Mikrowechselrichter: E-Technik, AC-Netze & Montage

Wenn man statt eines Strangwechselrichters oder der Kombination aus Strangwechselrichter und Optimierern Mikrowechselrichter auf Modulebene verbaut, ergäben sich Vorteile bei stark verschatteten oder verwinkelten Installationen als auch für die Auslegung und Handling. Die Kosten- und Zeitersparnis bei der Installation sowie günstigere Wartungskosten führen zu niedrigen Stromgestehungskosten.

• Mikrowechselrichter (Mikroinverter oder auch Modulwechselrichter genannt) sind kleine Wechselrichter, die nur den Strom eines Moduls in Wechselstrom umwandeln. Mehrere Mikrowechselrichter können parallel zu einem AC-Netz zusammengeschlossen werden.
• Im Gegensatz zu Systemen, bei denen der PV-Strom von in Reihe geschalteten Modulen als DC-Netz von einem String-Wechselrichter zentral umgewandelt wird, arbeitet jeder Mikrowechselrichter unabhängig von den anderen. So wird der typische „Lichterketteneffekt“ vermieden.
• Dieser Aufbau ermöglicht direkte Informationen über den Ertrag eines einzelnen Photovoltaikmoduls und verbessert somit die Flexibilität und Zuverlässigkeit der gesamten PV-Anlage. Die Umwandlung lässt sich so optimal gestalten und auch die Gleichspannungen auf dem Dach sind vergleichsweise niedrig.
• Man nutzt Mikrowechselrichter bei Kleinanlagen wie z.B. einzelnen Single-Modulen, die direkt in eine Steckdose in den Hausstromkreis einspeisen, als auch bei größeren PV-Anlagen. Denn Mikroinverter sind einfach zu montieren, sparen Platz und ermöglichen eine schrittweise Erweiterung der Solaranlage.
• Zudem bieten sich Mikrowechselrichter für teilverschattete Anlagen an. Indem der jeweilige Strom direkt am Modul umgewandelt wird und nicht mehr der Strom eines gesamten Stranges von einer Verschattung beeinflusst wird, steigt der Gesamtertrag der Solaranlage.

Mikro-Wechselrichter wandeln den vom Solarmodul erzeugten Gleichstrom direkt in Wechselstrom um, sodass dieser im Haushalt genutzt oder bei Überschüssen in das Stromnetz eingespeist werden kann.

Die notwendige Spannung zum Betrieb des Wechselrichters kommt immer von der Gleichspannungsseite, also vom Modul selbst. Das heißt auch, dass Mikrowechselrichter nachts quasi ausgeschaltet sind, wenn keine Sonne scheint und kein Gleichstrom vom Modul fließt.

Der Mikro-Inverter arbeitet netzgeführt, d.h. bevor elektrische Leistung in das Wechselstromnetz eingespeist wird, müssen die Spannung, Frequenz und Phasenlage des Wechselstromnetzes durch den Wechselrichter ermittelt werden. Diese Netzanalyse benötigt ca. 1 Minute, in der keine Einspeisung stattfindet. Sind diese Parameter durch den Inverter ermittelt und im erlaubten Betriebsbereich, so speist der Wechselrichter langsam ansteigend elektrische Leistung in das Netz ein.

Soll ein Mikrowechselrichter abgeschaltet werden, so muss seine Gleichspannungsversorgung getrennt werden. Es darf jedoch niemals das PV-Modul auf der Gleichspannungsseite vom Wechselrichter getrennt werden, solange dieser noch mit dem Netz verbunden ist.

Um den Wechselrichter sicher vom Netz zu trennen, muss der in der verwendeten Phase installierte Leitungsschutzschalter („Sicherungsautomat“) abgeschaltet werden. Danach kann der AC-Anschlussstecker vom Wechselrichter gelöst werden.

Achtung: Selbst wenn der Mikro-Wechselrichter vom Stromnetz getrennt wurde, kann dieser weiterhin lebensgefährliche Spannungen führen!

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Gerade in Deutschland kannte man Mikrowechselrichter bislang nur als Wechselrichter für ein oder maximal zwei Module, die dann ihren Strom in die Haussteckdose einspeisen. In z. B. den USA aber auch in Frankreich werden hingegen viele Solaranlagen am Niederspannungsnetz mit Mikro- anstelle der klassischen Stringwechselrichter betrieben.

Von AC-Systemen bzw. AC-gekoppelten PV-Systemen spricht man in der Regel dann, wenn es um die Einbindung eines Batteriespeichers geht. Diesen kann man vor – also auf der DC-Seite - und nach der Umwandlung des Gleichstromes – also auf der AC-Seite einbinden. Im Zusammenhang mit Mikrowechselrichtern spricht man aber

• von einem DC-Netz, wenn alle auf dem Dach befindlichen Module in Reihe an einen Wechselrichter angebunden sind. Auf dem Dach fließt dann quasi nur Gleichstrom.
• Von einem AC-Netz spricht man in dieser Hinsicht, wenn der Gleichstrom eines jeden Moduls direkt am Modul in Wechselstrom umgewandelt wird und auf dem Dach somit größtenteils Strom mit Wechselspannung fließt. Die Wechselrichter sind dabei parallel geschaltet.

Ein Kommunikationsgateway verbindet die einzelnen Mikro-Wechselrichter mit einer Überwachungssoftware und stellt so Daten zum Energieverbrauch bereit.

Da nur die Verkabelung vom Modul zum Wechselrichter AC ist, werden daher keine hohen DC-Spannungen auf dem Dach erzeugt. Somit wird kein DC-Überspannungsschutz nötig, da immer nur niedrigste DC-Spannung von max. 60 Volt bei einem Modul und keine Gefahr von DC-Lichtbögen.

Es gibt keinen zentralen Wechselrichter, der fehlerhaft sein könnte und die ganze Anlage bzw. String lahmlegt.

Wenn ein Mikrowechselrichter ausfällt, dann fällt nur ein Modul aus und nicht die ganze Anlage. Der Installateur muss dann nicht sofort kommen, da Erträge nur minimal zurückgehen.

Treten Beeinträchtigung eines Moduls auf, so wird nicht der ganze String im Ertrag beeinflusst. Auswirkungen der

• Degradation,
• Verschattungen,
• Verschmutzungen und
• Modultoleranzen

werden daher mit Mikrowechselrichtern minimiert.

Im Vergleich zu Anlagen mit Moduloptimierern können Modulwechselrichter morgens aufgrund der kleineren Einheiten beim allerersten Licht kleine Kondensatoren aufladen, zwischenspeichern und frühzeitig den ersten Strom erzeugen. Über längere Zeit gesehen resultieren pro Jahr Mehrerträge im Vergleich zu String-Wechselrichter und im Vergleich zu Systemen mit Moduloptimierer von 2 bis 3%.

Die Stromgestehungskosten (LCOE) hängen von den Investitions- und Betriebskosten sowie dem Solarstromertrag ab. Da eine Solaranlage mit Mikrowechselrichtern etwas teurer sind als Anlagen mit Stringwechselrichtern bzw. Anlagen mit Stringwechselrichtern und Optimierern müssen zur Berechnung der LCOE alle Kosten und Erträge auf Sicht der gesamten Nutzungsdauer betrachtet werden.

* Angenommen wird ein spezifischer Jahresertrag von 1.000 kWh/kW_p im 1. Jahr. Auswirkungen der Modul-Degradation von 15% bei Enphase und String-Wechselrichter und Optimierer bzw. 20% bei String-Wechselrichter über 25 Jahre, sowie ein Mehrertrag von 3% vs. String-Wechselrichter und Optimierer und 6% vs. String-Wechselrichter durch das Enphase-System.

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Ob ein Wechselrichter zu einem Solarmodul passt und umgekehrt sollte man an elektrischen Kenngrößen überprüfen. Diese Daten muss man vorab miteinander vergleichen. Dazu benötigt man das Datenblatt vom Wechselrichter und das entsprechende Datenblatt vom Photovoltaik-Modul.

Entscheidend ist das Verhältnis zwischen Modul- und Wechselrichterleistung. Dieses Größen-Verhältnis sollte zwischen 90% und maximal 110% liegen.

Dann sollte man die maximale Spannung des Wechselrichters bzw. die Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls vergleichen. Die Leerlaufspannung des PV-Moduls sollte dabei nicht höher sein als die maximale Spannung auf der DC-Seite des Mikrowechselrichters.

Dann sollte man die maximale Spannung pro Kanal kontrollieren. Denn häufig toleriert ein Wechselrichter eine höhere Leistung pro Kanal, sodass man diese auch ausnutzen sollte ("overpaneling"). So kann man bei schlechtem Wetter mehr Solarstrom ernten.

Der Mikrowechselrichter sollte möglichst mittig hinter bzw. unter dem Modul in einem schattigen, regengeschützten Bereich montiert werden. Achten Sie auf einen Abstand (> 20 mm) zu angrenzenden Oberflächen, um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Aus diesem Grund sollte der Mikrowechselrichter auch nicht auf der Rückseite des Solarmoduls installiert werden. Auch die Montage des Mikro-Inverters am Modulrahmen wird von den meisten Herstellern nicht empfohlen.

Der Wechselrichter kann im Betrieb sehr warm werden. Er sollte daher so montiert werden, dass man sich nicht an ihm verbrennen kann und natürlich in ausreichendem Abstand zu leicht entflammbaren Stoffen oder brennbaren Gasen.

Der Anschluss des Solarmoduls erfolgt über die spezielle i.d.R. MC4-Steckverbindungen. Die DC-Anschlusskabel des Wechselrichters werden dazu mit dem passenden Gegenstück des Solarmoduls zusammengesteckt („Klick“-Geräusch).

Achten Sie unbedingt auf die richtige Verpolung: Das DC-Kabel mit Plus-Pol wird mit dem Plus-Pol des Moduls und das DC-Kabel mit Minus-Pol mit dem Minus–Pol des Moduls verbunden.

Wichtig ist, dass das angeschlossene PV-Modul nicht die maximal zulässige DC-Eingangsspannung / PV-Spannung des Wechselrichters überschreitet. Auf dem Typenschild des Mikrowechselrichters findet sich dazu die Angabe z.B. „Max. Input Voltage“ mit z. B. 60 Volt.

Das Zusammenfassen einzelner Module zu einer größeren Solaranlage erfolgt dabei immer wechselstromseitig, indem jeweils die Phasen und Neutralleiter der einzelnen Module zusammengeklemmt werden. Dadurch addieren sich deren Ströme.

Der elektrische Anschluss an das Stromnetz darf nur von einer ausgebildeten, eingetragenen Elektrofachkraft erfolgen.

Der Anschluss an das Stromnetz erfolgt mit einem zur Montage im Freien geeigneten 3-adrigem Stromkabel mit einer der Stromstärke angepassten Leiterquerschnitt (vorzugsweise 2,5 mm² bzw. 4 mm²).

Die Erdung des Wechselrichters erfolgt über den Schutzleiter-Anschluss (PE Anschluss) der AC-Zuleitung.

Zur Verbindung mehrerer Wechselrichter an deren AC-String-Ein- /Ausgang müssen die Phasen L, Neutralleiter N und Erdleiter PE der einzelnen Wechselrichter zusammengeschlossen und gemeinsam zum Anschlusspunkt (Verteilerkasten) des Hausnetzes geführt werden.

Ist die DC- und AC-Verbindung ordnungsgemäß hergestellt, so kann der Mikrowechselrichter bei Sonnenschein in Betrieb genommen werden. Dazu wird der Sicherungsautomat und der AC-Hauptschalter eingeschaltet. Der Modul-Wechselrichter sollte dann in wenigen Minuten mit der Netzsynchronisation und Einspeisung starten.

Dass der Mikro-Inverter arbeitet, erkennt man i.d.R. an der Status-LED oder in einer entsprechenden App. Wieviel Strom eingespeist wird, lässt sich über einen Energiezähler (z. B. Steckdosen-Energiemessgerät) oder über einen Einspeisezahler überprüfen.

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Wie schon mehrfach erwähnt machen Wechselrichter mit Niederspannung eine komplizierte Verkabelung überflüssig und das PV-System beliebig skalierbar. Auch eine aufwändige Planung für die Elektrik ist nicht erforderlich, so dass die Module auch von "anderen" Handwerkern als entsprechend geschulten PV-Installateuren montiert werden können.

Dies machen sich Systemanbieter zunutze, PV-Anlagen in hohem Maße vorzukonfektionieren und die Montage besser zu planen und an z.B. Subunternehmer zu vergeben, ohne Qualitätseinbußen bei der Montage der Anlage in Kauf zu nehmen.

Auf dieses Prinzip setzen u.a. Anbieter von Indachlösungen wie

• Ennogie
• Creaton

Mit Hilfe weiterer Standardelemente wie speziellen Schienensystemen, die Durchführungen für Dachhaken wie bei Aufdachanlagen überflüssig machen, können Installationen auch komplett z. B. vom Dachdecker ausgeführt werden. Die einfache Planung, Konfektionierung und Montage minimiert den Planungsaufwand, erleichtert die Auslegung und erhöht die Sicherheit.

Mikrowechselrichter sind daher eine ideale Ergänzung für Anbieter, deren Anlagenkonzept auf einem Baukastensystem beruhen und die mit lizenzierten Partnern vor Ort arbeiten, die Vertrieb und Montage übernehmen. Der zentrale Anbieter übernimmt das Marketing und liefert die vorkonfektionierten Sets an den Handwerker. Dank Mikrowechselrichtern sind selbst die Kabelverbindungen vorkonfektioniert und müssen am Dach lediglich zusammengesteckt werden.

Die Vor-Ort-Partner nutzen dabei auch den Service der Komplettanbieter wie deren komplettes Energiemanagement in Form von Webportalen und Apps sowie Produkt- und Leistungsgarantien - auch auf die Wechselrichter. Letztlich werden aufgrund einer „ökonomisch optimierten PV-Montagelösung“ auch Anlagenkosten eingespart.

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