Modulleistung kleiner als der Wechselrichter? Auslegung richtig berechnen

• Wie berechnet man die passende Auslegung des Wechselrichters? Die tatsächlichen Betriebsbedingungen einer Solaranlage wirken sich auf die Ausgangsleistung des PV-Generators aus, wodurch dieser selten seine volle Nennleistung erreicht. Dies muss bei der Planung berücksichtigt werden, um den Wechselrichter optimal an die Spitzenleistung der Anlage anzupassen.
• Mindestspannung beachten: Jeder Wechselrichter benötigt eine bestimmte Mindestspannung, um zu starten. Kleinere Wechselrichter haben in der Regel eine geringere Anlaufspannung, was ihnen ermöglicht, schneller bei geringerer Sonneneinstrahlung zu starten und somit effizienter AC-Strom zu erzeugen.
• Modulleistung kleiner als Wechselrichter: Eine Ost-West-Ausrichtung des Dachs führt zu einer gleichmäßigeren, aber flacheren Erzeugungskurve, was den Einsatz eines kleineren Wechselrichters rechtfertigen kann, um den Energieertrag zu maximieren.
• Kosten beim Wechselrichter kaufen sparen: Ein kleinerer Wechselrichter kann kostengünstiger sein, besonders bei Anlagen kleinerer Leistung. Ein einphasiger Wechselrichter ist z. B. für kleinere Anlagen oft deutlich günstiger als ein dreiphasiges Modell.
• Richtige Größe des Wechselrichters bestimmen: Das Größen-Verhältnis sollte zwischen 90 % und maximal 110 % liegen. Ein zu klein dimensionierter Wechselrichter, der eine viel kleinere Leistung als die Solaranlage hat, kann zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Ein zu groß ausgelegter Wechselrichter verbessert den Solarertrag. Ab einem gewissen Punkt steigt der Ertrag allerdings nicht weiter. Wird die Leistung des Wechselrichters viel größer geplant als die der Solaranlage, läuft der Wechselrichter häufig im Teillastbetrieb.
• Verbessertes Teillastverhalten: Moderne Wechselrichter zeigen ein verbessertes Teillastverhalten, was bedeutet, dass auch größere oder eigentlich zu große Wechselrichter bei geringerer Erzeugungsleistung noch gute Wirkungsgrade erzielen können.
• Die Auslegung eines Wechselrichters lässt sich recht gut selbst durchführen. Auf Grundlage der so ermittelten Schätzwerte lassen sich dann die ungefähren Kosten des Wechselrichters bestimmen.

Damit eine PV-Anlage effizient funktioniert, ist es zwingend notwendig, alle Bauteile perfekt aufeinander abzustimmen. Daher muss im Zuge der Planung der Anlage genau berechnet werden, welche Bauteile miteinander harmonieren und gut zusammenarbeiten bzw. welche Bauteile die auftretenden Spannungen und Stromstärken überhaupt aushalten. Dies ist ein Spezialgebiet im Bereich der Auslegungsplanung von Photovoltaik-Anlagen und ebenfalls äußerst komplex.

Über die Anzahl der verbauten Module und deren tatsächliche Leistung entscheiden folgende Faktoren:

• Dach-Maße
• Dach-Neigung
• Verschattungen
• Dach-Ausrichtung

Der am Wechselrichter angeschlossene Modulstrang sollte die gleiche Dachneigung und Ausrichtung aufweisen. Bei zu großen Abweichungen sollte sonst für jede Ausrichtung oder Dachneigung entweder ein eigener Wechselrichter oder bei Multistring-Wechselrichtern jeweils ein eigener Strang geplant werden.

Bei konstanten, jahreszeitbedingten Verschattungen reicht es in der Regel aus, die verschatteten und nicht verschatteten Modulbereiche am Wechselrichter zu separieren. Ein MPP-Tracker im Wechselrichter sorgt dann dafür, dass das Leistungsoptimum der Module immer erreicht wird.

Für die folgenden Berechnungen gehen wir davon aus, dass bereits bekannt ist, welche Solarmodule genutzt werden sollen und in welcher Anzahl sie verbaut werden. Bei der Berechnung und Auslegung der Wechselrichter-Leistung sind dann folgende Punkte besonders wichtig:

• Wirkungsgrad
• AC/DC Nennleistung
• Spannungsbereich

Zur Bestimmung der nötigen Wechselrichter-Leistung gilt grundsätzlich:

• Die mögliche Anzahl parallel verschalteter Stränge bemisst sich nach dem maximalen Eingangsstrom des Wechselrichters. Der PV-Generatorstrom ist die Summe aller Strangströme und sollte nicht über dem maximalen Eingangsstrom des Wechselrichters liegen.
• Die größtmögliche Modulzahl in einem Strang ist abhängig von der DC-Eingangsspannung des Wechselrichters. Unabhängig von der Anzahl der Stränge ergibt sich die Höhe der Spannung am Wechselrichter aus der Summe der zu Strängen in Reihe geschalteten Module.
• Die höchste Spannung, die in einem Betriebszustand auftreten kann, ist die Leerlaufspannung. Diese sollte in einem Strang die zulässige Eingangsspannung des Wechselrichters nicht übersteigen.
• Die Spannung am Maximum-Power-Point (MPP) des PV-Generators bzw. eines Stranges muss über der minimalen MPP-Spannung des Wechselrichters liegen.
• Die kleinstmögliche Modulanzahl in einem Strang ist abhängig von der minimalen MPP-Spannung des Wechselrichters.

Bevor man sich an die Wechselrichter Berechnung machen kann, muss man wissen, welche Spannungsstärke die Module haben und in welcher Menge diese Solar-Module verbaut werden sollen. Mit diesen beiden Werten kann man dann nämlich die gesamte Generatorleistung der Module berechnen. Diese gesamte Generatorleistung muss dann dem DC-Wert des Wechselrichters entsprechen.

Rechen-Beispiel: 10 Solarmodule mit einer Einzelleistung von 350 Watt ergeben eine Generatorleistung von: 10 x 350W = 3500 Watt Gesamtleistung

Das heißt, der Wechselrichter für diese zehn Module benötigt eine AC/DC-Peak-Leistung von 3,5 kW!

Außerdem ist es wichtig, den Spannungsbereich des Wechselrichters berechnen zu können. Auch hier spielen die Solarmodule eine entscheidende Rolle. Wir wissen bereits, dass Solar-Module unterschiedliche Spannungsbereiche haben, angefangen von der sogenannten Nullspannung bis hin zur Höchstspannung bzw. Nennspannung. Die Spannungswerte in unserem Beispiel liegen so durchschnittlich zwischen 29 Volt und 36 Volt. Gehen wir jetzt wieder von unseren 10 Solar-Modulen aus, ergibt sich folgende Berechnung:

• Anzahl Module x niedrigster Spannungsbereich = unterste Grenze des Wechselrichter-Spannungsbereich
• Anzahl Module x höchster Spannungsbereich = höchste Grenze des Wechselrichter-Spannungsbereichs

In unserem Fall: 10 x 29V = 290V und 10 x 36V = 360V

Das heißt, wir benötigen eigentlich einen Spannungsbereich zwischen 290 und 360 Volt.

Wichtig: Um aber für jede Eventualität ausgerüstet zu sein, werden diese Werte noch mal auf- bzw. abgerundet. Als Faustregel gilt:

- 100V bei der niedrigsten Spannung und +100V bei der höchsten Spannung.

Also benötigen wir für unser System einen Wechselrichter mit einem Spannungsbereich von 190 - 460 Volt.

Leider verhalten sich Solar-Module in der Praxis ein wenig anders: Unsere Höchst-Spannung von ca. 36 Volt trifft nur zu, wenn bestimmte Standardbedingungen eintreten. Dazu gehören eine

• Sonneneinstrahlung von 1000 Watt/m² und
• eine konstante Temperatur von 25 Grad.

Verändert sich die Temperatur, verändern sich auch der Temperaturkoeffizient und somit auch der Spannungsbereich. Als Faustregel gilt hier:

Steigende Temperaturen senken die Spannung, bei sinkenden Temperaturen steigt die Spannung an.

Diesen Temperaturkoeffizienten geben alle Wechselrichterhersteller mit an. In der Regel findet man ihn im dazugehörigen Datenblatt des Wechselrichters. Für eine ungefähre Anlagen-Berechnung sollte hier ein Durchschnittswert des eigenen Wohnortes genutzt werden. Diesen findet man auf allen bekannten Wetter-Infoportalen im Netz.

Will man genauer berechnen, müssen die höchsten und niedrigsten Temperaturstände des letzten Jahres als Basiswerte genutzt werden. Selbst wenn man hier sehr genaue Mittelwerte errechnet, muss man immer bedenken, dass man das tatsächliche Wetter der kommenden Jahre nicht vorhersagen kann. Daher gehen wir auf diesen Punkt nicht weiter ein.

Auch der Wirkungsgrad ist ein entscheidender Faktor, der in die Berechnung mit einfließt. Zusammengefasst besagt der Wirkungsgrad des Wechselrichters, wie viel des produzierten Stroms der PV-Generatoren tatsächlich in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt werden kann. Dieser Wert wird immer in Prozenten angegeben. In der Regel liegen gute Wechselrichter bei einem Wirkungsgrad von ca. 96%. Es gibt High-End Modelle, die es auf einen Wirkungsgrad von 99% bringen.

Rechen-Beispiel: Der Wirkungsgrad der Spannungsumwandlung liegt bei 96%. Bei einer rein fiktiv angenommenen Menge von 1000 Watt/Tag produzierten Gleichstrom sieht unsere Gleichung wie folgt aus:

Generatorleistung / 100 x Wirkungsgrad = tatsächlich produzierter Strom

In unserem Beispiel: 1000W / 100 x 96 = 960 Watt

Der Wechselrichter produziert letztendlich aus 1000 Watt "nur" 960 Watt Wechselstrom pro Tag.

Wichtig: Rechnet man diesen Verlust von 30 Watt pro Tag auf ein Jahr oder sogar auf die gesamte Amortisierungsdauer hoch, wird schnell klar, dass es wichtig ist, ein Modell mit höchstem Wirkungsgrad zu wählen.

Mit unseren Tipps zur Berechnung kann man die Auslegungen eines Wechselrichters recht gut abschätzen. Dennoch handelt es sich um Schätzwerte. Will man nur in etwa planen, was eine Anlage ungefähr kostet, ist diese Berechnung eine brauchbare Grundlage.

Geht es dann an das tatsächliche Planen der PV-Anlage, muss man die Auslegung immer noch mal vom Profi berechnen lassen. Macht man hier Fehler, und das kann als Laie durchaus passieren, sind Fehlkäufe die Folge. Diese sollten bei der teuren Technik tunlichst vermieden werden.

Außerdem gibt es eine Reihe von Fachmagazinen, die sich auf den PV-Markt spezialisiert haben. Dort werden Wechselrichter unter Laborbedingungen getestet. Die dort erhaltenen Werte sind extrem genau. Nutzt man diese zur Berechnung, liegt man schon sehr nah am tatsächlichen Wert.