Aufgaben des Wechselrichters
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Wechselrichter: Funktionsweise, Arten und Kosten
Der Wechselrichter gehört zu einem der zentralen Elemente einer Solaranlage. Denn ohne Wechselrichter kann erzeugter Solarstrom nicht verwendet werden, da das gesamte Stromnetz auf Wechselstrom basiert. Mit dem Inverter, wie er auch bezeichnet wird, entsteht Gleichstrom zu Wechselstrom. Erst dann ist dieser im Haus verwendbar. In diesem Beitrag erhältst Du Informationen zu verschiedenen Arten von Wechselrichtern, den Funktionen, Herstellern und Kosten.
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert ein Wechselrichter?
- Wechselrichter und Module aufeinander abstimmen
- Was ist der Wirkungsgrad bei Wechselrichtern?
- Das Maximum Power Point
- Was kostet ein Wechselrichter?
- Lebensdauer eines Wechselrichters
- Aufstellort und richtige Installation des Wechselrichters
- Wissenswert: Lautstärke eines Wechselrichters
- Unterschiedliche Arten von Wechselrichtern
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Solarmodule nehmen Sonnenenergie auf und produzieren damit Gleichstrom. Man spricht von „direct current“ bzw. der DC-Nennleistung. Damit dieser Strom im Haus genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden kann, ist ein Spannungswandler notwendig, der dafür sorgt, dass der erzeugte Strom angewendet werden kann. Aus dem direct current wird damit alternating current - AC Wechselstrom. Im Alltag wird dieser auch als 3-phasiger Wechselstrom oder Drehstrom bezeichnet, wobei der Begriff „Drehstrom“ eher umgangssprachlich zu bewerten ist. Fachleute oder Elektriker sprechen immer von Wechselstrom.
Beeindruckend ist, dass Steuerung< und Transformation des Stroms innerhalb eines Bruchteils von einer Sekunde umgesetzt wird. Ist das Gebäude mit dem öffentlichen Netz zur Einspeisung verbunden, wird der Strom bei einer Ausgangsspannung von 230 Volt in das Netz eingespeist.
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Wechselrichter und Module aufeinander abstimmen!
Die auf dem Markt befindlichen Wechselrichter unterscheiden sich in Funktion und Nennleistung. Somit hat jeder Wechselrichter einen eigenen Leistungsbereich. Von Belang sind die Nennleistungen von AC und DC hinsichtlich der Funktionsweise. Anzahl und Leistung der Solarmodule bestimmen die Leistungsstärke des Wechselrichters und somit auch die Gesamtleistung der PV-Anlage.
Bei einer maximalen DC-Nennleistung von 4 kW, sollten auch die geplanten Solarmodule einen solchen Wert nicht überschreiten. Beträgt die Gesamtleistung der Module 400 Watt Peak, dann werden maximal 10 Module an den Spannungswandler 4 kW angeschlossen.
Zur Auswahl stehen Modulwechselrichter, Zentralwechselrichter und Strangwechselrichter, die dem jeweiligen Leistungsbereich angepasst werden.
Hinweis:
Achte bei dem Kauf eines Wechselrichters auf die Normung nach IEC 77. Diese sagt aus, dass der Wechselrichter über einen Spannungsrückgangsschutz verfügt und verhindert, dass eine PV-Anlage ausfällt.
Was ist der Wirkungsgrad bei Wechselrichtern?
Mit der Funktion Gleich- in Wechselstrom umzuwandeln, ist der Wechselrichter das Herzstück einer PV-Anlage. Dabei gilt es zu beachten, dass umso höher der Wirkungsgrad des Spannungswechslers ist, umso mehr Strom kann genutzt bzw. eingespeist oder gespeichert werden (abhängig von der Dimensionierung des Stromspeichers). Unterschieden wird im Allgemeinen zwischen dem Spitzenwirkungsgrad und dem europäischen Gesamtwirkungsgrad. Diese Faktoren geben die jeweilige Leistungsstärke an. Der Spitzenwirkungsgrad muss nicht zwingend dem europäischen Wirkungsgrad entsprechen, da dieser Faktor den Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen anzeigt, die nicht zwingend mit den Bedingungen in Deutschland übereinstimmen müssen.
Merke:
Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters sollte immer so hoch wie möglich sein, um möglichst viel Strom zu erzeugen.
Weitere Komponenten einer Photovoltaik-Anlage:
Das Maximum Power Point Tracking (MPP)
Damit so viel Strom wie möglich erzeugt und umgewandelt werden kann, kommt das Maximum Power Point Tracking oder „MPP-Tracking“ zum Einsatz. Dieser meist in Englisch verwendete Begriff beschreibt den maximalen Leistungspunkt eines Wechselrichters. Da es sich hier um ein zentrales Element zur Funktionalität des Spannungsumwandlers handelt, ist der MPP-Tracker in der Regel bereits integriert.
Die Aufgabe des MPP-Trackers ist die Selbsteinstellung des Wechselrichters zur maximalen Energieausbeute. Um dies zu erreichen, wird die Spannung stetig angepasst. Diese Anpassung ist notwendig, da die Sonneneinstrahlung sich während des Tagesverlaufs verändert.
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Was kostet ein Stromspeicher?
Bei der Frage nach dem Preis muss genauer geschaut werden. Es käme doch auch niemand auf die Idee zu fragen: „Was kostet ein Auto?“ An dieser Stelle wird deutlich, dass es um Details geht. Beim Fahrzeug sind es Ausstattung, Motorleistung und Extras, bei einem Stromspeicher sieht es ähnlich aus - nur weniger kompliziert. In erster Linie geht es, wie im vorherigen Absatz bereits erwähnt um die Leistung der Anlage. Berechnet wird der Stromspeicher also immer auf Basis von kWh. Bekannt ist dieses Flächenberechnungsprinzip auch vom Wohnmarkt. Hier ist eine größere Wohnung vom Quadratmeterpreis günstiger, auch wenn die Miete später höher ausfällt als bei einer kleineren Wohnung.
Kalkulation eines Stromspeichers
Wer sich für einen 8 -12 kWh Stromspeicher entscheidet, wird durchschnittlich 750€-1000€ pro kWh kalkulieren. In erster Linie ist also wichtig zu wissen, wie groß die gesamte PV-Anlage und der Stromspeicher sein soll.
Eine andere Möglichkeit zeigt den Kaufpreis im Verhältnis zur gesamten Nutzungsdauer eines Stromspeichers an. Dabei werden die kompletten Anschaffungskosten auf die speicherbaren Kilowattstunden ins Verhältnis gesetzt. Ein Beispiel zeigt die Berechnung und bringt klare Ergebnisse hervor.
Rechenbeispiel:
Ausgehend von einem Stromspeicher von 5 kWh mit 5000 Ladezyklen bei einem Preis von 5000 €. Das bedeutet:
5000 € / (5 kWh x 5000) = 0,20 € pro gespeicherter kWh
Ein etwas teureres Modell ebenfalls mit 5 kWh bringt 6500 Ladezyklen hervor, kostet dafür allerdings 6000 €. Die gleiche Rechnung:
6000 € / (5 kWh x 6500) = 0,18 € pro gespeicherter kWh
Erläuterung des Rechenbeispiels
Das zweite Modell des Stromspeichers bietet demnach mehr Leistung und ist hinsichtlich der Nutzungsdauer günstiger als der vermeintlich billigere Stromspeicher. Hinsichtlich der Leistung und Nutzung von Stromspeicher ist es ratsam, einen Solarteur zu kontaktieren. Bei Photovoltaikanlagen greift ein Detail in das andere wie bei Zahnrädern, die damit einen ganzen Mechanismus zum Laufen bringen. Ähnlich verhält es sich bei der Auswahl einzelner PV-Komponenten. Eine PV-Anlage muss dem Strombedarf des Hauses und seiner Bewohner entsprechend ausgestattet sein. Sinnvoll ist es ebenfalls, zukünftige Projekte in die Planung von Solarmodulen und Stromspeicher einzubeziehen. Das kann ein neues Gästezimmer sein, die Wallbox in der Garage, ein beheizter Swimmingpool, neue elektrische Geräte oder eine Wärmepumpe.
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Was kostet ein Wechselrichter?
Die Anschaffungskosten des Wechselrichters sind abhängig von Qualität und Leistung des Gerätes sowie der Größe der Solaranlage. Als Faustregel kann gesagt werden, dass der Preis für den Wechselrichter zwischen 10 und 15% der gesamten Investition der Solaranlage betragen sollte. Ein anderer Hinweis besagt, dass ca. 250 € pro kW der Wechselrichterleistung eingeplant werden sollten. Bei einer 5 kWp Solaranlage entstehen so Kosten von rund 1200€ für den Wechselrichter. Ähnlich wie bei der gesamten PV-Anlage hat die Größe des Wechselrichters einen Einfluss auf den Preis: Je höher umso günstiger. Diesem Prinzip folgen auch Solarmodule und Stromspeicher. Je größer, umso niedriger der Preis pro kW.
Rechnet man den Preis eines Wechselrichter aus der Perspektive seiner Leistung heraus, ergibt sich folgendes Bild. Für PV-Anlagen und Wechselrichter kleiner als 5 kWp liegt der Preis pro Watt bei etwa 22,5 Cent. Bei Wechselrichtern zwischen 5 und 10 kWp reduzieren sich die Kosten bereits auf rund 16,5 Cent je Watt. Noch größere Wechselrichter sind weitaus günstiger und liegen dann nur noch bei 7,2 Cent pro Watt. Deshalb liegen Wechselrichter 10 kW bei einem ungefähren Anschaffungspreis von 1600 €.
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Lebensdauer eines Wechselrichters
Anders als bei allen anderen Komponenten einer Photovoltaikanlage hat der Wechselrichter nur eine Lebensdauer von ca. 14 bis 16 Jahren. Das bedeutet einen eventuellen Austausch während der 20-jährigen Laufzeit. Ein solcher Wechsel ist abhängig vom Hersteller und der Qualität der Geräte. Beim Kauf einer kompletten PV-Anlage sollte die Garantiezeit beachtet werden. Viele Wechselrichter Hersteller geben eine Garantiezeit von fünf Jahren, einige sogar mehr. Je länger die Garantiezeit umso besser! Im Zweifelsfalle erhöht sich der Anschaffungspreis, der jedoch geringer ist als ein Austausch des Spannungsreglers.
Wissenswert: Lautstärke eines Wechselrichters
Während des Betriebs verursachen Wechselrichter Geräusche, die sich in einer Lautstärke zwischen 25 bis 60 Dezibel befinden. Im unteren Teillastbereich arbeiten die Geräte in der Regel etwas leiser, doch bei intensiver Sonnenstrahlung steigt auch die Geräuschkulisse. Deshalb sollten Wechselrichter in räumlicher Distanz zu Wohn- und Ruheräumen stehen, um die Bewohner nicht zu belästigen.
Unterschiedliche Arten von Wechselrichtern
Grundsätzlich sprechen wir von Wechselrichtern. Diese unterscheiden sich jedoch in ihrer Anwendung. Wir stellen hier die unterschiedlichen Typen von Wechselrichtern kurz vor.
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Zentralwechselrichter
Ein Zentralwechselrichter kommt bei industriellen oder gewerblichen Photovoltaikanlagen zum Einsatz. Bei dieser Art Spannungsumwandler unterscheidet sich die Funktionsweise gegenüber herkömmlichen Wechselrichtern für ein Einfamilienhaus. Beim Zentralwechselrichter werden alle Strings parallel geschaltet und gehen dann zu einem zentralen Wechselrichter. Bei solchen Anlagen müssen alle Solarmodule gleich ausgerichtet sein. Diese Art der Wechselrichter werden hauptsächlich für Freiflächen bzw. riesige Solarparks genutzt.
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String Wechselrichter
Der Stringwechselrichter verlangt eine reihenförmige Schaltung mehrerer Solarmodule. Ziel ist es, die Missmatching-Verluste zu minimieren, die bei unterschiedlichen Dachneigungen oder anderen Ausrichtung aufgrund von Verschattung möglich ist. Jeder einzelne String wird so ausgelegt, dass die Gesamtheit aller Solarmodule die gleiche Energieleistung erzielen.
Für kleine PV-Anlagen, wie sie bei Einfamilienhäusern angewendet werden, kommen in der Regel Wechselrichter mit einem String zur Anwendung. Bei einem höheren Wirkungsgrad und größeren PV-Anlagen werden jedoch Multistring-Wechselrichter genutzt. Um auch hierbei Verluste zu minimieren, kommen mit dem Multistring-Wechselrichter auch multiple MPP-Tracker zum Einsatz, die unterschiedliche Teilflächen der Solaranlage verarbeiten.
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Inselwechselrichter
Wie der Name es bereits verrät, hat der Inselwechselrichter keinen Anschluss an das öffentliche Stromnetz. Diese Art der Spannungsumwandler ist für Insel-PV-Anlagen gedacht, die in abgelegenen Regionen ohne Stromnetz installiert werden. Wer also eine Photovoltaik-Inselanlage planen möchte, muss zwingend einen Inselwechselrichter nutzen.
Da bei PV-Inselanlagen überschüssiger Strom nicht eingespeist wird, ist es die Aufgabe des Inselwechselrichters, dafür zu sorgen, jederzeit den Wechselstrom zur Verfügung zu stellen, der benötigt wird. Aus diesem Grund ist ein Stromspeicher bei Inselanlagen immer die bessere Option.
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Modulwechselrichter
Bei dieser Art Inverter hat jedes Solarmodul einen eigenen Modulwechselrichter. Das bedeutet, eine solche PV-Anlage arbeitet nicht mit einem, sondern mit mehreren Wechselrichtern. Normale Stringwechselrichter stehen immer in Abhängigkeit zum schwächsten Glied im Strang. Ist zum Beispiel ein Solarmodul verschmutzt, sinkt die Leistung der gesamten PV-Anlage. Mit Modulwechselrichtern kann dieses Problem behoben werden. Alternativ werden für diesen Zweck auch sogenannte Mikro-Wechselrichter verwendet. Ziel ist eine präzise Verarbeitung vom Solarstrom ohne Verluste bzw. den geringsten Verlusten der Energieausbeute.
Nachteilig sind zweifellos die höheren Mehrkosten bei der Anschaffung und Installation eines Modulwechselrichters. Ein weiterer Aspekt, der immer im Auge behalten werden sollte: Je mehr Elemente vorhanden sind, umso höher ist das Risiko von Defekten.
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Hybridwechselrichter
Wird ein Stromspeicher für die PV-Anlage verwendet, kommen zwei Wechselrichter zur Anwendung. Der Hybridwechselrichter umfasst stattdessen alle Funktionen in nur einem Gerät. Somit können Kosten und Platz deutlich reduziert werden. Aus diesen Gründen werden Hybridwechselrichter am häufigsten für private Solaranlagen eingesetzt. Ein weiterer Vorteil für einen Hybridwechselrichter ist der reale Wirkungsgrad in der Anwendung.
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Batteriewechselrichter
Ohne Stromspeicher werden heute kaum noch Photovoltaikanlagen betrieben. Dabei handelt es sich meist um Lithium-Ionen-Batterien, die ebenfalls einen Wechselrichter benötigen. Dies ist notwendig, weil gespeicherter Strom Gleichspannung verlangt. Mit diesem zweiten Umwandler, wird der Strom bei Bedarf aus dem Speicher transferiert oder ihn wiederum in den Stromspeicher zu leiten.
Häufig gestellte Fragen:
Was bedeutet kWp?
"kWp" steht für "Kilowatt peak" oder "Kilowatt Spitze" und ist eine Einheit, die die maximale Leistung einer Photovoltaikanlage unter standardisierten Testbedingungen beschreibt.
Für was steht kWh?
"kWh" steht für "Kilowattstunde" und ist eine Maßeinheit für Energie. Eine Kilowattstunde entspricht der Energiemenge, die ein Gerät mit einer Leistung von einem Kilowatt (kW) in einer Stunde verbraucht oder erzeugt. Die Kilowattstunde wird häufig zur Messung des Energieverbrauchs von Haushalten, Unternehmen und elektrischen Geräten verwendet.
Was sagt der Wirkungsgrad aus?
Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie effizient der Wechselrichter die eingehende Gleichstromleistung (DC) aus einer Photovoltaikanlage in nutzbare Wechselstromleistung (AC) umwandelt. Er wird in Prozent angegeben und beschreibt das Verhältnis der abgegebenen Leistung zur aufgenommenen Leistung. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass weniger Energie bei der Umwandlung verloren geht.