Berechnung und Vergleich der Wirkungsgrade von PV-Wechselrichtern

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters beschreibt das Verhältnis von eingehendem Gleichstrom aus der Solaranlage und ausgehendem Wechselstrom in das Stromnetz. Da der Wirkungsgrad keine feste Größe ist, sondern mit den Betriebsbedingungen variieren kann, gibt es unterschiedliche Definitionen. Am aussagekräftigsten ist dabei der Gesamtwirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichter muss immer über hochpräzise Messverfahren unter Nennbedingungen bestimmt werden. Bei abweichenden Eingangsspannungen, im Teillastbetrieb oder bei erhöhter Umgebungstemperatur, ergeben sich sonst abweichende Wirkungsgradwerte. Daher führen auch vom Betreiber durchgeführte Wirkungsgradbestimmung durch Messen der Strom- und Spannungswerte am Eingang und Ausgang mit handelsüblichen und größeren Toleranzen behafteten Messgeräten nicht zu verwertbaren Ergebnissen. Ebenso führt eine Wirkungsgradbestimmung über eine Verhältnisbildung der am Wechselrichter angezeigten bzw. abgefragten Eingangs- und Ausgangswerte ebenfalls zu nicht gültigen Ergebnissen, da Toleranzen und nicht zeitgleiche (synchrone) Messungen zu weiteren Ungenauigkeiten führen.

Unter dem "Wirkungsgrad" eines Wechselrichters wird meist der Umwandlungswirkungsgrad verstanden, der angibt, wie effektiv der Wechselrichter den angebotenen Gleichstrom in Wechselstrom wandelt. Der Wandlungsverlust und damit der Umwandlungswirkungsgrad ist nicht konstant sondern hängt hauptsächlich von der aktuellen Leistung und der Spannung des Solarmoduls ab.

Je nach Umfang der Einbeziehung dieser Faktoren in die Messung und Berechnung des Wirkungsrades unterscheidet man heutzutage folgende drei Wirkungsgraddefinitionen von Wechselrichtern:

• Spitzenwirkungsgrad
• europäischer Wirkungsgrad
• Gesamtwirkungsgrad

Der sogenannte Spitzenwirkungsgrad gibt den maximalen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen des Wechselrichters an. Dieser Wert sagt uns also, wie verlustarm die Leistungsstufe aufgebaut ist.

Der europäische Wirkungsgrad hingegen ist für den praktischen Einsatz etwas aussagekräftiger, da ein PV-Wechselrichter im Alltag den MPP des PV-Generators einstellen muss und sich daher in einem weiten Spannungs- und Leistungsbereich bewegt.

Der europäische Wirkungsgrad setzt sich aus den Wirkungsgradwerten bei sechs unterschiedlichen Leistungen zusammen, die entsprechend der Häufigkeit ihres typischen Auftretens (einer PV-Anlage in Nordeuropa) gewichtet werden.

Der europäische Wirkungsgrad (W) wird bei einer festen PV-Spannung in sechs Abstufungen zur nominellen Leistung nach folgender Formel berechnet:

W = W (5%) + W (10%) + W (20%) + W (30%) + W (50%) + W (100%)

Da diese Berechnungen in erster Linie an den Standortbedingungen (Sonnenstunden, Einstrahlungsstärke, etc.) Europas orientieren, ist dieser Wert für einen Vergleich unterschiedlicher Wechselrichter gut geeignet, für eine Abschätzung des Anlagenertrags alleine aber nicht ausreichend.

Sowohl der europäische Wirkungsgrad wie auch der Spitzenwirkungsgrad sind daher nicht aussagekräftig genug, um exakte Ertragsprognosen treffen zu können. Daher wollen sich Fachleute in den kommenden Jahren auf eine einheitliche Norm, den Gesamtwirkungsgrad einigen.

Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus dem Umwandlungs- und dem Anpassungswirkungsgrad zusammen. Der Anpassungswirkungsgrad beschreibt die Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit des MPP-Trackings unter wechselnden Einstrahlungsbedingungen, den jeweils optimalen Arbeitspunkt des PV-Generators (MPP) zu finden und einzustellen. Der Anpassungswirkungsgrad ist damit eine Größe zur Bewertung der Regeleigenschaften des MPP-Trackers und ermittelt langsame und schnelle Arbeitspunktänderungen. Der statische Anpassungswirkungsgrad sollte sehr nah an 100% liegen (mind. 99,8 %) und der dynamische Wirkungsgrad sollte besser sein als 99,5%.

Um den Gesamtwirkungsgrad eines Spannungswandlers zu berechnen, werden insgesamt 20 unterschiedliche Spannungszustände gemessen und ein Durchschnittswert berechnet. So lässt sich das Leistungsmuster relativ realistisch wiedergeben und an diesem Wert sollte man sich beim Kauf eines neuen Wechselrichters auch orientieren.

Eine solche Messung oder Bewertung wird jedoch nicht zwangsläufig dadurch besser, indem sie den kompletten Arbeitsbereichs eines Wechselrichters abdeckt. Bei einem Weitbereichs-Wechselrichter (120…1000V) ist die Variation des Wirkungsgrads selbstverständlich größer, als bei einem "normalen" Wechselrichter mit einem Arbeitsbereich von 500V bis 1000V. Entscheidend ist daher eher, ob die Kennwerte des Wechselrichters für die PV-Anlage, die gerade betrachtet wird, aussagekräftig sind.

Noch genauer wird die Berechnung des Wirkungsgrades durch die sogenannte "Photon-Wirkungsgrad-Berechnung" des Fachmagazins Photon. Dabei werden unter Laborbedingungen alle verfügbaren Leistungsbereiche des Wechselrichters getestet und so kann dann ein exaktes Bild des tatsächlichen Wirkungsgrades gezeigt werden.

Die Zeitschrift prüft in ihrem Wechselrichter Test in der Regel alle aktuellen Modelle in regelmäßigen Testreihen und bietet somit sehr genaue Richtwerte für alle gängigen Modelle an. Der durchschnittliche Wirkungsgrad lag in diesen Tests bei rund 93,5%. Weniger als 10% der getesteten Wechselrichter erreichten einen Wirkungsgrad von über 96% und damit ein "sehr gut" gemäß der Photon-Einteilung. 

Kritisch wird jedoch gesehen, dass der Photon-Wirkungsgrad einfach den Durchschnitt über alle gemessenen Spannungsstufen ermittelt und diesbezüglich nicht sehr aussagekräftig sein kann.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Wechselrichters sagt aber allein noch nicht viel über den Wirkungsgrad der kompletten Solaranlage aus. In die Berechnung des Anlagenwirkungsgrades der PV-Anlage fließen alle Verluste der einzelnen Komponenten ein, die den Wirkungsgrad beeinflussen ein wie z. B.:

• Temperatur der PV-Module
• Sonneneinstrahlung und Verlustleistung
• Verschattung oder Verschmutzung
• Leitungsverluste
• Wirkungsgrad der PV-Module
• Wirkungsgrad des Wechselrichters

Aufgrund dieser Vielzahl an Leistungsbestimmenden Faktoren lässt sich auch nicht ein einzelner Wechselrichter mit dem besten Wirkungsgrad für eine PV-Anlage identifizieren.

Tendenziell lässt sich allerdings in der Praxis feststellen, dass trafolose Wechselrichterhohe Wirkungsgrade der gesamten PV-Anlage begünstigen können.

Zudem hat sich herausgestellt, dass eine zuverlässige Verfügbarkeit des Wechselrichters wie z. B.

• durch geringe Abschaltzeiten vom Stromnetz und
• ein optimales Derating-Verhalten (Reduzierung der Ausgangsleistung des Wechselrichters, um diesen vor Schäden durch zu hohe Umgebungstemperatur oder zu hohem Ausgangsstrom zu schützen)

trotz eines niedrigeren Wirkungsgrades des Wechselrichters zu höheren Wirkungsgraden der Gesamtanlage geführt haben.

Wenn es darum geht, den effektivsten Wechselrichter für eine Anlage auszuwählen, dann ist es wichtig, für jeden Wechselrichter den günstigsten Arbeitsbereich der PV-Spannung auszuwählen und die Geräte auf dieser Basis miteinander zu vergleichen.

• Funktion von Spannungswandlern
• Ein- und Dreiphasen-Wechselrichter
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