustregel ist, dass der Wechselrichter etwa 120% der Nennleistung der Solarmodule abdecken sollte, um saisonale Schwankungen und Effizienzverluste auszugleichen.

Welche technischen Aspekte sind bei der Wahl des Wechselrichters wichtig?

Bei der Planung einer Photovoltaikanlage liegt der Fokus häufig auf der Auswahl der Module und des Speichers. Dabei hat auch der Wechselrichter maßgeblich Einfluss auf die Effizienz einer PV-Anlage. Hier sind einige Schlüsselaspekte, die bei der Auswahl eines PV-Wechselrichters beachtet werden sollten:

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie effizient dieser den Gleichstrom (DC) der Solarmodule in Wechselstrom (AC) umwandelt. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass weniger Energie während der Umwandlung verloren geht. Dabei ist der sogenannte europäische Wirkungsgrad eine wichtige Kennzahl, da er den durchschnittlichen Wirkungsgrad unter typischen Betriebsbedingungen angibt und oft realistischer ist als der maximale Wirkungsgrad, der unter idealen Bedingungen gemessen wird​.

MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking)

MPP-Tracking ist eine Technologie, die sicherstellt, dass der Wechselrichter kontinuierlich den maximalen Leistungspunkt der PV-Module nutzt. Diese Funktion ist besonders wichtig, da die Leistung der Module von verschiedenen Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur und Schatten beeinflusst wird. MPP-Tracker passen die Betriebsparameter des Wechselrichters dynamisch an, um immer die optimale Leistung zu extrahieren​.

Eingangsspannung

Die Eingangsspannung des Wechselrichters muss mit den Spannungen der PV-Module kompatibel sein. Jeder Wechselrichter hat einen spezifischen Spannungsbereich, in dem er effizient arbeiten kann. Zu hohe oder zu niedrige Spannungen können die Leistung des Systems beeinträchtigen oder sogar Schäden am Wechselrichter verursachen​.

Netzmanagement und Sicherheitsfunktionen

Moderne Wechselrichter bieten erweiterte Netzmanagementfunktionen wie die Fähigkeit zur Netztrennung bei Störungen, das Management der Netzeinspeisung und die Aktivierung von Backup-Systemen bei Stromausfällen. Diese Funktionen sind entscheidend für die Sicherheit und Effizienz der Energieversorgung sowohl des Haushalts als auch des öffentlichen Netzes​.

Kompatibilität mit Photovoltaik-Modulen und Batteriesystemen

Es ist wichtig, dass der Wechselrichter mit den verwendeten PV-Modulen und gegebenenfalls vorhandenen Batteriespeichersystemen kompatibel ist. Einige Wechselrichter sind speziell für die Verwendung mit bestimmten Modultypen oder Batterietechnologien optimiert und bieten dadurch verbesserte Leistung oder zusätzliche Funktionalitäten wie Hybridbetrieb​.

Installation von Wechselrichtern bei PV-Anlagen

Die Installation eines Wechselrichters sollte fachgerecht erfolgen, um optimale Leistung zu gewährleisten. Was den Abstand zwischen Wechselrichter und PV-Anlage angeht: Es wird generell empfohlen, Wechselrichter möglichst nahe an den Solarmodulen zu installieren, um Leitungsverluste zu minimieren. Beispielsweise sollte ein Zentralwechselrichter nicht mehr als 15 Meter von der PV-Anlage entfernt sein, um die Effizienz zu maximieren. Mikrowechselrichter hingegen werden direkt am Modul angebracht, was den Installationsaufwand und die Systemkomplexität reduziert​.

Wo wird der PV Wechselrichter installiert?

Die Platzierung des Wechselrichters ist entscheidend für die Effizienz und Sicherheit der Anlage. Idealerweise sollte der Wechselrichter in der Nähe der Solarmodule montiert werden, um Leitungsverluste zu minimieren. Kühle und gut belüftete Orte wie Keller oder Hauswirtschaftsräume sind bevorzugt, da sie die Lebensdauer des Geräts verlängern können und Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung bieten. Die Installation außerhalb des Hauses ist ebenfalls möglich, solange der Wechselrichter wettergeschützt und gut belüftet ist​.

Wie wird der Wechselrichter in die PV-Anlage eingebunden?

Der Anschluss eines Wechselrichters erfolgt in sorgfältigen Schritten, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Zuerst werden die Gleichstromkabel von den Solarmodulen an den Wechselrichter angeschlossen, wobei auf die richtige Polarität zu achten ist. Danach wird das Wechselstromkabel mit dem Sicherungskasten des Hauses verbunden, um den erzeugten Strom ins Netz einspeisen zu können. Es ist wichtig, alle Verbindungen genau zu prüfen, bevor der Wechselrichter aktiviert wird, um Risiken wie Kurzschlüsse oder Fehlfunktionen zu vermeiden

Wartung und Lebensdauer

Wechselrichter sind wartungsarm, benötigen jedoch regelmäßige Überprüfungen, um eine optimale Leistung sicherzustellen. Die Lebensdauer eines Wechselrichters liegt typischerweise bei etwa 10 bis 12 Jahren, wobei eine Rücklage für den Ersatz empfohlen wird​.

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