Welcher Wechselrichter ist der Richtige?

Nachdem die ersten beiden Beiträge des PV-KnowHow Blogs sich mit der Frage beschäftigt haben wie man die korrekten Maße eines Daches erhalten kann und wie man dann aus der resultierenden Dachskizze mit Hilfe von Google Sketchup ein 3D Modell des Gebäudes anfertigen kann, soll es nun darum gehen, wie man die auf dem Dach platzierten Solarmodule an einen Wechselrichter anschließen kann und wie man den passenden Wechselrichter findet.

Für alle die, die noch gar nicht wissen was ein Wechselrichter ist hier zunächst eine kurze Erklärung:

Die Solarmodule liefern eine Gleichspannung und einen Gleichstrom. Die Höhe der Spannung die ein Modul erzeugt hängt im Wesentlichen von der Anzahl der Solarzellen ab, die sich auf dem Modul befinden(bei einem typischen Modul mit 72 5Zoll Zellen beträgt die Spannung im Betrieb ca. 34V) und die Stromstärke hängt im wesentlichen von der Größe der Zellen (4”, 5” oder 6” Zellen werden typischer Weise in Zoll vermessen.) und der Einstrahlung in W/m² (Watt pro Quadratmeter) ab. Da sämtliche Verbraucher die man in Deutschland kaufen kann üblicherweise für eine Wechselspannung von 230 V ausgelegt sind ist es notwendig, den erzeugten Solarstrom aufzubereiten. Hierbei sind zwei Umwandlungen notwendig:

  1. Die Spannung muss an die 230 V angepasst werden. Dies geschieht entweder durch eine Reihenschaltung der einzelnen Module bzw. durch eine Anpassung im Wechselrichter.
  2. Aus dem Gleichstrom muss ein Wechselstrom geformt werden. Dies ist die Kernaufgabe des Wechselrichters

Wer sich für weitere Details interessiert sei an den entsprechenden Eintrag in Wikipedia oder das Photovoltaikwiki verwiesen.

Die erste Frage die sich stellt, ist die nach dem richtigen Wechselrichter für das untersuchte Dach. Es gibt ja eine Reihe verschiedener Wechselrichter, die sich nicht nur dadurch unterscheiden, dass sie von verschiedenen Herstellern produziert werden. Es kommen zum Teil sehr unterschiedliche technische Konzeptionen zum Einsatz, die spezielle Anforderungen erfüllen. Die wichtigste Größe bei jedem Wechselrichter ist der Wirkungsgrad. Das ist letztendlich ein Maß dafür wie viel Prozent der von den Solarmodulen gelieferten Sonnenenergie in Wechselstrom umgewandelt werden, und welcher Teil davon im Wechselrichter verloren geht. Die Verluste machen sich dadurch bemerkbar, dass sich ein Wechselrichter im Betrieb erwärmt. Dieser Wirkungsgrad ist jedoch leider keine konstante Größe, sondern er hängt von vielen Faktoren ab wie etwa der aktuell übertragenen Leistung, der Höhe der Gleichspannung am Wechselrichtereingang und der Temperatur des Gerätes. Auf den Datenblättern der Geräte findet man daher in aller Regel mehrere Angaben zum Wirkungsgrad. Zum einen wird der maximale Wirkungsgrad angegeben. Das ist der Wert, den man im Labor bei einer ganz bestimmten Konstellation zwischen Eingangsspannung, Leistung und Temperatur erreicht, bei der die Verluste bezogen auf die aktuelle Leistung minimal sind. Für die Praxis hat dieser Wert nur eine eingeschränkte Bedeutung, da die Einstrahlung und damit die Leistung im Verlauf eines Tages sich ständig ändert. Man hat dementsprechend auch einen sich ständig ändernden Wirkungsgrad. Man hat sich daher darauf geeinigt einen Wirkungsgrad zu definieren, der sich aus den Wirkungsgraden bei verschiedenen Leistungen (Einstrahlungen) zusammensetzt. Welche Leistung in diesem “mittleren” Wirkungsgrad wie gewichtet wird richtet sich nach der Einstrahlungsverteilung an einem europäischen Referenzstandort. Dieser Wirkungsgrad heißt dementsprechend auch der “europäische Wirkungsgrad”. Dieser Wert hat mit dem praktischen Betrieb einer Solarstromanlage an einem europäischen Standort schon wesentlich mehr zu tun als der maximale Wirkungsgrad und gibt einen recht guten Anhaltspunkt über die Leistungsfähigkeit eines Gerätes.

Die Definition des Europäischen Wirkungsgrades:

0,03 x h5% + 0,06 x h10% + 0,13 x h20% + 0,1 x h30% + 0,48 x h50% + 0,2 x h100% (h5% = Wirkungsgrad bei 5% Nennleistung usw.)

Wo entstehen die Verluste in einem Wechselrichter ?

ein Wechselrichter ist sozusagen die Schaltzentrale einer jeden Photovoltaikanlage. Hier wird nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt sondern der Wechselrichter bildet auch “das Gehirn” der Photovoltaikanlage. Der Wechselrichter muss feststellen wenn es draußen hell wird und ab wann mit der Einspeisung der Energie begonnen werden kann. Er muss erkennen ob ein Wechsel- oder Drehstromnetz vorhanden ist und ob alle Parameter des Netzes wie Spannung Frequenz und Netzimpedanz sich in einem bestimmten Toleranzbereich befinden. Er muss dafür sorgen, dass dem Solargenerator auf dem Dach immer die maximal mögliche Energie entnommen wird, egal wie groß die Einstrahlung oder die Temperatur auf dem Dach gerade sind. Diese Regelung zum Auffinden des Punktes Maximaler Leistung nennt man im Fachjargon MPP-Tracking (MPP steht hier für Maximum Power Point). Er wird in Zukunft noch zusätzliche Fähigkeiten bekommen, wie intelligentes Netzmanagement, Regelung der Einspeiseleistung ferngesteuert durch den Netzbetreiber, Blindleistungslieferung und natürlich Aufzeichnung und Weitergabe seiner eigenen Betriebsdaten. Alle diese Aktivitäten verschlingen natürlich Energie und sind ein Teil der Verluste. Ein weiterer Teil entsteht durch sogenannte Ohmsche Verluste. Das sind die ganz normalen Verluste die immer entstehen, wenn ein Strom durch eine Leitung fließt. Bei Wechselrichtern mit Transformator kommen noch die Umwandlungsverluste im Trafo dazu, die sich wiederum aus Ohmschen Verlusten in der Trafowicklung und Ummagnetisierungsverlusten im Kern des Transformators zusammensetzen. Und schließlich gibt es noch die Schaltverluste in den Leistungshalbleitern des Wechselrichters, die bei jedem Schaltvorgang entstehen.

Um den richtigen Wechselrichter zu finden sollte man sich zunächst folgende Fragen beantworten:

1. Soll die Photovoltaikanlage mit einem oder mit mehreren Wechselrichtern arbeiten ?

Argumente für einen Wechselrichter:

  • Ein großer Wechselrichter ist meist preisgünstiger als mehrere Kleine.
  • Ein Zentralwechselrichter nimmt oft weniger Platz weg als viele Stringwechselrichter
  • der Verdrahtungsaufwand bei der Montage ist etwas geringer

Argumente für viele kleine Wechselrichter:

  • Bei einem Wechselrichter hat man eine geringe Redundanz. Wenn der Wechselrichter eine Störung hat steht gleich die gesamte Anlage. Hat man mehrere kleine Wechselrichter ist immer nur ein Teil der Anlage von einer Störung betroffen.
  • Die kleinen Stringwechselrichter können in der Regel an der Wand montiert werden und können entsprechend dort platziert werden, wo sie nicht im Weg sind.
  • Bei einem Defekt ist ein Wechselrichtertausch unkompliziert zu erledigen. Bei größeren Zentralwechselrichtern muss in der Regel das Serviceteam des Herstellers anrücken.
  • Sind an einem Wechselrichter nur wenige Stränge angeschlossen, können Fehler in einzelnen Strängen schneller bemerkt werden. Man kann meist auch die einzelnen Wechselrichterleistungen direkt miteinander vergleichen.

Was man noch bedenken sollte:

  • Ab einer Wechselstromleistung von 4,6kW muss der Wechselrichter mehrphasig einspeisen.
  • Oft ist es auch eine Platzfrage ob man überhaupt einen großen (Zentralwechselrichter) aufstellen kann oder ob man mehrere kleine Wechselrichter montiert, die auch nicht zwingend alle am selben Ort montiert werden müssen.

2. Ist das Dach groß und verschattungsfrei oder gibt es mehrere Teildachflächen mit eventuell sogar unterschiedlichen Dachneigungen ?

Trafolose Wechselrichter ohne elektronische Spannungsanpassung.

trafolose Zentralwechselrichter vom Typ Kaco 30000xi

Zentralwechselrichter von SMADie höchsten Wirkungsgrade werden mit trafolosen Wechselrichtern erreicht, denn wo es keinen Trafo gibt können in dem Trafo auch keine Verluste entstehen. Mit trafolos meine ich hier zunächst Geräte, die nur eine Umwandlung der Spannung von einer variablen Gleichspannung in eine nahezu konstante Wechselspannung (die Netzspannung) durchführen und vorher keine Spannungsanpassung auf der Gleichspannungsseite (DC Seite Direct Current) erfolgt.  Typische Vertreter dieser Gattung sind die Geräte von SMA, Typ SMA SMC 6000-11000TL oder die Kaco Powador xi Geräte.    Diese Gerätegattung sollte immer dann die erste Wahl sein, wenn man sich für Stringwechselrichter entschieden hat und eine große verschattungsfreie Dachfläche zur Verfügung steht. Der hohe Wirkungsgrad wird nämlich durch ein relativ enges Spannungsfenster auf der DC-Seite des Wechselrichters erkauft, da die Spannung ja immer – auch im ungünstigsten Fall: diesiges trübes Wetter und sehr hohe Modultemperaturen – noch eine Spannung erreichen muss, die größer als die Netzspannung ist. Die Spannung die von den Solarmodulen kommt muss daher mindestens 230V*SQRT(2)= 325V betragen. Daher haben diese Geräte in der Regel Mindesteingangsspannungen zwischen 330V-350V.

trafolose SMA Wechselrichter vom Typ SMC 6000 TL

Auf der anderen Seite wird die maximal mögliche Spannung des Solargenerators nach oben durch die Spannungsbelastbarkeit der Eingangskondensatoren der Wechselrichter begrenzt und liegt in der Regel zwischen 700-850V. Man kann diese Wechselrichter daher nur einsetzen, wenn man eine Mindestzahl von Modulen in Reihe schalten kann (das Dach muss also eine gewisse Mindestgröße haben) . Außerdem müssen die Stränge natürlich pro Wechselrichter immer die gleiche Anzahl an Modulen enthalten. Es kann hier also durchaus etwas Tüftelarbeit notwendig sein um eine sinnvolle Auslegung zu erreichen. Berücksichtigt man noch dazu, dass die Wechselrichter meist nicht über den gesamten zulässigen Eingangsspannungsbereich auch Ihren maximalen Wirkungsgrad haben wird die Sache zusätzlich kniffelig.

Trafolose Wechselrichter mit elektronischer Spannungsanpassung

Viel einfacher wird die Auslegung des Wechselrichters wenn man auf ein Gerät zurückgreift, das vor dem eigentlichen Wechselrichter noch einen vorgeschalteten DC-DC Wandler enthält. Das ist im Prinzip eine Spannungsanpassung ähnlich wie bei einem Transformator nur, dass aus einer variablen niedrigen Gleichspannung in der Regel auf elektronischem Wege eine hohe konstante Gleichspannung erzeugt wird und das hier im Gegensatz  zum Transformator die galvanische Trennung fehlt. Diese Spannungsanpassung ermöglicht nun eine sehr viel größere Flexibilität bei der Auslegung des Solargenerators. Die Wechselrichter haben oft einen Eingangsspannungsbereich der sich von 125V bis zu 800V erstreckt. Aber wie immer gilt natürlich auch hier, dass man sich die größere Flexibilität mit einem etwas niedrigeren Wirkungsgrad erkauft.

3. Welcher Modultyp soll eingesetzt werden ?

Wechselrichter mit Hochfrequenztransformator vom Typ Fronius-IG-60

Es gibt bestimmte Modultypen, die eine galvanische Trennung zwischen Solargenerator und dem Stromnetz zwingend vorschreiben. Dazu zählen insbesondere Dünnschichtmodule bei denen es ohne die galvanische Trennung in einigen Fällen zu sogenannter TCO Korrosion gekommen ist. Das heißt die transparent leitfähige Schicht der Module wurde durch eine unzulässige Spannung zwischen Solarmodulrahmen und Solarzelle zerstört. Um dies zu vermeiden müssen die Minuspole der Modulstränge in diesen Anlagen oft geerdet werden. Dadurch wird dann allerdings der Einsatz eines trafolosen Wechselrichters unmöglich gemacht.

Ein zweiter Fall ist der bei den Hochleistungsmodulen von Sunpower auftretende Polarisationseffekt, der immer dann auftritt wenn man den Pluspol der Solargeneratorstränge nicht mit Erdpotential verbindet. Auch das ist natürlich nur mit einem Trafowechselrichter möglich.

4. Sollen Module auf unterschiedlichen Dächern mit unterschiedlicher Ausrichtung mit nur einem einzigen Wechselrichter ins Netz einspeisen ?

 

Trafoloser Multistring Wechselrichter vom Typ SMA SunnyBoy-5000TLDiese Anforderung ist nur mit sogenannten Multistringwechselrichtern zu erfüllen. Diese Wechselrichtergattung besteht aus mehreren DC-DC Stufen (elektronischen Gleichspannungswandlern), die jeweils einen oder mehrere Solarmodulstränge bedienen. Diese DC-DC Stufen speisen alle in einen gemeinsamen sogenannten Gleichspannungszwischenkreis. Aus diesem Gleichspannungszwischenkreis speist dann wieder ein ganz “normaler” Wechselrichter ins Netz ein. Typische Vertreter dieser Gattung sind die Wechselrichter von SMA vom Typ SMASB4200TL und 5000TL sowie der Zentralwechselrichter von Solutronic oder die Geräte von Danfoss.

5. Ist die Photovoltaikanlage größer als 4,6kW groß und soll mit nur einem Wechselrichter betrieben werden?

In diesem Fall muss man auf einen Drehstromwechselrichter zurückgreifen, der die erzeugte Solarleistung gleichmäßig auf alle drei  Netzphasen verteilt. Die Wechselrichter von Kostal wären hier als Beispiel zu nennen. Eine Zwischenlösung bieten hier noch zweiphasige Wechselrichter. Das sind im Prinzip zwei einphasige Geräte, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Der östereichische Hersteller Fronius hat solche Geräte im Programm.

Wechselrichterstation mit mehreren Stringwechselrichtern

Wenn man diesen Fragekatalog sorgfältig durchgegangen ist, dürfte man dem in Frage kommenden Wechselrichter schon ein erhebliches Stück näher gekommen sein. Im nächsten Durchgang gilt es dann – wenn der Wechselrichter ausgewählt wurde – die genaue Auslegung durchzuführen und festzulegen, wie viele Module in Reihe geschaltet werden sollen, wie viele Stränge man bilden möchte und wie diese dann mit dem Wechselrichter verbunden werden sollen.

Das wird Thema des nächsten Beitrags sein …

Kommentare

  1. Hallo,

    die Blogs zur Wechselrichter Auslegung und Teilverschattung haben mich gefesselt. Aus jetziger Sicht würde ich meine Anlage anders planen. Mich beschäftigen jedoch noch 3 Fragen, ich hoffe sie können diese erläutern.

    1. Auslegung von Zentral Wechselrichtern: nach meinem Verständnis werden an einem Zentralwechselrichter (1x mpp Tracker) mehrere parallele Modul-Strings angeschlossen. In einem String addiert sich die Spannung, in den parallel geschalteten Strings der Strom. Mir ist völlig unverständlich wie der Tracker den optimalem mpp findet? Was passiert bei einer Teilverschattung einiger Module? Ist dieses System nicht ineffizient?

    2. Es gibt String Wechselrichter mit 1x mpp Tracker, jedoch mit mehreren String Eingängen. Wie funktionieren diese WR?

    3. Wie viele Wechselrichter 3 oder 1 phasig (Generatorleistung) kann man max. im Niederspannungsnetz an einem Einspeisepunkt anschließen? Ab welcher Leistung muss ich mit einem Trafo ins Mittelspannungsnetz einspeisen?

  2. Hallo Gerd,

    zur Frage 1: Der Tracker findet im idealen Fall den MPP des Gesamtgenerators. Der ist natürlich in aller Regel niedriger als die Summe der MPPs der Teilstränge. Es kommt daher- wie Sie vermutet haben- zu einer Fehlanpassung. Der einzige Vorteil von Zentralwechselrichtern ist der günstigere Preis. Da diese Wechselrichter in aller Regel in großen Freilandanlagen ohne Verschattungsproblematik arbeiten, ist der Effekt natürlich nicht so groß wie bei einem Hausdach mit Gaupe oder schattenwerfendem Schornstein.
    zu Frage 2. Diese Wechselrichter funktionieren genau wie Zentralwechselrichter. Bei SMA heißen sie sogar auch so: SMC für Sunny Mini Central.
    zu Frage 3. Das hängt von der Kurzschlussscheinleistung der nächstgelegenen Trafostation ab und von den Kabelquerschnitten von dieser Trafostation zum Einspeisepunkt. Wie diese Netzprüfung zu erfolgen hat ist in der VDE Anwendungsregel ‘VDE-AR-N 4105’ im Detail geregelt.
    Die Praxis zeigt, dass es ab 200kWp meistens Sinn macht über eine eigene Station nachzudenken.

    Gruß pvbuero

  3. Ich beabsichtige auf meinem Haus in Spanien mit nur einem 220 V – Anschluss, ebenso die Hausinstallation eine Photovoltaikanlage zu installieren.
    Das Dach hat eine Neigung 15° nach Osten und ebenso 15° nach Westen. Deshalb möchte ich 5 KW aufteilen etwa 3/5 / 2/5.
    Es werden heute Eigenverbrauchsanlagen sogar über eine Schukosteckdoseneinspeisung ohne Netzeinspeisung mit dem SMA SB5000TL angeboten. Wäre ja für 2 Strings geeignet. Es ist nun die Frage: Sollte man lieber über zwei Wechselrichter (z.B. 3000 TL und 2000TL) einspeisen (wäre etwas teurer), oder harmonieren zwei Wechselrichter in einer Phase nicht ?
    Es muss eine Eigenverbrauchsanlage sein, da das Einspeisen in das öffentliche Netz seit ein paar Jahren abgelehnt wird.
    Ich wäre für eine Beantwortung sehr dankbar !!!

    Gruß Gerhard

  4. Hallo Gerhard,
    entsprechende Leitungsquerschnitte vorausgesetzt, spricht nichts dagegen mit zwei Wechselrichtern in die selbe Netzphase einzuspeisen. In Deutschland darf die Schieflast allerdings maximal 4,6kW betragen (siehe VDE AR-N 4105 (August 2011) Seite 21 5.4.5 Spannungsunsymmetrien.Wenn man nicht ins öffentliche Netz einspeisen darf, muss eine sogenannte dynamische Wirkleistungsbegrenzung gemacht werden.Hier gibt’s mehr Infos dazu: http://www.sma-sunny.com/2013/03/28/wirkleistungsbegrenzung-mit-grips-wie-die-70-abregelung-sogar-spas-macht/
    Gruß Matthias Diehl (pvbuero)

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