Solar-Wechselrichter - Grundwissen für die Planung von PV-Anlagen
Der Wechselrichter ist das Herzstück jeder Solarstromanlage
Der Wechselrichter ist das Herzstück jeder Solarstromanlage: Er wandelt den Gleichstrom der Solar-Module in netzüblichen Wechselstrom und speist diesen in das öffentliche Stromnetz. Gleichzeitig steuert und überwacht er die gesamte Anlage. So sorgt er einerseits dafür, dass die Solar-Module immer in ihrem einstrahlungs- und temperaturabhängigen Leistungsmaximum arbeiten. Andererseits überwacht er kontinuierlich das Stromnetz und ist für die Einhaltung diverser Sicherheitskriterien verantwortlich.
Für jede Anlage der passende Wechselrichter
Auf dem Markt ist eine Vielzahl von Solar-Wechselrichtern verfügbar – die Geräte lassen sich aber anhand dreier wichtiger Eigenschaften einteilen: Der Leistung, der DC-seitigen Auslegung und ihrer Schaltungstopologie.
1. Leistung
Die verfügbare Leistung beginnt bei zwei Kilowatt und geht bis in den Megawattbereich. Typische Leistungen sind 5 kW für private Hausdachanlagen, 10–20 kW für gewerbliche Anlagen (z. B. Hallen- oder Scheunendächer) und 500–800 kW für den Einsatz in Solar-Kraftwerken.
2. Modulverschaltung
Bei der DC-seitigen Auslegung geht es um die Verschaltung der Solar-Module mit dem Wechselrichter. Man unterscheidet hier zwischen String-, Multistring- und Zentral-Wechselrichtern wobei der Begriff „String“ für einen Strang in Reihe geschalteter Module steht. Multistring-Wechselrichter verfügen über zwei oder mehr String-Eingänge mit jeweils eigenem MPP-Tracker (Maximum Power Point) (s. u.). Sie sind besonders dann sinnvoll, wenn der Solar-Generator aus unterschiedlich ausgerichteten Teilflächen besteht oder teilweise verschattet wird. Zentral-Wechselrichter haben trotz größerer Leistung lediglich einen MPP-Tracker. Sie eignen sich hervorragend für Großanlagen mit homogenem Generator.
3. Schaltungstopologie
Bei der Schaltungstopologie unterscheidet man ein- und dreiphasige Wechselrichter sowie Geräte mit und ohne Transformator. Während in kleinen Anlagen meist einphasige Wechselrichter zum Einsatz kommen, müssen in großen Solar-Anlagen – bedingt durch die Schieflastgrenze von 4,6 kVA – entweder ein Verbund aus mehreren einphasigen Wechselrichtern oder dreiphasige Wechselrichter eingesetzt werden. Der Transformator hingegen dient der galvanischen Trennung (in einigen Ländern vorgeschrieben) und ermöglicht die Erdung der Solar-Module (für einige Modultypen notwendig). Wenn möglich, werden jedoch transformatorlose Wechselrichter eingesetzt. Sie sind etwas kleiner und leichter als Trafogeräte und verfügen über einen höheren Wirkungsgrad.
Die Aufgaben des Solar-Wechselrichters
Die Aufgaben eines Solar-Wechselrichters sind ebenso vielfältig wie anspruchsvoll:
1. Verlustarm umwandeln
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Wechselrichters ist sein Umwandlungswirkungsgrad. Er gibt an, welcher Anteil der in Form von Gleichstrom „hineingesteckten“ Energie als Wechselstrom wieder heraus kommt. Moderne Geräte erreichen Wirkungsgrade von rund 98 Prozent.
2. Leistung optimieren
Die Leistungskennlinie der Solar-Module ist stark abhängig von der Einstrahlungsstärke und der Modultemperatur – also von Werten, die sich im Tagesverlauf ständig ändern. Der Wechselrichter muss daher den optimalen Arbeitspunkt auf der Kennlinie finden und kontinuierlich halten, um in jeder Situation die höchste Leistung aus den Solar-Modulen „herauszuholen“. Der optimale Arbeitspunkt heißt Maximum Power Point (MPP), die Suche und Nachführung des MPP heißt entsprechend MPP-Tracking und ist für den Energieertrag einer Solar-Anlage äußerst wichtig.
3. Überwachen und sichern
Der Wechselrichter überwacht einerseits den Energieertrag der PV-Anlage und zeigt eventuelle Störungen an. Andererseits übernimmt er auch die Überwachung des Versorgungsnetzes, an das er angeschlossen ist. So muss er die Anlage bei einer Störung des Stromnetzes aus Sicherheitsgründen unverzüglich vom Netz trennen oder aber zur Netzstützung beitragen – je nach den Anforderungen des lokalen Netzbetreibers.
Zudem besitzt er meist eine Vorrichtung, die den Stromfluss von den Solar-Modulen sicher unterbrechen kann. Denn Solar-Module stehen bei Lichteinfall grundsätzlich unter Spannung, lassen sich also nicht abschalten. Trennt man die Kabelverbindung zum Wechselrichter im Betrieb, können gefährliche Lichtbögen entstehen, die aufgrund des Gleichstroms nicht verlöschen. Ist die Trennvorrichtung direkt in den Wechselrichter integriert, verringert das den Installations- und Verkabelungsaufwand deutlich.
4. Kommunizieren
Kommunikationsschnittstellen am Wechselrichter ermöglichen die Kontrolle und Überwachung sämtlicher Parameter, Betriebsdaten und Erträge. Über einen Netzwerkanschluss, einen Industrie-Feldbus wie etwa RS485 oder drahtlos über SMA Bluetooth® lassen sich die Daten abrufen und der Wechselrichter parametrieren. Meist erfolgt der Datenabruf durch einen Datenlogger, der die Daten mehrerer Wechselrichter sammelt, aufbereitet und auf Wunsch an ein Online-Datenportal überträgt (z. B. Sunny Portal von SMA).
5. Temperatur managen
Die Temperatur im Wechselrichter-Gehäuse hat ebenfalls Einfluss auf den Umwandlungswirkungsgrad. Steigt sie zu stark an, muss der Wechselrichter seine Leistung reduzieren. Unter Umständen kann die aktuell verfügbare Modulleistung dann nicht vollständig genutzt werden.
Die Temperatur wird einerseits durch den Montageort beeinflusst – ideal ist hier ein gleichmäßig kühles Umfeld. Andererseits hängt sie unmittelbar mit dem Betrieb des Wechselrichters zusammen: Selbst bei einem Wirkungsgrad von 98 Prozent fallen ja noch zwei Prozent an Verlusten an – und zwar in Form von Wärme. Bei einer Leistung von 10 kW beträgt die maximale Wärmeleistung immerhin 200 Watt. Wichtig ist daher eine effiziente und zuverlässige Gehäusekühlung, z. B. mit dem Kühlkonzept „OptiCool“ von SMA. Die thermisch optimal angeordneten Komponenten können ihre Wärme direkt an die Umgebung abgeben – gleichzeitig wirkt das gesamte Gehäuse als Kühlkörper. So arbeiten die Wechselrichter selbst bei Umgebungstemperaturen von bis zu 50 °C mit voller Nennleistung.
6. Schützen
Ein wetterfestes Gehäuse, im Optimalfall nach Schutzart IP65, ermöglicht die Außenmontage des Wechselrichters an beliebigen Orten. Der Vorteil: Je näher der Wechselrichter an den Modulen installiert werden kann, desto geringer ist der Aufwand bei der vergleichsweise teuren DC-Verkabelung.
Solarstromanlagen planen
Die fachkundige Planung und Auslegung der Anlage berücksichtigt bei der Auswahl und Verschaltung der Module zunächst die Bedingungen am Standort: Dachneigung, eventuelle Verschattung und natürlich die Ausrichtung. Höchste Erträge erreicht man in Deutschland bei einer Ausrichtung der Module nach Süden und einer Neigung von etwa 35 Grad.
Danach ist die Auswahl eines geeigneten Wechselrichters hinsichtlich Leistung und Technologie von entscheidender Bedeutung. Die Nennleistung des Solar-Generators darf dabei bis zu zehn Prozent über der Nennleistung des Wechselrichters liegen. Eine stärkere Unterdimensionierung des Wechselrichters wirkt sich hingegen negativ auf den Anlagenertrag aus, da der Wechselrichter bei hoher Einstrahlung einen Teil der angebotenen Modulleistung nicht mehr verarbeiten kann. Wichtig ist auch, dass die maximale DC-Spannung niemals die zulässige Eingangsspannung des Wechselrichters übersteigt – Schäden am Wechselrichter sind sonst nicht auszuschließen.
Grundsätzlich gilt: Fast jede Solarstromanlage ist ein Unikat und muss je nach Standort und Anforderungen individuell ausgelegt werden. Um Installateuren die Planung einer Anlage zu erleichtern, bieten Hersteller wie SMA professionelle Planungstools an. Mit der kostenlosen Software Sunny Design etwa kann der Solarteur seinem Kunden eine netzgekoppelte PV-Anlage nach Maß auslegen. Das Programm greift dazu auf eine Datenbank mit allen aktuellen PV-Modulen und hochaufgelösten Wetterdaten zurück. Es prüft die technischen Komponenten, dimensioniert Kabellängen und -querschnitte und führt auch eine wirtschaftliche Bewertung der Anlage durch. So steht einer optimal ausgelegten Solarstromanlage nichts mehr im Weg.