Der Wechselrichter stellt eine essentielle technische Komponente innerhalb eines Solarsystems dar. Aufgrund seiner Verantwortung für zahlreiche Steuerungs- und Überwachungsaufgaben innerhalb des Gesamtsystems wird er oft als das zentrale Steuerorgan bezeichnet. Somit trägt er zur Verbesserung der Effizienz, des Komforts und der Wirtschaftlichkeit der Solaranlage bei. In diesem Artikel werden die Charakteristiken, Funktionen und Einsatzmöglichkeiten von Wechselrichtern erläutert und es wird aufgezeigt, welche Geräte in verschiedenen Situationen am besten geeignet sind.

Was ist ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter ist eine essenzielle Komponente einer Photovoltaikanlage, auch bekannt als Solaranlage. Er trägt die Bezeichnungen Stromwandler, Spannungswandler, Inverter oder Netzeinspeisegerät (NEG). In netzgekoppelten Solaranlagen hat der Wechselrichter die Aufgabe, den erzeugten Gleichstrom (DC) der Solarmodule in Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Diese Umwandlung ist notwendig, da die meisten elektrischen Geräte im Haushalt mit Wechselstrom betrieben werden. Neben dieser Hauptfunktion erfüllt der Wechselrichter auch weitere Aufgaben und Funktionen. Es existieren verschiedene Arten von Wechselrichtern auf dem Markt.

Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters

Der Wechselrichter wird oft als das Herzstück einer Solaranlage betrachtet, da er eine Vielzahl entscheidender Aufgaben und Funktionen erfüllt, die für einen erfolgreichen und rentablen Betrieb der Anlage von großer Bedeutung sind. Diese Funktionen erstrecken sich von der Steuerung und Stromumwandlung bis zur Leistungsoptimierung und Sicherheit. Im Folgenden werden diese Aspekte genauer erläutert:

Stromumwandlung durch den Wechselrichter

Die vorrangige und bekannteste Funktion des Wechselrichters besteht darin, die vom Solarmodul erzeugte Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) oder, für leistungsstärkere Anwendungen, in dreiphasigen Wechselstrom umzuwandeln.

Gleichstrom ist Strom, dessen Polarität konstant bleibt, während Wechselstrom in regelmäßigen Abständen seine Polarität ändert. In Deutschland beträgt die übliche Wechselstromfrequenz 50 Hertz, was bedeutet, dass die Polarität des Stroms 50 Mal pro Sekunde wechselt.

Diese Umwandlung ist entscheidend, da das deutsche Stromnetz sowie die meisten Haushaltsstromnetze auf Wechselstrom basieren. Nur Wechselstrom kann mithilfe von Transformatoren auf höhere Spannungsebenen gebracht werden. Dies ist wichtig, da bei höheren Spannungen im Vergleich zu niedrigeren Spannungen die Übertragungsverluste minimiert werden können.

Durch diese Umwandlung wird der von der Solaranlage erzeugte Strom praktisch kompatibel mit den öffentlichen und privaten Stromnetzen. Anschließend kann der erzeugte Strom ins Netz eingespeist, in einem Stromspeicher zwischengespeichert oder über eine Wallbox für Elektrofahrzeuge bereitgestellt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der Fortschritte in der Elektronik mittlerweile auch die Erzeugung von Hochspannungsgleichstrom möglich ist. In der Praxis ist jedoch die Wechselstromübertragung (AC) aufgrund der bestehenden Stromnetzinfrastruktur weitaus verbreiteter und sinnvoller, da sie besser zur bestehenden Infrastruktur passt.

Steuerung

Ein weiterer entscheidender Aspekt der Wechselrichter-Funktion ist die Steuerung der Solaranlage. Der Wechselrichter ermittelt den genauen Zeitpunkt des Tagesbeginns und regelt den Start der Stromerzeugung und -einspeisung. Dies ist von großer Bedeutung, um den wirtschaftlichsten Betrieb der Anlage zu gewährleisten.

Zusätzlich übernimmt der Wechselrichter die Steuerung der Einspeisungseinstellungen. Dabei können verschiedene Konzepte zum Einsatz kommen, wie beispielsweise die Nulleinspeisung, Überschusseinspeisung oder Volleinspeisung. Um die Nulleinspeisung zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass der digitale Stromzähler und der Wechselrichter vom gleichen Hersteller stammen. Dies gewährleistet eine reibungslose Abstimmung der Einstellungen und optimiert die Effizienz des Anlagenbetriebs.

Leistungsoptimierung durch MPP-Tracker

Der MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker) in einem Wechselrichter spielt eine entscheidende Rolle bei der Maximierung der Solarerträge einer Anlage. Die Abkürzung "MPP" steht für "Maximum Power Point", zu Deutsch "Maximaler Leistungspunkt". Aber was genau bedeutet das? Der MPP bezieht sich auf den Punkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie eines Modulstrings, an dem das Solarmodul die höchste Leistung erzeugt. Dieser Punkt ist abhängig von Faktoren wie Spannung, Stromstärke, Sonneneinstrahlung und Temperatur.

Da diese Faktoren ständigen Veränderungen unterliegen, kann sich der MPP kontinuierlich verschieben. Der MPP-Tracker hat die Aufgabe sicherzustellen, dass die Leistung der Solarmodule stets an die aktuellen Bedingungen in Bezug auf Sonneneinstrahlung und Temperatur angepasst ist. Dies geschieht durch Mikrocontroller, die mithilfe von Software und Algorithmen kontinuierlich optimiert werden.

Der MPP-Tracker ermöglicht somit eine automatische Anpassung des Wechselrichters, um die bestmögliche Stromerzeugung sicherzustellen. Durch die kontinuierliche Anpassung der Spannung werden die Solarmodule immer im optimalen Betriebspunkt betrieben. Je größer der MPP-Spannungsbereich ist, desto flexibler kann der Wechselrichter auf sich ändernde Bedingungen reagieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Wechselrichter gelegentlich den "Maximum Power Point" verlassen kann, beispielsweise um sich bei hohen Temperaturen im Inneren des Wechselrichtergehäuses abzukühlen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ohne einen MPP-Tracker deutlich weniger Strom erzeugt werden würde, da eine starre Einstellung nicht in der Lage wäre, die schwankenden Bedingungen optimal zu nutzen.

Sicherheit

Wechselrichter übernehmen auch wichtige Aufgaben im Hinblick auf die Sicherheit einer Solaranlage. Eine potenzielle Gefahr besteht beispielsweise in der Überhitzung des Wechselrichters. Dies kann durch eine integrierte Kühlungsfunktion verhindert werden. Durch eine kontinuierliche Wärmeabfuhr wird eine ausgewogene Temperatur aufrechterhalten, was die Sicherheit gewährleistet.

Des Weiteren ermöglicht eine DC-Trennvorrichtung Wartungsarbeiten am Wechselrichter während des laufenden Betriebs der Solaranlage. Diese Vorrichtung trennt den Wechselrichter unter Last von den Solarmodulen. Andernfalls müssten die Module aufwändig abgedeckt oder ausgeschaltet werden.

Stromnetzüberwachung

Zur Sicherung des empfindlichen Stromnetzes vor Überlastung oder einem möglichen Zusammenbruch überwacht der Wechselrichter sicherheitsrelevante Netzparameter. Besonders entscheidend für die Netzstabilität ist die Aufrechterhaltung einer konstanten Frequenz von etwa 50 Hertz. Daher werden Spannung, Frequenz und Impedanz kontinuierlich vom Wechselrichter überwacht, um sicherzustellen, dass sie sich innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs bewegen. Wenn diese Werte bestimmte Grenzwerte überschreiten, kann der Wechselrichter mithilfe einer Trennvorrichtung automatisch die Verbindung der Solaranlage zum Stromnetz unterbrechen, um die Netzintegrität zu schützen.

Es gibt verschiedene Arten von Wechselrichtern, die je nach Art der Solaranlage und den Anforderungen unterschiedlich eingesetzt werden. Hier sind einige gängige Arten von Wechselrichtern:

1.       Stringwechselrichter: Diese Wechselrichter überwachen und steuern normalerweise einen String von etwa 8 bis 20 in Reihe geschalteten Solarmodulen. Sie werden oft in netzgekoppelten Solaranlagen verwendet.

2.       Multistringwechselrichter: Im Gegensatz zu Stringwechselrichtern können Multistringwechselrichter die Steuerung von mehreren Strings von Solarmodulen übernehmen. Sie sind für Anlagen mit mehreren Modulgruppen geeignet.

3.       Zentralwechselrichter: Diese Art von Wechselrichtern wird in Solaranlagen mit sehr hoher Leistung im Gigawatt-Bereich eingesetzt. Sie sind in der Lage, die Leistung von vielen Modulen zu verarbeiten und in das Stromnetz einzuspeisen.

4.       Modulwechselrichter oder Mikrowechselrichter: Diese Wechselrichter werden direkt an einzelnen Solarmodulen befestigt. Sie sind besonders geeignet für Kleinstanlagen wie Balkonkraftwerke oder Anwendungen, bei denen jedes Modul individuell überwacht werden soll.

5.       Batteriewechselrichter: Diese Wechselrichter werden in Verbindung mit Stromspeichern verwendet und dienen dazu, den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom umzuwandeln und umgekehrt.

6.       Hybridwechselrichter: Wenn die Integration eines Speichers in der Solaranlage geplant ist, werden oft Hybridwechselrichter eingesetzt. Sie können sowohl als Wechselrichter für die Stromerzeugung als auch zur Batterieladung und -entladung dienen.

7.       Leistungsoptimierer (z.B., SolarEdge): Diese Wechselrichter-Art zeichnet sich durch Leistungsoptimierer aus, die an den Solarmodulen angebracht sind und zusätzliche Energieeffizienz bieten.

8.       Siliziumkarbonid-Wechselrichter (SiC-Wechselrichter): Diese Wechselrichter sind noch in der Entwicklung und zielen auf hohe Wirkungsgrade ab. Sie könnten in Zukunft eine Rolle auf dem Markt spielen.

9.       Wechselrichter für Dünnschichtmodule: Obwohl sie heute weniger verbreitet sind, wurden spezielle Wechselrichter für Dünnschicht-Solarmodule entwickelt, um deren Besonderheiten anzupassen.

Die Wahl des richtigen Wechselrichters hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Art der Solaranlage, die Leistung, die Effizienzanforderungen und das Budget.

Wechselrichter kaufen: Kosten und Hersteller

Beim Kauf eines Wechselrichters ist es ratsam, die Unterstützung eines Solarteurs oder Elektrofachbetriebs in Anspruch zu nehmen. Die Auswahl des richtigen Geräts für Ihre Solaranlage erfordert die Berücksichtigung vieler Parameter, weshalb fachkundige Beratung oft unverzichtbar ist. Dies gilt insbesondere, wenn ein Wechselrichter nachträglich in eine bestehende Solaranlage integriert werden soll. Normalerweise wird die gesamte Photovoltaikanlage einschließlich Solarmodulen, optionalen Stromspeichern, Wallboxen (falls benötigt), Solarkabeln und anderen Komponenten von einem Fachbetrieb installiert. Der Wechselrichter ist dabei inbegriffen.

Was kostet ein Wechselrichter?

Ein einzelner Wechselrichter hat in der Regel einen Preisbereich von ca. 200 bis 2500 Euro. Die Kosten pro Kilowatt Leistung, die das Gerät unterstützt, belaufen sich in der Regel auf etwa 200 bis 240 Euro brutto. Das bedeutet, dass für einen Wechselrichter mit einer Leistung von 1 kW etwa 200 Euro aufzubringen sind. Die genauen Kosten hängen von Faktoren wie Hersteller, Qualität, Einsatzort und Wechselrichter-Art ab. Bei der Beauftragung eines Solarteurs zur Installation einer Solaranlage entfallen in der Regel etwa 10 bis 15 Prozent der Gesamtkosten auf den Wechselrichter.

Welche Hersteller gibt es?

Ähnlich wie bei Solarmodulen gibt es auch auf dem Markt für Wechselrichter zahlreiche Hersteller. Einige Hersteller bieten eine breite Palette von Wechselrichtermodellen an, während sich andere auf spezifische Gerätetypen spezialisiert haben. Die Wahl eines Herstellers hängt oft von den Anforderungen und dem Einsatzbereich der Solaranlage ab. Im Folgenden sind einige Hersteller von Wechselrichtern aufgeführt:

• SMA Solar Technology
• Fronius
• ABB
• SolarEdge
• Huawei
• Enphase Energy
• Delta Electronics
• KACO new energy
• GoodWe
• Sungrow

Die Auswahl des richtigen Herstellers und Wechselrichtermodells sollte sorgfältig durchdacht werden, um die Effizienz und Zuverlässigkeit Ihrer Solaranlage sicherzustellen.

Was ist bei der Verkabelung von Wechselrichtern zu beachten?

Es sollten bei der Verkabelung der Wechselrichter nur Solarkabel verlegt werden, da im Umgang mit Gleichstrom höhere Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden müssen. Bei den verlegten Kabeln sollte es sich um einadrige Kabel handeln, die doppelt isoliert, extrem wetter- und erhöht temperaturbeständig, halogenfrei sowie UV-stabil sind. Der Kabelquerschnitt sollte mindestens 4 mm2 betragen, damit der Stromverlust möglichst niedrig ausfällt. Welcher Kabelquerschnitt empfehlenswert ist, hängt jedoch im Einzelfall von der Verkabelung ab. Es gilt: Je länger die Verkabelung des Wechselrichters ist, desto höher ist der Widerstand des Solarkabels und desto größer ist der Leistungsverlust über das Solarkabel. Diese Problematik fällt bei Photovoltaikanlagen für Einfamilienhäuser kaum ins Gewicht. Geht es allerdings um ein Projekt im Bereich Photovoltaik für Gewerbe und Industrie oder einen Solarpark ist die Verkabelung des Wechselrichters nicht zu vernachlässigen.