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Ratgeber

Da der mit Solar –oder (PV) Photovoltaikanlagen erzeugte Strom Gleichspannung hat, muss diese in Wechselspannung umgewandelt werden, um den Strom ins Netz einzuspeisen oder für Verbraucher nutzen zu können.

Hinweis

Gleichspannung (DC)
Von Gleichspannung spricht man wenn der Wert einer elektrischen Spannung sich über einen, zeitlich gesehen, längeren Abschnitt gleich bleibt und nicht verändert. Die Spannung hat stets dasselbe Vorzeichen, also die Polarität ändert sich nicht.

Wechselspannung (AC)
Bei dieser Spannungsart ändert sich die Polarität periodisch.
Die Spannung unseres Stromnetzes ist ebenfalls eine Wechselspannung, daher trifft man alltäglich auf diese Spannungsform. Herkömmliche Stromverbraucher, wie beispielsweise Haushaltsgeräte, benötigen Wechselstrom.

Überblick

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Da der Wechselrichter ein zentraler Teil einer Solarstromanlage ist, ist der Wirkungsgrad & Effektivität der gesamten Anlage vom Wirkungsgrad des Wechselrichters abhängig. Treten zu große Umwandlungsverluste auf, kann die Anlage nicht rentabel betrieben werden. Der Wirkungsgrad sollte mindestens bei 97% liegen.

Funktionen und Anforderungen – Solar Wechselrichter

Umwandlung

Photovoltaik –oder Solarmodule produzieren Gleichstrom (DC) diese wird durch einen Spannungswandler (Wechselrichter) in Wechselstrom mit 50Hz 230 V (AC) oder in dreiphasigen Drehstrom umgewandelt, um die Energie überhaupt verwenden zu können. Haushaltsübliche Steckdosen haben eine Netzspannung von 230V.

Optimierung

Eine der Aufgaben von Solar Wechselrichter ist die optimale Leistung aus den Solarmodulen zu generieren und diese in einem idealen Wirkungsbereich zu betreiben. Die Leistung der Module ist nicht nur von der Sonneneinstrahlung (Intensität etc.) abhängig, sondern auch von der Stromstärke und –spannung. Diese Abhängigkeit ergibt den MPP den Maximum Power Point, jenen Punkt an dem das Modul die höchste Leistung erbringt. Um bei Änderungen der Einstrahlung weiterhin das Potential der Module ausschöpfen zu können, muss der MPP ständig angepasst werden. Diese Funktion übernimmt normalerweise ein integrierter MPP Tracker.

Überwachung

Zusätzlich zu den oben genannten Aufgaben überwacht der Wechselrichter die Funktion des Generators und zeigt Störungen an. Auswertungen über den Energieertrag können oftmals direkt am Gerät abgelesen werden oder werden extern angezeigt.
Darüber hinaus überprüft ein Solar Wechselrichter die Grenzwerte des Stromnetzes in das eingespeist wird. Werden Spannungs –oder Frequenzwerte über –oder unterschritten wird aus Gründen der Sicherheit die Leitung getrennt.

Zuverlässigkeit

Da Photovoltaik –und Solaranlagen auf viele Jahre ausgelegt sind, werden auch hohe Ansprüche auf die Langlebigkeit der Solar Wechselrichter gestellt. Die empfindliche Elektronik der Wechselrichter muss vor Witterung und Verschleiß geschützt werden. Ein wichtiger Punkt ist die einwandfreie Kühlung bzw. Wärmeabfuhr aus dem wasserundurchlässigen Schutzgehäuse.

  • Umwandlung der Stromspannung
  • Wichtiger Faktor für den Gesamtwirkungsgrad

Die Wahl des richtigen Solar Wechselrichters – Berechnungsgrundlagen & Auslegung

Die Wahl des richtigen Spannungswandlers/ Wechselrichters ist essentiell für die Wirtschaftlichkeit der PV –o. Solaranlage. Folgende Punkt sollten demnach berücksichtigt werden, sollten Fragen offenbleiben wenden Sie sich an einen Fachmann.

Entscheidende Werte – Leistung & Spannung

Grundlage für die Auswahl ist die Leistung, Spannung und Anzahl der verwendeten Solarmodule, sowie die Leistung des Generators. Die Gleich –und Wechselspannungsleistung des Solarwechselrichters muss dem Wert der summierten Generatorleistung entsprechen.

Die Solarmodule arbeiten in einem bestimmten Spannungsbereich. Hierbei sind zwei Werte hervorzuheben – den UOC (Leerlaufspannung), und den UMPP (Nennspannung). In diesem Spannungsbereich muss der Wechselrichter ebenfalls betrieben werden können.

Neben den zuvor genannten Punkten hat der Temperaturkoeffizient der Module ebenfalls Einfluss auf den Wechselrichter. Steigt die Temperatur der Module sinkt die Spannung, sinkt die Temperatur steigt die Spannung.

Berechnungsbeispiel

Typen von Solar Wechselrichter

Die Auswahl des passenden Solarwechselrichters ist vorwiegend vom Leistungsbereich der Photovoltaik –oder Solaranlage abhängig. Faktoren wie Anzahl und Leistung der Module sind entscheidend, um einen optimalen Betrieb des Wechselrichter zu erzielen.

Unterscheidung nach Ausgangsspannung

Nach der Ausgangsspannung können Solar Wechselrichter ebenfalls unterschieden werden. Grundsätzlich werden hier Geräte mit einer sinusförmigen von Modellen mit einer treppenförmigen (oder trapezförm.) Ausgangsspannung unterschieden.

Erstgenannte Wechselrichter, auch als Sinuswechselrichter bekannt, haben den Vorteil, dass fast alle Geräte problemlos damit betrieben werden können, da der Spannungsverlauf dem der Netzspannung nahezu ident ist. Jedoch sind diese Modell etwas teuer. Zudem benötigt ein Sinuswechselrichter etwa 1-2% der Nennleistung nur für die Bereitstellung der Ausgangsspannung. Dieser zusätzliche Aufwand oder Verlust muss berücksichtigt werden.

Demgegenüber sind Solar Wechselrichter mit treppenförmig ausgehender Spannung schaltungsmäßig einfacher zu integrieren und erzielen höhere Wirkungsgrade. Bei manchen Endverbrauchern kann es, aufgrund der Anbindung, zu Schwierigkeiten kommen. Verbraucher, die zur Versorgung interner Schaltungskreise einen Kondensator und keinen Trafo verwenden, könnten sogar beschädigt werden.

Beispiel: Solarwechselrichter von Voltronic®

Beispiel: Solarwechselrichter von Voltronic®

Unterscheidung nach Installation

  • Modulwechselrichter
    Pro Solarmodul wird ein separater Wechselrichter mit einer Phase angeschlossen. Eine Verkabelung für die Leitung des Gleichstroms zwischen den Solarmodulen entfällt. Diese Variante wird oftmals bei Anlagen mit unterschiedlich ausgerichteten Modulen oder verschieden genutzten Feldern eingesetzt.
  • Strangwechselrichter
    Ein–oder dreiphasiger Solar Wechselrichter der den Strom eines Strangs oder weniger gebündelten Stränge von Modulen direkt in das Stromnetz leitet.
  • Multistrangwechselrichter
    Ähnlich wie ein Strangwechselrichter mit zusätzlichem MPP Trackerfür mehrere unterschiedliche Stränge von Solarmodulen.
  • Zentralwechselrichter
    Wird vorwiegend bei großen modularen Anlagen mit Leistungen über 100kW eingesetzt.
  • Hybridwechselrichter
    Ein sogenannter Hybridwechselrichter ist eine Kombi aus normalen Wechselrichter und internem/ externem Akkumulatoren für die Speicherung. Durch diese Integration wird eine störungsfreie Stromversorgung bestmöglich ohne Ausfälle angestrebt und eine „konstante“ Netzeispeisung erzielt.


Weitere Unterscheidung

  • Solar Wechselrichter mit Transformator
    Der Transformator übernimmt die Trennung von DC und AC, dadurch treten keine Wechselspannungspotentiale innerhalb der Anlage auf. Diese Trennung ist in einigen Ländern vorgeschrieben. Zur optimalen Ausnutzung wird der Solarwechselrichter oftmals auch als Eingangswandler genutzt, damit ein Zwischenkreis gespart werden kann und der Wirkungsgrad erhöht wird, jedoch wird der optimale Wirkungsbereich verkleinert. Hierbei spricht man auch von Direkteinspeiser.
  • Solar Wechselrichter ohne Transformator
    Bei diesen Modellen ist eine elektr. Verbindung zwischen Ein –und Ausgangsseite vorhanden. Da kein Transformator verwendet wird, können höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Da die Trennung zwischen DC und AC fehlt, besteht ein Sicherheitsrisiko und es kommt leichter zu Verlusten. Hierfür muss vorgesorgt werden.

Betrieb von Solar Wechselrichter

Neben dem herkömmlichen Betrieb von Solar Wechselrichter innerhalb einer Inselanlage mit 230 V Installation gibt es noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten.

Einzelwechselrichter

Bei eher kleineren 230 V Verbrauchern, wie Ladegeräten, mobile Geräte oder Haushaltselektronik ist ein einzelner Wechselrichter bis 150W Ausgangsleistung völlig ausreichend. Diese müssen nicht fest installiert werden. Dabei ist es von geringer Bedeutung ob der Solarwechselrichte eine sinusförmige oder treppenförmige Ausgangsspannung vorweist, hier kann man auch zu den günstigeren Modellen mit treppenförmiger Spannung greifen.
Empfehlenswert sind Geräte, die ohne Kühlventilator auskommen, da die Lärmbelästigung nicht zu vernachlässigen ist.

Mehrere Wechselrichter

Der Einsatz von mehreren Solar Wechselrichter kann bei größeren Anlagen durchaus Sinn machen. Die 230V Installation kann so in mehrere voneinander unabhängige Kreise aufgeteilt und mit einem eigenem Wechselrichter ausgestattet werden. Dadurch können günstigere Solarwechselrichter mit geringerer Ausgangsleistung eingesetzt werden.

Netz-Parallel-Betrieb

Die meisten Solar Wechselrichter mit Batterie sind nur für ein Inselnetz ausgelegt und können nicht parallel mit anderen Spannungsquellen oder dem öffentlichen Stromnetz betrieben werden.
Es gibt jedoch auch Modelle, die am Ausgang parallel mit dem öffentl. Netz betreiben werden können und die Regelung der Batterieladung übernehmen.

Inselbetrieb

Ausschlaggebend für die Wahl des Solarwechselrichters in Inselbetrieb ist die max. Leistung. Wenn mehrere Solar Wechselrichter geschalten werden, bedarf es einer zusätzlichen Steuerung zur Abstimmung mit den Energieerzeugern und –speicher.
Kleinere Anlagen werden oftmals inklusive Batteriespeichersystemen verkauft.

Sicherheitsmaßnahmen

Folgende Maßnahmen sollten bei einer Stromversorgung bei der sowohl Kleinspannung, als auch 230V Netzspannung auftreten, beachtet werden.

  1. Eindeutige Trennung der Stromkreise mit Kleinspannung und der Kreise mit 230V Netzspannung. Doppelte Isolation der Leiterkabel ist eine Mindestvoraussetzung. Verwenden Sie auf jeden Fall unterschiedliche Steckdosen für die verschiedenen Spannungskreise.
  2. Bei großen 230V Installationen ist eine mit einem FI Schalter verbundene Nullleitung, sowie eine Erdung vorzusehen.
  3. Umfasst die angeschlossene Installation nur wenige Steckdosen kann der Wechselrichter als Trenntrafo verstanden werden.

Der Solar Wechselrichter ist ein wichtiger Bestandteil einer Photovoltaik –bzw. Solaranlage und ist für die Einspeisung der gewonnen elektrischen Energie unumgänglich. Dennoch gibt es Einschränkungen, die man im alltäglichen Leben berücksichtigen sollte. Aufgrund der Leistungsverteilung bei einem Solar Wechselrichter kann es zeitweise zu Ausfällen von elektronischen Geräten im Haushalt kommen. Wird beispielsweise ein Gerät, das einen hohen Einschaltstromstoß benötigt (z.B. ein Staubsauer), eingeschaltet, kann es dazu kommen, dass der Solarwechselrichter nicht liefern kann und aus Eigenschutz die Spannung reduziert. Dieser Umstand kann ausreichen, um beispielsweise einen PC abstürzen zu lassen.

Ein wichtiger Punkt beim Betrieb einer Solar –oder Photovoltaikanlage ist der wachsende Verbrauch von Elektrogeräten. Die Erfahrung zeigt, dass heutzutage immer mehr Stromverbraucher in den Haushalt integriert werden bis die Grenzen der Anlagen überschritten werden.

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