Wechselrichter für Photovoltaik: Funktion, Arten & Einsatz

Kurzer Exkurs: Gleichstrom & Wechselstrom

Wann Gleichstrom (DC) und wann Wechselstrom (AC) verwendet wird, hängt stark von der Anwendung ab. So laufen Batterien oder batteriebetriebene Geräte mit Gleichstrom. Dazu gehören auch Photovoltaikanlagen und Lithium-Ionen-Batterien in Form von Batteriespeichern. Wechselstrom hingegen lässt sich einfach über weite Strecken hinweg transportieren – zum Beispiel vom Kraftwerk zum Haus. Unter anderem deswegen hat sich in den Hausnetzen weltweit der Wechselstrom durchgesetzt.

Die Aufgaben eines Wechselrichters

Die Hauptfunktion eines Wechselrichters in der Photovoltaik ist die Umwandlung von Gleichstrom aus der PV-Anlage oder dem Batteriespeicher in Wechselstrom. Nur so kann der eigens produzierte Solarstrom auch im Hausnetz verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Neben der Umwandlung des Stroms muss das kleine, aber unverzichtbare Gerät noch weitere Aufgaben übernehmen:

• Leistungsoptimierung durch MPP-Tracking

Je nach Einstrahlungsstärke der Sonne und Modultemperatur schwankt auch die Leistung der PV-Anlage. In einem modernen Wechselrichter ist meist ein sogenannter MPP-Tracker integriert. Dieser findet den optimalen Wirkungsgrad und sorgt dafür, dass zu jeder Zeit der Maximum Power Point erreicht wird. Der MPP ist der optimale Punkt, an dem die PV-Anlage zu den gegebenen Bedingungen die maximale Leistung erbringt.

• Netzüberwachung

Der Wechselrichter ist die Schnittstelle zwischen Stromnetz und Photovoltaikanlage. Das bedeutet, der Wechselrichter kann die Anlage im Notfall oder bei Wartungsarbeiten vom öffentlichen Netz trennen. Die VDE-Norm 126.1 gibt genaue Richtlinien vor, wie die Netzüberwachung und wie die Notfalltrennvorrichtung aussehen sollen.

• Ertrags- & Anlagenüberwachung, sowie Datenerfassung

Damit Störfälle oder Ertragsminderungen rechtzeitig bemerkt und behoben werden können, überwacht der Wechselrichter auch die Anlage selbst. Dazu werden kontinuierlich Daten gesammelt, die in einem Online-Portal zur Verfügung gestellt werden. So bleiben trotz wartungsfreier Bauteile Fehler und Störungen nicht über längere Zeit unerkannt.

• Sicherheit

Ein Wechselrichter ist mit verschiedenen Sicherungsfunktionen ausgestattet. Seit 2006 ist unter anderem ein Trennschalter vorgesehen, der die Gleitstromseite sicher vom Stromnetz trennt. Das ist nicht nur bei Wartungsarbeiten hilfreich, sondern sorgt auch im Brandfall für Sicherheit.

Welche Arten von Wechselrichtern gibt es?

Für jede PV-Anlage gibt es den richtigen Wechselrichter. Dabei ist zu beachten, dass je nach Größe und Aufbau der Anlage, sowie elektrischen Anforderungen des Gebäudes die richtige Art ausgewählt wird.

• Stringwechselrichter & Multi-Stringwechselrichter

In einer Photovoltaikanlage können mehrere Solarmodule hintereinander in Reihe geschaltet werden. Dabei werden vornehmlich Module miteinander verbunden, die die gleiche Leistung bzw. die gleichen Bedingungen wie Ausrichtung und Neigung haben. Dieser namensgebende “String” führt dann in einen einphasigen Wechselrichter, wo der Gleichstrom umgewandelt und der MPP für jeden String einzeln optimiert wird. Ein Multi-Stringwechselrichter hingegen ist in der Regel dreiphasig und kann mehrere Modul-Strings auf einmal bearbeiten.

• Modulwechselrichter

Bei dem Konzept der Modulwechselrichter wird jedes einzelne Solarmodul mit einem sogenannten Mikrowechselrichter verbunden. Dadurch kann bei jedem Modul einzeln der Betrieb überwacht und gegebenenfalls optimiert werden. Das führt zu einer höheren Gesamtleistung der Anlage und dementsprechend zu einer höheren Energieerzeugung.

• Zentralwechselrichter

Zentralwechselrichter steuern alle Solarmodule der gesamten Anlage gleichzeitig. So fällt die Leistungsoptimierung für alle Module gleich aus. Das bedeutet, dass der Zentralwechselrichter lediglich einen einzigen MPP für alle Module einstellen kann. Dadurch können leistungsstarke Module sehr weit von ihrem MPP arbeiten, sollten Teile der Anlage z. B. verschattet sein. Daher empfiehlt sich ein Zentralwechselrichter nur, wenn die Anlage sehr homogene Bedingungen bzgl. Ausrichtung und Neigung bietet.

Auswahl des richtigen Wechselrichters

Stringwechselrichter sind die am häufigsten verwendeten Wechselrichter. Sie kommen fast ausschließlich in Form von Multi-Stringwechselrichtern bei privaten Anlagen zum Einsatz. Sie arbeiten sehr effizient und können durch die Optimierung einzelner Strings die Gesamtleistung der Anlage deutlich verbessern.

Modulwechselrichter eignen sich nur für kleine Anlagen oder Inselanlagen. Da bei diesem Aufbau einzelne Mikrowechselrichter an jedem einzelnen Modul angebracht werden müssen, kann dies bei größeren Anlagen schnell teuer werden. Auch eine hohe Leistungsoptimierung kompensiert dies nicht.

Ein Zentralwechselrichter wird fast ausschließlich bei großen Anlagen eingesetzt. Da sie mit einem MPP für alle Module arbeiten, sollten am besten überall die gleichen Bedingungen wie Ausrichtung, Neigung und potenzielle Verschattung herrschen. Dies kann leicht bei Freiflächenanlagen erreicht werden, wo größtenteils große, gewerbliche Anlagen über 30 kWp installiert werden.

Installation eines Wechselrichters für Photovoltaik

Bei der Installation müssen mehrere Faktoren beachtet werden. Generell gilt, dass elektrische Arbeiten nur von Fachpersonal durchgeführt werden sollten.

1. Auswahl: Die Auswahl des passenden Wechselrichters sollte nicht am Preis festgemacht werden. Es muss auf jeden Fall sichergestellt sein, dass der Wechselrichter die richtige Spannung und Leistung für die Anlage hat. Diese wird durch die Größe der Anlage und die elektrischen Anforderungen des Gebäudes bestimmt.
2. Platzierung: Der Wechselrichter muss nicht im Sicherungskasten platziert werden. Wichtig ist ein kühler, trockener Ort, der vor Sonneneinstrahlung geschützt ist. Um Verluste möglichst gering zu halten, sollte der Abstand zum Einspeisezähler nicht zu groß sein.
3. Verkabelung: Bei der Verkabelung eines Wechselrichters muss alles den Sicherheitsstandards entsprechen. Alle Kabel müssen ordnungsgemäß angeschlossen und fachgerecht installiert werden.

Hinweis: In der Regel übernimmt der Installateur der Photovoltaikanlage auch die Installation des Wechselrichters. Durch erfahrene und geschulte Angestellte werden Installationsfehler und somit daraus folgende Fehlfunktionen und Schäden an der Anlage vermieden.

Wie lange hält ein Wechselrichter für Photovoltaik und was kostet er?

Im Durchschnitt hat ein Wechselrichter eine Lebensdauer von 10–15 Jahren. Diese kann je nach Hersteller und Belastung jedoch auch länger oder kürzer ausfallen. Da Solaranlagen in der Regel 15–20 Jahre oder häufig auch länger halten, kann es durchaus sein, dass das kleine Gerät im Laufe der Zeit ausgetauscht werden muss.

Die Kosten für einen Wechselrichter machen im Schnitt 10–15 % der gesamten Photovoltaikanlage aus. Die Leistungsfähigkeit des kleinen Geräts orientiert sich an der Größe der Anlage in Kilowatt-Peak.

Wechselrichter als Bindeglied zwischen PV-Anlage und Wärmepumpe

Mit einer Photovoltaikanlage, die auf den Eigenverbrauch des PV-Stroms ausgelegt ist, kann bis zu 25 % Unabhängigkeit vom Energiemarkt erreicht werden. Kommt ein Batteriespeicher dazu, erhöht sich der Autarkiegrad auf bis zu 70 %. Die perfekte Kombination bietet die Nutzung von Photovoltaikanlage und Wärmepumpe. So kann der für das Heizsystem benötigte Strom direkt aus der Solaranlage gewonnen werden.

Nicht nur Stromspeichersysteme können z. B. in Form eines Batteriewechselrichters mit der Photovoltaikanlage verbunden werden. Auch Wärmepumpen werden über einen Kontakt im Wechselrichter mit der PV-Anlage verbunden. Um das Heizsystem noch effizienter zu gestalten, verfügen heute viele Wärmepumpen über eine SG-Ready-Schnittstelle. Das heißt, sobald die PV-Anlage mehr Strom produziert, als im Haushalt benötigt wird, bekommt die Wärmepumpe ein Signal. Durch Aufheizen des Warmwasserspeichers kann die Wärmepumpe den überschüssigen Strom nutzen und als Wärme speichern. Dieser kann zu einem späteren Zeitpunkt zum Heizen genutzt werden.

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