Welcher Wechselrichter ist optimal?

Aufgrund ihrer Systematik erzeugen Solarzellen naturgemäß Gleichstrom. Um diesen in nutzbaren Wechselstrom umzuwandeln, sind sogenannte Wechselrichter erforderlich. Doch nicht jeder Wechselrichter ist gleich. Es existieren Modelle mit oder ohne Transformator, Modulwechselrichter, Inselwechselrichter und viele weitere. Wir erläutern die Unterschiede, beleuchten Vor- und Nachteile und geben Empfehlungen.

Wechselrichter unterscheiden sich grundsätzlich danach, ob sie Teil einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage oder einer Inselanlage sind. Je nach Vorhandensein eines Netzanschlusses funktioniert der Wandler unterschiedlich:
Wechselrichter für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

In einer netzgekoppelten PV-Anlage nimmt der Wechselrichter seinen Platz zwischen Solarmodul(en) und Stromzähler bzw. zwischen Solarmodul und Verbraucher bzw. gegebenenfalls dem Stromspeicher ein.

Für die Einspeisung ins Stromnetz muss der Wechselrichter eine netzidentische Wechselspannung erzeugen. Diese sogenannten Netzeinspeise-Wechselrichter müssen von den Netzbetreibern anerkannt sein. Im Allgemeinen gilt: Kleine Anlagen bis ca. 5 kW Leistung speisen den Strom meist einphasig ein, größere Anlagen dreiphasig. Um den passenden Wechselrichter auszuwählen, sind Kenntnisse über den Spannungswandler, die Gerätetypen und die Auslegung hilfreich.

Trafo-Wechselrichter oder Wechselrichter ohne Transformator?

Trafo-Wechselrichter galten lange Zeit als die sicherste Wahl. Richtig ist: Der Transformator sorgt für eine galvanische Trennung, die den Wechselrichter und somit die gesamte Photovoltaikanlage vor ernsthaften Schäden bei Überspannung schützt. Allerdings gehen damit Umwandlungsverluste einher, die normalerweise zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führen. Die schweren Trafogeräte können sowohl an positiv als auch an negativ geerdete Solarmodule angeschlossen werden, was bei der Installation von Dünnschichtmodulen entscheidend sein kann.
Wechselrichter ohne Transformator erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade, da die Eingangs- und Ausgangsseite elektrisch verbunden sind. Zudem sind sie leichter und somit einfacher zu installieren. Weitere Vorteile sind, dass lüfterlose Wechselrichter leiser laufen und kostengünstiger zu produzieren sind. Kristalline Module benötigen keine Erdung und können daher problemlos mit einem Wechselrichter ohne Transformator betrieben werden. Bei Dünnschichtmodulen ist jedoch Vorsicht geboten.

Wechselrichter-Typen

Es gibt vier Gerätetypen, die je nach Anlagengröße in Betracht kommen:
• Modul-Wechselrichter für kleine Anlagen: Bei dieser Bauart hat jedes Solarmodul einen eigenen Wechselrichter. Der Nachteil besteht darin, dass bei Anlagen mit mehreren Modulen entsprechend viele Geräte benötigt werden, was häufiger zu Störungen führt. Der Vorteil liegt darin, dass Anlagen mit Modulwechselrichtern am einfachsten zu optimieren sind, wenn die einzelnen Module unterschiedlich ausgerichtet und verschattet sind.

Diese Art eignet sich besonders gut für die immer beliebter werdenden Mini-Solaranlagen, auch als Stecker-Solargeräte bekannt.

• String-Wechselrichter für kleinere bis mittlere Anlagen: Wenn mehrere Module in Reihe geschaltet sind, wären die Leistungsverluste mit Modulwechselrichtern zu hoch. Die Lösung besteht in einem Wechselrichter für den gesamten Strang. Bei mehreren Strängen sind auch mehrere Strangwechselrichter erforderlich. Ein Nachteil bei ungünstigen Gegebenheiten ist, dass sich die Solarzellen gegenseitig beeinflussen, was zu einem Leistungsabfall aller verbundenen Zellen führt. Stringwechselrichter sind die am häufigsten eingesetzten Wechselrichtertypen.

• Multistring-Wechselrichter für mittlere Anlagen: Anstelle jeden Strang an einen einzelnen Stringwechselrichter anzuschließen, können mehrere Stränge zu einem Multistringwechselrichter führen. Bei mittleren Anlagen mit parallel geschalteten Modulen ist dies eine kostengünstige Lösung. Diese Art ist zu empfehlen bei PV-Anlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung und dem damit verbundenen zeitlich versetzten Ertrag.

• Zentral-Wechselrichter für große Anlagen (ab ca. 100 kW): In Großanlagen wie Solarparks wäre eine Vielzahl von Multistring-Wechselrichtern in Bezug auf Anschaffung, Installation und Wartung zu teuer. Daher kommen hier Großgeräte zum Einsatz, sogenannte Zentralwechselrichter. Obwohl sie für Nutzer herkömmlicher Dachanlagen nicht relevant sind, werden sie hier der Vollständigkeit halber erwähnt. In der Landwirtschaft oder in Industrie und Gewerbe kann sich die Anschaffung jedoch lohnen. Ein Solarteur kann die Kostenvorteile bewerten.

Optimale Wechselrichter-Auslegung

Der „richtige“ Wechselrichter muss das Ziel des Anlagenbetreibers erfüllen: Möglichst bei jedem Strahlungsangebot der Sonne so viel Strom wie möglich zu erzeugen. Daher muss er die solare Eingangsspannung stets so aufbereiten, dass Strom ins Netz eingespeist werden kann. Der untere und der obere Eingangsspannungsbereich eines Wechselrichters begrenzen die Leistung der Modulkette folgendermaßen:

• Der untere Wert sollte mindestens bei 30 Prozent der Nennleistung liegen, damit der Wechselrichter überhaupt Strom erzeugen kann.

• Der obere Spannungsbereich darf nicht überschritten werden, um den Wechselrichter nicht zu beschädigen. Daher muss die Maximalspannung unter der Leerlaufspannung der Modulkette liegen. Zu beachten ist, dass an klaren Wintertagen mit tiefen Außentemperaturen die Leerlaufspannung um 10-12 Prozent höher sein kann.

Wenn die Photovoltaikanlage autark arbeiten soll, ist ein Spannungswandler erforderlich. Bekannte Geräte aus dem Auto- oder Campingzubehör transformieren den Gleichstrom einer 12- oder 24-Volt-Autobatterie in eine 230-Volt-Wechselspannung. Dadurch können Leuchten und einfache elektrische Geräte wie Wasserkocher, Kaffeemaschine oder Kühlschränke betrieben werden.

Dieses Konzept lässt sich auch mit Photovoltaikmodulen realisieren. Inselanlagen, so genannte PV-Anlagen, versorgen entlegene Orte mit Strom – ohne Autobatterie, ohne Netzkoppelung. Um Unterbrechungen beim Kaffeegenuss oder Fernsehvergnügen zu vermeiden, ist jedoch eine Solarbatterie unverzichtbar. Inselanlagen erfordern zusätzlich einen Insel-Wechselrichter: Dieser bezieht seinen Gleichstrom aus einer Batterie und muss auf die Batteriespannung abgestimmt sein. Gleichzeitig gibt er auf der Ausgangs- bzw. Wechselstromseite nur so viel Leistung ab, wie der angeschlossene Verbraucher gerade benötigt. Die geregelte Ausgangsspannung ermöglicht einen weitgehend verlustfreien Verbrauch – was Inselwechselrichter jedoch teurer macht als einfache Spannungswandler. Beim Kauf ist zu beachten, dass der lastunabhängige Wechselrichter für die angeschlossenen Verbraucher ausreichend dimensioniert ist.

Intelligente Wechselrichter

Ein intelligenter Wechselrichter ist keine neue Gerätekategorie. Jeder Wechselrichter für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage verfügt über einen „intelligenten“ Bestandteil: den MPP-Tracker. Der Maximum Power Point (MPP) markiert den Punkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie, an dem das Solarmodul die höchste Leistung erzielt. Da sich der Arbeitspunkt aufgrund der sich ständig ändernden Sonneneinstrahlung und Außentemperatur erheblich verschiebt, würde eine starre Einstellung erhebliche Verluste bedeuten. Die Aufgabe des MPP-Trackers im Wechselrichter besteht darin, die Leistung der Solarmodule kontinuierlich auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abzustimmen.