Wechselrichter: Größe und Leistung bestimmen, Typen-Auswahl & Kosten-Vergleich

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Wie viele Wechselrichter man braucht und wie groß ein Wechselrichter sein muss, ist abhängig von vielen Faktoren wie der Anlagenausrichtung, dem Spannungsniveau auf der DC-Seite, der Höhe der Ströme und der Modulleistungen, die an die verschiedenen Komponenten und MPP-Eingänge des Wechselrichters angeschlossen werden können, aber auch vom gewünschten Anteil des Eigenverbrauchs und der Einbindung eines Stromspeichers.

Bei der Planung wird daher versucht, ein bestimmtes Auslegungsverhältnis der DC-Leistung der PV-Anlage zur AC-Leistung des Wechselrichters zu erreichen. Denn die Größe des Wechselrichters sollte letztlich sicherstellen, dass die Solaranlage sowohl bei kleinen Leistungen als auch großen Leistungen eine optimalen Solarertrag erbringt.

Als Richtwert kann für eine PV-Anlage mit Südausrichtung und 30° bis 40° Modulneigung ohne nennenswerte Verschattung ein Auslegungsverhältnis von 110 % als üblicher Wert angesetzt werden. Dieses Verhältnis resultiert, wenn an einem 10-kW-PV-Wechselrichter ein PV-Generator mit einer Nennleistung von 11 kW anschließt. Weicht die Ausrichtung oder die Neigung ab, kann der Wechselrichter kleiner gewählt werden.

Dasselbe gilt für PV-Anlagen, bei denen die Module ganz unterschiedliche Ausrichtungen haben. Für reine Ost-West-Anlagen kann ein Auslegungsverhältnis von 135 % angesetzt werden, da nie von beiden Seiten gleichzeitig viel Strom erzeugt wird. Damit es zu keinem Mismatch kommt, sollten die Module aber möglichst pro Ausrichtung an einem separaten MPP-Eingang angeschlossen sein.

Bei hohen thermischen Belastungen durch hohe Sonneneinstrahlungen im Außenbereich oder hohen Umgebungstemperaturen in ungedämmten Dachgeschossen sollte man eher eine etwas höhere Wechselrichterleistung wählen, um einerseits Abregelungen zu vermeiden, aber auch um die Lebensdauer der Geräte nicht zu verkürzen.

Um Wechselrichter nicht zu beschädigen, darf die maximale Eingangsspannung nicht überschritten werden. Da die Spannung vor Allem mit sinkender Temperatur steigt, sind insbesondere Betriebszustände zu berücksichtigen, in denen es sehr kalt ist.

Um die von den Solarmodulen ausgehende maximale Spannung zu berechnen, benötigt man daher aus dem Moduldatenblatt die Leerlaufspannung und muss diese mit dem Temperaturkoeffizienten bei der niedrigst möglichen Modultemperatur berechnen.

Der Temperaturkoeffizient wird in der Regel in mV/K angegeben - manchmal auch in % von U_0max - und beschreibt die Spannungszunahme bei Temperaturen die niedriger als die 25°C sind, die unter den „Standard Test Conditions“ (STC) angenommen werden. In der Regel liegt dieser Wert bei kristallinen Modulen bei etwa -2 bis -2,5 mV/K pro Zelle - der Koeffizient besitzt ein negatives Vorzeichen!

Bei einem Modul mit 60 Zellen, einem Temperaturkoeffizienten von –135mV/K und einer Extremtemperatur von -15°C resultiert eine Temperaturdifferenz zu den 25°C von 40 Kelvin. Dieser Temperaturunterschied führt zu einer Spannungserhöhung von 40 K * 0,135 V/K = 5,4 V pro Modul.

Sind im Solargenerator z.B. 15 Module in Reihe geschaltet, so nimmt die Spannung in diesem Extremfall um 15 * 5,4 V = 81 V gegenüber einer Temperatur von 25°C zu. Es ergibt sich bei 15 in Reihe geschalteten Modulen, die bei STC eine Leerlaufspannung U₀ von 36,3 V aufweisen, demnach eine maximale Leerlaufspannung von 15 * (36,3 V + 40 K * 0,135 V/K) = 625,5 V.

Die maximal zulässige Eingangsspannung am Wechselrichter U_DCmax muss daher mindestens eine Spannung von 625,5 Volt tolerieren können, um keinen Schaden zu nehmen.

Wird der Wechselrichter mit einer höheren Eingangsgleichspannung beaufschlagt, kann dies zur Zerstörung der Kondensatoren im Wechselrichter führen. Auch die Leistungshalbleiter in den Wechselrichtern sind nur für eine maximal zulässige Sperrspannung ausgelegt, die auf keinen Fall überschritten werden sollte.

Wenn keine Angaben vorliegen, kann als überschlägiger Wert für mono- und polykristalline Module bei –10 °C ein Spannungsanstieg von ca. 10 % gegenüber STC angenommen werden.

Bei der String-Planung muss daher andererseits auch berücksichtigt werden, dass im Sommer bei hohen Temperaturen die Spannung sinkt und die minimalen Eingangsspannungen der MPP-Eingänge des Wechselrichters nicht mehr erreicht werden könnten, um einen optimalen PV-Ertrag zu erzielen.

Da in den meisten Moduldatenblättern nur der Temperaturkoeffizient für die Leerlaufspannung unter STC angegeben wird, wird dieser häufig zur Umrechnung auf den Wert bei 70 °C benutzt. Der MPP-Temperaturkoeffizient weicht aber je nach Modultyp nach oben oder unten vom Temperaturkoeffizienten für die Leerlaufspannung ab.

Auch im Schwachlichtbereich von unter 250 W/m² sinkt die MPP-Spannung von Modulen deutlich ab und kann unter die minimale MPP-Spannung des Wechselrichters fallen. Dann verschiebt sich der Arbeitspunkt des Generators in Richtung der Leerlaufspannung, wodurch sich die vom Generator abgegebene Leistung verringert.

Auch wenn die Modulspannung beim üblichen Auslegungsfall im Regelbereich des Wechselrichters liegt, kann es also bei geringen Einstrahlungen und hohen Temperaturen dazu kommen, dass die Eingangsspannung am MPP-Eingang des Wechselrichters zu niedrig ist.

Neben der Leistung und der Spannung darf auch der maximale Strom von der PV-Anlage den maximalen Eingangsstrom der jeweils angeschlossenen MPP-Eingänge des Wechselrichters nicht übersteigen.

In den Datenblättern der Wechselrichter sind meist zwei Werte für den maximalen Eingangsstrom aufgeführt.

• Der maximale MPP-Strom beschreibt dabei einen Wert, ab dem die Geräte den Eingangsstrom begrenzen, sodass es zu keiner Überlastung der MPP-Regler und somit auch zu keinem Defekt kommt.
• Der maximale Kurzschlussstrom beschreibt einen Strom, der nicht überschritten werden darf, damit die Abregelung auf den maximalen MPP-Eingangsstrom ohne Defekte erfolgen kann.

Experten empfehlen, dass Ströme bei hohen Einstrahlungen von 1100 W/m² noch unterhalb der Stromabregelung liegen, ideal wäre ein nicht abgeregelter Betrieb bis 1250 W/m².

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Bei sehr kleinen PV-Analgen wie z. B. Komplettanlagen für mobile Anwendungen kommen in der Regel Sinuswechselrichter zum Einsatz, die die Solarstromspannung bzw. die Batteriespannung in den typischen sinusförmigen Spannungsverlauf umwandelt, sodass z. B. Haushaltsgeräte im Campingwagen betrieben werden können. Ohne einen solchen Sinuswandler kann es zu Störungen und Beschädigungen der angeschlossenen Geräte kommen.

Bei kleinen Balkonkraftwerken kommen hingegen Mikrowechselrichter zum Einsatz. Sie sind speziell für eine AC-Einspeisung ins Hausstromnetz konzipiert und daher auf eine DC-Ausgangsleistung von 800 Watt gedrosselt.

In sehr großen Photovoltaikanlagen wie z. B. Solarparks kommen hingegen sogenannte Zentralwechselrichter mit einer Nennleistung ab 100 kW zum Einsatz. Diese sind oft modular aufgebaut, werden in einem separaten Gebäude wettergeschützt untergebracht und erreichen gerade bei Großanlagen mit gleichen Aufstellungs- und Ausrichtungsbedingungen hohe Wirkungsgrade. Nachteilig ist jedoch, dass bei einer Störung des Zentralwechselrichters die gesamte Anlage stillsteht.

Bei Modulwechselrichtern besitzt jedes einzelne PV-Modul einen separaten Wechselrichter und können so flexibel auf die jeweilige Leistung des Moduls reagieren. Dies ist in Kleinanlagen von 100 W_p und etwa 1,5 kW_p sinnvoll, wo die einzelnen Module durch sehr unterschiedliche Ausrichtung oder Verschattung sehr unterschiedliche Leistung erbringen. Bei mehreren Modulwechselrichtern entfällt eine Gleichstromverkabelung der Module, die gesamte Anlage wird jedoch störanfälliger.

String- bzw. Strangwechselrichter werden an mehrere Stränge an in Reihe geschalteten Modulen angeschlossen und sind dort sinnvoll einsetzbar, wo diese Stränge in etwa dieselbe Ausrichtung, Verschattung und Modulanzahl aufweisen. Strangwechselrichter besitzen nur einen MPP-Tracker (Multi-Strang- oder Multi-String-Wechselrichter besitzen mehrere), erreichen höhere Wirkungsgrade als Modulwechselrichter und machen die Gesamtanlage aufgrund der geringeren Anzahl an eingesetzten Wechselrichtern weniger störanfällig. Stringwechselrichter sind daher der am häufigsten bei Haus- und kleinen Gewerbeanlagen bis 100 kWp eingesetzte Wechselrichtertyp.

Inselwechselrichter werden dort eingesetzt, wo ausschließlich die Stromversorgung einer netzunabhängigen "Insel" wie z.B. auf Berghütten, in mobilen Geräten oder eine Art Notstromversorgung gewährleistet werden soll. Diese Inselwechselrichter können nach einem vom Wechselrichter selbst bestimmten Takt an- und ausgeschaltet werden und benötigen für ihre Steuerung keine Kopplung mit einem Stromnetz.

Demgegenüber unterscheidet man fremdgeführte Wechselrichter, die dazu dienen, Solarstrom nahezu ausschließlich in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Sie erzeugen einen netzsynchronen Wechselstrom und benötigen dafür als Referenz eine feste Wechselspannung aus dem Netz. Fremdgeführte Wechselrichter können daher auch systemische Netzdienstleistungen erbringen.

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Vor dem Kauf eines Wechselrichters steht immer die korrekte Auslegung und Berechnung der technischen Anforderungen im jeweiligen Einsatzfall an erster Stelle! Erst dann sollte man sich mit den Kosten, der Lebensdauer oder dem Hersteller befassen.

Wechselrichter mit sehr hohen Leistungen sind i.d.R. teurer als kleinere. Dabei gilt, dass aber die Kosten pro kWh mit steigender Leistung etwas sinken. Wenn man sich an den Kosten pro kW orientiert, kann es also lohnen, einen größeren und insgesamt teureren Wechselrichter zu kaufen.

Da leistungsstärkere Wechselrichter einen schlechteren Wirkungsgrad bei niedriger Auslastung haben, kann sich dieser Kostenvorteil in einer ungünstigen Anlagenkonzeption wieder aufheben.

Auch kostengünstigere, kleinere Wechselrichter haben Nachteile: Bei hohen Einstrahlungen regeln sie im Überlastbereich ab, sodass sie wiederum nicht das volle Ertragspotenzial nutzen. Was man beim Kauf gespart hat, zahlt man dann in Form von Ertragseinbußen drauf.

Daher sollte man einen Wechselrichter wählen, der vor Allem den technischen Anforderungen gerecht wird. Auch wenn dies mit Mehrkosten verbunden ist, so werden diese meist schon in den ersten Betriebsjahren durch höhere Solarerträge überkompensiert.

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