Letzte Aktualisierung: 23.11.2020

So funktionieren Spannungswandler in Photovoltaikanlagen

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Wie wird die Stromspannung einer PV-Anlage umgewandelt?

Immer mehr Photovoltaik-Anlagen werden zur unabhängigen Stromproduktion installiert. Die Funktionsweise ist bei allen Anlagen gleich: Solarmodule erzeugen aus Sonnenstrahlung elektrischen Strom, der in einem Spannungswandler in Wechselstrom umgewandelt und in das Stromnetz oder den Stromkreislauf des Hauses eingespeist wird.

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Technik der Spannungswandlung im Detail

Solaranlagen erzeugen Strom aus Sonnenstrahlung. Da es sich bei dem dort produzierten Strom um Gleichstrom handelt, kann dieser nicht einfach so weiterverwendet werden. Technische Geräte im Haushalt funktionieren aber mit Wechselstrom. Also benötigen Solaranlagenbesitzer einen sogenannten Spannungswandler, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Stromstärke und Stromspannung

Fließt Strom, so bewegen sich negativ geladene Elektronen meistens innerhalb eines metallischen Stromleiters vom Minus- zum Pluspol. Wichtige Kenngrößen des elektrischen Stroms sind die Stromstärke gemessen in Ampere (A) und die Spannung, die in Volt (V) angegeben wird. Die Stromstärke beschreibt die Menge der durchfließenden Elektronen pro Zeiteinheit und die Spannung beschreibt die Art des Elektronenflusses durch den Stromleiter.

Nieder-, Mittel- und Hochspannung

Wenn Elektronen nur in eine Richtung fließen, spricht man von Gleichstrom wie er in Batterien und Akkus (Akkumulatoren) vorkommt. Von Wechselstrom spricht man dann, wenn in einem vorgegebenen Takt die Elektronen für eine bestimmte Zeit in die eine und dann in die andere Richtung fließen wie dies bei 230 Volt-Strom (früher 220 Volt) aus der Steckdose der Fall ist. In Mittelspannungsleitungen fließt hingegen Strom mit 10.000 Volt (10 kV) bis 20.000 Volt (20 kV) und in Hochspannungsleitungen sogar Strom mit bis zu 380.000 Volt (380 kV).

Gleichstrom und Wechselstrom

Bei der Umwandlung des Sonnenlichtes durch ein Photovoltaikmodul entsteht Gleichstrom. Dieser hat meistens eine elektrische Leistung von etwa 150 bis 230 Watt und eine Spannung je nach Modultyp zwischen 24 und 36 Volt. Die Stromstärke liegt meistens zwischen 5 und 8 Ampère. Um diesen Gleichstrom nun in Wechselstrom umzuwandeln, um diesen z. B. im Hausstromnetz mit 230 V nutzen zu können, werden Spannungswandler eingesetzt, die den Strom nahezu verlustfrei umwandeln.

Spannungswandler- und Wechselrichtertypen

Moderne PV-Anlagen unterscheiden sich in erster Linie in ihrem Wirkungsgrad. Genau wie für alle andere Bestandteile der Solaranlage gilt auch für den Spannungswandler: Qualität ist wichtiger als ein günstiger Preis. Je "besser" die Anlage, umso höher der Nutzen. Um einen dem jeweiligen Anwendungsfall optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, kommen z. B. ein String- oder Multistring-Wechselrichter zum Einsatz. Diese gibt es auch in der High-End Ausführung als 3-Phasen-Wechselrichter. Außerdem unterscheidet man Modelle mit Trafo und Trafolose Ausführungen.

Es gibt die verschiedensten Photovoltaik-Anlagen für die unterschiedlichsten Anwendungen. Angefangen von mobilen Anlagen für Fahrzeuge, über kleinere stationäre Anlagen im Schrebergarten bis hin zu professionellen Solaranlagen, die soviel Strom produzieren, dass man diesen an einen Stromkonzern weiterverkaufen kann. Im Allgemeinen kann man aber sagen, je größer die Anlage und die Menge der Solarzellen, umso größer natürlich die Menge des gewonnenen Stroms. Neben den bekannten privaten Anlagen auf Hausdächern gibt es spezielle Anlagen mit Spannungswandler für den gewerblichen Einsatz. Ist die Fläche groß genug, können Unternehmen so von wesentlich günstigeren Energiekosten profitieren.

Eine sogenannte vollkommen unabhängige Anlage nennt man dann auch Wechselrichter Inselbetrieb. Eine kleine Anlage hingegen kann bereits ausreichen, um das Gartenhäuschen mit Energie zu versorgen. Will man dann im Gartenhäuschen einen Fernseher oder Radio betreiben, benötigt man noch einen Sinus-Wechselrichter. Die Anwendungsbereiche sind so vielseitig und um genau feststellen zu können, welche Größe für den eigenen Bedarf lohnt, sollte man sich vor einem Kauf von einem PV-Fachmann beraten lassen. Egal welche Größe man dann letztendlich wählt, ist es essenziel wichtig, einen entsprechend dimensionierten Spannungswandler mit einzuplanen.

Auswahl geeigneter Spannungswandler

Der Wirkungsgrad des Spannungswandlers entscheidet nicht allein über den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, denn dieser ist grundsätzlich abhängig von der Auslastung der PV-Anlage. Diese bestimmt sich wiederum aus dem Verhältnis der Momentanleistung zur Nennleistung. Da die von der momentanen Einstrahlung abhängig ist, ist der Einfluss des Spannungswandler auf den Gesamtwirkungsgrad der PV-Anlage von geringerer Bedeutung.

Da die Leistung eines Spannungswandlers über seinen gesamten Leistungsbereich nicht konstant ist, sollte immer ein Spannungswandler ausgewählt werden, der entsprechend des Standortes der Solaranlage einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet. Bei der Auswahl eines passenden Spannungswandlers kann man sich daher am europäischen und kalifornischen Wirkungsgrad orientieren. Diese sind gewichtete Wirkungsgrade für verschiedene Leistungsklassen und Spannungswandler verschiedener Hersteller, die aus dem Wirkungsgradverlauf von PV-Anlagen unterschiedlicher Klimazonen und entsprechend unterschiedlicher Einstrahlungen ermittelt wurden. Bei der Auswahl eines Spannungswandlers für PV-Anlagen an mitteleuropäische Standorten kann daher der Europäische Wirkungsgrad und für Standorte in südeuropäischen Ländern der kalifornische Wirkungsgrad herangezogen werden.

Grundsätzlich sollte die Auswahl eines geeigneten Spannungswandlers aber nicht allein auf den Angaben zum Wirkungsgrad oder der Größe und dem Standort der PV-Anlage basieren, sondern sich vornehmlich an der Wahl der PV-Module orientieren. Dies liegt wiederum daran, dass der Anpassungs- und Umwandlungswirkungsgrad spannungsabhängig ist und somit auch der Gesamtwirkungsgrad spannungsabhängig ist. Daher sollten eher Spannungswandler eingesetzt werden, die von den Herstellern der PV-Module auf Kompatibilität der Spannungsbereiche von Modul und Spannungswandler hin konzipiert wurden.

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