PV-Komponenten
Was macht ein PV-Wechselrichter und welche Typen gibt es?
Neben den Solarmodulen ist der Wechselrichter die wichtigste Komponente einer PV-Anlage. Denn er macht den Strom vom Dach überhaupt erst nutzbar, indem er Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Wie funktioniert ein Wechselrichter, welche verschiedenen Typen gibt es und für welche Aufgaben sind diese am besten geeignet?
Gleichstrom und Wechselstrom – was sind die Unterschiede?
In Solarzellen von PV-Modulen produzierter Strom ist immer Gleichstrom (DC: Direct Current); die Elektronen fließen also immer in die gleiche Richtung. Das öffentliche Stromnetz, das Hausstromnetz und viele Elektrogeräte nutzen dagegen Wechselstrom (AC: Alternating Current), dessen Ladefluss die Richtung in regelmäßigen Abständen wechselt. Üblich ist dabei eine Frequenz von 50 Herz (Hz); das heißt, der Strom wechselt seine Richtung 50 mal pro Sekunde. Ein Vorteil von Wechselstrom ist, dass er mit sehr geringen Verlusten über größere Entfernungen transportiert werden kann. Zudem lässt sich seine Spannung mittels eines Transformators sehr einfach an eine gewünschte Volt Zahl anpassen.
PV-Module produzieren Gleichstrom. Das Haushalts- und das öffentliche Stromnetz nutzen jedoch Wechselstrom.
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Um den Gleichstrom vom Dach in den Haushalt oder ins öffentliche Netz einspeisen zu können, muss er also erst zu Wechselstrom werden. Diese Umwandlung ist die Kernaufgabe eines Wechselrichters. Hierfür ist im Wechselrichter eine sogenannte H-Brückenschaltung verbaut. Dabei handelt es sich um vier Halbleiterschalter, von denen jeweils zwei abwechselnd geschlossen werden. Mit jeder dieser Umschaltungen ändert sich die Richtung des Stromflusses, kurz: Es entsteht Wechselstrom. Wenn dieser zum Beispiel eine Frequenz von 50 Hz haben soll, muss an der H-Brücke 100-mal pro Sekunde geschaltet werden. Für das Finetuning, zum Beispiel um eine glatte Sinuswelle zu erzeugen, kommen noch weitere Bauteile zum Einsatz.
Nur Strom umwandeln? Wechselrichter können noch mehr.
Neben der Hauptaufgabe, also dem Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, haben moderne Wechselrichter noch einige weitere Funktionen:
- Leistungsoptimierung: Der optimale Betriebspunkt (Maximum Power Point, MPP) einer PV-Anlage ist keine Konstante, sondern hängt von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und dem Typ der Solarzellen ab. Mittels eines sogenannten MPP-Trackers reguliert der Wechselrichter die Lastenwiderstände an den PV-Modulen so, dass die Anlage zu jedem Zeitpunkt die größtmögliche Leistung liefert.
- Netzüberwachung: Um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden, müssen PV-Anlagen bestimmte Parameter einhalten. Hierfür verfügen Wechselrichter üblicherweise über eine sogenannte „Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen“ (ENS). Diese trennt die Anlage vom Netz, falls Fehlströme oder andere Probleme auftreten.
- Anlagenmonitoring: Ein moderner Wechselrichter ist auch die Schnittstelle für die Kommunikation zur Photovoltaikanlage. Auf Knopfdruck oder per App werden zum Beispiel die aktuelle Spannung, Stromstärke und Leistung angezeigt. Eventuelle Störungen können so schneller identifiziert und behoben werden. Außerdem können die Daten an ein Energiemanagementsystem (z.B. MVV Energiemanager) übertragen werden, um die Effizienz des Energieflusses im Haushalt zu optimieren.
- Sicherheit: Um bei Wartungsarbeiten oder im Brandfall die Sicherheit zu erhöhen, verfügen Wechselrichter über eine seit 2006 gesetzlich vorgeschriebene Trennvorrichtung. Damit kann die Gleichstromquelle, also die Solaranlage, bei Bedarf sicher abgetrennt werden, ohne dass ein Lichtbogen entsteht.
Welche Wechselrichter-Arten gibt es?
Je nach Aufgabe, Technologie oder Solaranlagenkonstruktion werden Wechselrichter in verschiedene Typen kategorisiert.
PV-, Batterie- und Hybrid-Wechselrichter
Aufgabenbezogen unterscheidet man zwischen Photovoltaik-Wechselrichtern, Batterie-Wechselrichtern und Hybridwechselrichtern. Ein PV-Wechselrichter hat, wie zuvor beschrieben, die Funktion, den Gleichstrom der PV-Module in netztauglichen Wechselstrom umzuwandeln.
Ein Batterie-Wechselrichter kehrt dieses Prinzip dagegen um. Denn ein Batteriespeicher benötigt Gleichstrom, und da er in der Regel hinter dem PV-Wechselrichter angeschlossen wird, ist eine Rückumwandlung notwendig. Um diese mehrfache Umwandlung und den damit verbundenen Stromverlust zu vermeiden, kann ein Batteriespeicher aber auch auf der Gleichstromseite in die PV-Anlage integriert werden.
In diesem Fall benötigt man einen Hybrid-Wechselrichter, der sowohl den Solarstrom als auch den gespeicherten Batteriestrom in Wechselstrom umwandeln kann. Lesen Sie mehr dazu in unserem Beitrag über Batteriespeicher-Systeme.
Einphasige und dreiphasige Wechselrichter
Diese beiden technischen Varianten gibt es, weil das öffentliche Stromnetz in Deutschland dreiphasig, ein Hausanschluss dagegen einphasig ausgelegt ist. Dreiphasig bedeutet, dass drei stromführende Leiter vorhanden sind – was die Übertragungseffizienz erhöht. Für die ausschließliche Nutzung des Solarstroms im eigenen Hausnetz reicht ein einphasiger Wechselrichter vollkommen aus. Die Einspeisung ins öffentliche Netz kann damit jedoch problematisch sein. Daher ist ein Dreiphasen-Wechselrichter meist die bessere Wahl. Denn er liefert dreiphasigen Wechselstrom, der ohne Asymmetrien und damit verbundene Einschränkungen ins öffentliche Netz eingespeist werden kann.
String-, Multistring- und Modul-Wechselrichter
Welcher dieser drei Wechselrichter-Typen die beste Wahl ist, hängt von der Konstruktion und der Größe der Solaranlage ab. Für private Solaranlagen werden am häufigsten String-Wechselrichter verwendet. Diese wandeln den Strom mehrerer in Reihe geschalteter PV-Module (Strings) um. Da String-Wechselrichter mit nur einem MPP-Tracker (MPP – Maximum Power Point) ausgestattet sind, werden in jedem String möglichst Module mit gleicher Verschattung, Ausrichtung und Neigung zusammengefasst. Bei stark unterschiedlicher Sonneneinstrahlung an den Modulen kann es auch Sinn machen, zusätzlich sogenannte Leistungsoptimierer einzusetzen; mehr dazu in unserem Beitrag über Leistungsoptimierer.
Ein Multistring-Wechselrichter verfügt dagegen über mehrere MPP-Tracker. Deshalb kann ein einziges Gerät den Strom mehrerer Strings umwandeln, ohne dass es zu größeren Ertragsverlusten aufgrund unterschiedlicher Lichtintensitäten an den Modulen kommt.
Modulwechselrichter, auch Mikrowechselrichter genannt, werden wiederum direkt an jedem einzelnen PV-Modul angebracht. Sie haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad und sind auch etwas störanfälliger. Für größere Solaranlagen sind sie deshalb oft nicht die beste Wahl. Da sie jedoch sehr schnell auf wechselnde Lichtverhältnisse reagieren, können sie für sehr verwinkelte Anlagen Sinn machen. Auch für Balkonkraftwerke werden in der Regel Modulwechselrichter eingesetzt.
Welcher Wechselrichter ist der richtige für meine PV-Anlage?
Die Wahl des richtigen Wechselrichters hängt in erster Linie von der Gesamtkonfiguration Ihrer PV-Anlage ab. Da die Installation der Anlage in der Regel von einem Fachbetrieb durchgeführt wird, können Sie erwarten, dass man Ihnen in der Planungsphase einige passende Modelle anbietet und deren Vorzüge erläutert. Auch für den Austausch eines alten Wechselrichters oder die Nachrüstung z.B. eines Batteriewechselrichters sollte man eine Expertin oder einen Experten zu Rate ziehen. Wir unterstützen Sie gerne in Ihrer Planung mit den passenden Wechselrichtern.
Fazit
Jede Solaranlage benötigt einen oder mehrere Wechselrichter, um Gleichstrom vom Dach in haushaltstauglichen Wechselstrom umzuwandeln. Je nach Größe und Konstruktion der PV-Anlage kommen hierfür unterschiedliche Typen in Frage. Bei der Wahl des passenden Wechselrichters für Ihre Solaranlage ist es empfehlenswert, sich von einem Experten beraten zu lassen.
