Wie funktionieren PV-Wechselrichter im Detail?

PV-Wechselrichter: Ein unterschätztes Multitalent?

Du willst Solarstrom nutzen? Aber nicht ohne Wechselrichter! PV-Wechselrichter sind unverzichtbar. Was sie alles können und wie sie funktionieren, kannst du hier nachlesen.

Inhalt des Blogartikels

• Warum braucht die PV-Anlage einen Wechselrichter?
• Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom: Was ist was?
• Der PV-Wechselrichter im Detail
• Diese Wechselrichtertypen gibt es
• Was solltest du beim Kauf beachten?

Warum braucht die PV-Anlage einen Wechselrichter?

Wenn du eine Photovoltaikanlage kaufst, um dein Haus mit sauberem Strom von der Sonne zu versorgen und gleichzeitig das Klima zu schützen, benötigst du zwangsläufig einen Wechselrichter.

Der Grund ist ganz einfach: Der von den Solarzellen produzierte Strom ist Gleichstrom. Deine Haushaltsgeräte vom Kühlschrank über Staubsauger bis hin zur Waschmaschine laufen nur mit Wechselstrom. Und hier kommt der PV-Wechselrichter ins Spiel. Er wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Doch der PV-Wechselrichter leistet noch viel mehr. Alles dazu erfährst du im nachfolgenden Text.

Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom: Was ist was?

Elektrischer Strom fließt, wenn sogenannte Ladungsträger (Elektronen, Protonen, Ionen) eine gerichtete Bewegung ausführen. Ist diese Bewegungsrichtung über die Zeit konstant, handelt es sich um Gleichstrom. Ändert sich hingegen die Bewegungsrichtung periodisch, dann ist es Wechselstrom.

Grundsätzlich könnte man auch Gleichstrom für die Starkstromtechnik einsetzen. Allerdings wären solche Gleichstromanlagen schwerer als Drehstrom- beziehungsweise Wechselstromanlagen und würden auch um einiges mehr kosten.

Wechselstrom

Weltweit hat sich in der Stromversorgung Wechselstrom (AC) durchgesetzt, weil man die angelegte Spannung über Transformatoren flexibel und verlustarm anheben beziehungsweise reduzieren kann. Dadurch lassen sich relativ einfach Kraftwerke, aber auch beispielsweise Photovoltaikanlagen, Elektroautos, Verteilnetze und stromintensive Firmen an das Übertragungsnetz anschließen.

Der Wechselstrom wird sukzessive über die verschiedenen Netzebenen hinweg herauf- oder heruntertransformiert, bis er bei dir im Haus mit 230 Volt zur Verfügung steht. In Deutschland beträgt die Wechselstromfrequenz 50 Hz. Das bedeutet, dass der Strom 50 Mal pro Sekunde die Polarität wechselt.

Gleichstrom

Nichtsdestotrotz ist Gleichstrom (DC) in jedem Haushalt allgegenwärtig. So arbeiten beispielsweise Ladegeräte für Smartphones, Tablets oder schnurlose Funktelefone sowie Computer, Smart-TVs oder LED-Leuchten intern mit Gleichspannung. Bevor du sie nutzen kannst, muss der Haushaltsstrom (230 Volt Wechselstrom) zuerst in Gleichstrom umgewandelt werden. Aus diesem Grund haben diese Geräte auch alle einen im Netzteil integrierten Transformator. Lediglich bei LED-Lampen ist dieser im Sockel eingebaut.

Generell sollte Gleichstrom ausschließlich im Niedervolt-Bereich genutzt werden. Aufgrund des fehlenden Phasenwechsels kann es bei höheren Spannungen nämlich passieren, dass du nach direktem Kontakt den Leiter nicht wieder loslassen kannst. Die Gefahr von Stromunfällen wäre somit sehr hoch.

Drehstrom

Weil es Material spart und sich Wechselstrom mit einem Wirkungsgrad von mindestens 99 Prozent transformieren lässt, verwendet man Dreiphasenwechselstrom, um ihn über die Stromleitungen bis zum Haus zu transportieren. Aus der Steckdose kommt jedoch in der Regel einphasiger Wechselstrom.

Elektroinstallateure achten darauf, dass alle 3 Phasen genutzt werden und verteilen die Verbraucher entsprechend. Deine Geräte hängen also nie alle nur an einer Phase. Der Dreh- oder Starkstrom ist dann interessant, wenn du beispielsweise eine hohe Leistung benötigst wie für die Herdplatte, eine Wärmepumpe oder die Wallbox zum Laden deines Elektroautos.

Der PV-Wechselrichter im Detail

Der Wechselrichter bestimmt wesentlich mit, wie effizient deine Solaranlage Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umwandelt. Je effizienter der Wechselrichter, desto größer der Solarertrag. Mittels MPP-Regler (Maximum Power Points) ermittelt das MPP-Tracking den idealen Arbeitspunkt. Auf diese Weise lässt sich der aktuelle Betriebspunkt der Solaranlage anpassen und durch kontinuierliche Regelung die Leistung der Photovoltaikanlage laufend maximal halten.

Zudem überwacht der PV-Wechselrichter ständig den Ertrag der Anlage und hält die Netzfrequenz stabil. Es gibt Photovoltaik-Wechselrichter, die mit einem intelligenten Energiemanagement ausgestattet sind. Dadurch ist es möglich, die Anlagenleistung je nach Wetterlage, Verschattung und Stromverbrauch im Haus zu optimieren.

Der PV-Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das aus Platinen, Transistoren und komplexen Schaltungen besteht. In seinen Aufgabenbereich fallen unter anderem:

• Leistungsoptimierung der Solaranlage
• Temperaturmanagement
• Anlagenüberwachung
• Netzüberwachung
• Kommunikation der einzelnen Komponenten
• Sicherheit

Kommunikation und Sicherheit

Über eine Kommunikationsschnittstelle ist der PV-Wechselrichter mit den wesentlichen Komponenten der Photovoltaikanlage verbunden. Über diese Schnittstelle kann er Spannung, Stromstärke sowie aktuelle Solarleistung überprüfen und somit schnell Störungen erkennen. Ist der PV-Wechselrichter mit einem Datenlogger ausgestattet, kann er alle Daten an Online-Datenportale oder Energiemanagementsysteme weiterleiten. Du kannst dann von überall aus mit deinem Smartphone oder Laptop die Daten deiner Solaranlage einsehen.

Erhöht sich die Temperatur im Wechselrichtergehäuse zu sehr, kann es zu einer Überhitzung kommen. Um das zu verhindern, verfügen Wechselrichter über eine Kühlung.

Meist ist auch eine DC-Trennvorrichtung vorhanden. Mit ihr lässt sich der Stromfluss zwischen einzelnen Solarmodulen selbst während des Betriebs unterbrechen. Dies ist gerade für Wartungsarbeiten von Bedeutung, denn das jeweilige Modul muss nicht extra verdunkelt werden, um daran arbeiten zu können.

Wirkungsgrad von Wechselrichtern

Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent des Solarstroms nach der Umwandlung durch den Wechselrichter tatsächlich nutzbar sind. Dieser maximale Wirkungsgrad wird jedoch nur unter optimalen Bedingungen erreicht. Das schmälert seine Aussagekraft insofern, weil der Photovoltaik-Wechselrichter nicht über das komplette Jahr volle Leistung liefern kann.

Bei neuen Wechselrichtern liegt er bei 96 (mit Trafo) bis 98 Prozent (ohne Trafo). Realistischer ist der europäische Wirkungsgrad, denn er berücksichtigt auch die am jeweiligen Standort typischen Wetterbedingungen.

Lebensdauer eines Wechselrichters

Hersteller geben für Wechselrichter eine Lebensdauer um die 15 Jahre an. Bei einer Betriebszeit der Photovoltaikanlage von 20 Jahren und mehr kann es daher durchaus sein, dass du den PV-Wechselrichter einmal austauschen lassen musst. Es lohnt sich deshalb, beim ersten Kauf auch einen Blick auf die Lebenserwartung zu werfen.

Um die Lebensdauer zu erhöhen, hilft es, den Wechselrichter großzügig zu dimensionieren und ihn an einem kühlen, trockenen und gut belüfteten Standort zu montieren, beispielsweise im Keller, Technikraum oder in der Garage.

Ein- und dreiphasige Wechselrichter

Dreiphasige Wechselrichter werden am häufigsten verbaut, weil so eine gleichmäßige Einspeisung in das Stromnetz möglich ist. Einphasige Wechselrichter sind allerdings günstiger. Der Eigenverbrauch ist inzwischen aber wesentlich bedeutender als die Netzeinspeisung.

Wie bereits oben erwähnt, werden meist alle 3 Stromphasen, die an deinem Haus ankommen, genutzt – wobei an jeder Phase verschiedene Geräte angeschlossen sind. Lässt du einen einphasigen PV-Wechselrichter einbauen, musst du dich für eine Phase entscheiden, an die der Wechselrichter angeschlossen werden soll. Deshalb können ausschließlich die Geräte mit Solarstrom betrieben werden, die ebenfalls genau an dieser Phase angebunden sind. Daher kann es – je nachdem, an welchen Phasen deine Geräte hängen – zu beträchtlichen Eigenverbrauchs-Einbußen kommen.

Diese Wechselrichtertypen gibt es

Passend für den jeweiligen Einsatzbereich und die verschiedenen Anforderungen gibt es auch verschiedene Wechselrichter.

Stringwechselrichter

Am meisten werden Stringwechselrichter verbaut. Hierbei laufen mehrere Strings (Reihenschaltung mehrerer Module) in einem Wechselrichter zusammen. Dadurch nehmen Verschattungen oder auch verschiedene Ausrichtungen der Module weniger Einfluss. Stringwechselrichter sind relativ günstig und werden bevorzugt bei kleineren PV-Anlagen verwendet.

Multistring-Wechselrichter

Dieser Wechselrichtertyp kommt vor allem bei größeren Photovoltaikanlagen zum Einsatz. Vorteilhaft ist, dass mehrere MPP-Tracker genutzt werden, um für jeden einzelnen String den optimalen Arbeitspunkt zu ermitteln.

Modulwechselrichter

Einsatzbereiche für diese Wechselrichter sind bevorzugt Mini-Solaranlagen und Balkon-PV-Anlagen. Jedes einzelne Solarmodul verfügt über einen eigenen Wechselrichter.

Zentralwechselrichter

Zentralwechselrichter wurden speziell für Großanlagen ab etwa 30 Kilowatt Peak entwickelt, bei denen Ausrichtung und Neigung der Solarmodule nahezu gleich sind. Sie erreichen hohe Wirkungsgrade. Tritt allerdings eine Störung auf, fällt die komplette Anlage aus.

Hybridwechselrichter

Hybridwechselrichter (Batteriewechselrichter) verfügen über eine integrierte Batterie, um den Solarstrom zwischenzuspeichern. Das hat den Vorteil, dass sie bei einem Stromausfall das Haus als Notstromsystem weiter mit Solarstrom versorgen.

Was solltest du beim Kauf beachten?

Die Preise für Wechselrichter liegen normalerweise zwischen 1.000 und 2.500 Euro. Die Auswahl ist groß und macht die Entscheidung für das richtige Gerät sicher nicht leicht.

Kaufst du eine Photovoltaik-Komplettanlage, ist in der Regel der passende PV-Wechselrichter dabei. Stellst du jedoch deine Solaranlage selbst zusammen, kaufe unbedingt Markenprodukte und achte darauf, dass das Gerät das europäische CE-Zeichen trägt und möglichst über eine selbsttätige Freischaltung (ENS) nach VDE 0126 verfügt. Zudem sollte der PV-Wechselrichter die Normung DIN IEC 77 aufweisen. Ein Spannungsrückgangsschutz ist ebenfalls wichtig.

Der PV-Wechselrichter ist quasi das Herz deiner Photovoltaikanlage, daher solltest du hier nicht mit dem Sparen anfangen, sondern auf Qualität setzen.