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Einführung in die Wechselrichter Thematik

Die korrekte Bezeichnung für einen Wechselrichter ist "Netzeinspeise­gerät". Ein Wechselrichter sorgt nur für die Umwandlung von Gleich­strom in Wechselstrom, während ein Netzeinspeisegerät zusätzlich den Netzanschluss der Photovoltaikanlage überwacht. Ein reiner Wechselrichter wäre also nur für Inselanlagen konzipiert. Da sich der Sprachgebrauch "Wechselrichter" auch für Netzanlagen eingebürgert hat, werde ich diesen Begriff weiterhin für alle Geräte, auch NEG's benutzen.
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Funktionsweise

Die Wechselrichter Technik ist relativ einfach zu erklären, die optimale Umsetzung ist dafür umso schwieriger. Der Photovoltaik Wechselrichter ist dafür zuständig, den Gleichstrom in Wechselstrom, bzw. Gleichspannung in Wechselspannung umzuformen. Das, was die Solarmodule generieren, ist Gleichstrom und Gleichspannung. Damit der Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss er zuvor umgewandelt werden. Bei der notwendigen Transformation sollten die Verluste so gering wie möglich gehalten werden.

Der Solar Wechselrichter überwacht zudem die Einspeisung ins öffentliche Netz und trennt diese bei Netzstörungen oder Netzausfall. Diese Aufgabe übernimmt bei den meisten Wechselrichtern die sogenannte ENS, "zwei voneinander unabhängige Einrichtungen zur Netzüberwachung mit jeweils zugeordnetem Schaltorgan in Reihe". Der Wechselrichter speichert alle relevanten Daten, seien es langfristig aufsummierte Ertragsdaten oder kurzzeitig Fehlerprotokolle. Neuere Modelle bieten auch eine kleine Datenvisualisierung.

Planung

Die richtige Auswahl und optimale Auslegung des oder der PV Wechselrichter in Abhängigkeit der Module und des Standortes der Anlage sind maßgeblich für eine optimale Ertragsausbeute. Der Wechselrichter kann als "Herz" der Anlage bezeichnet werden. Ist die Auslegung nicht optimal, können auch die besten Module nicht ihre Leistung ins Netz einspeisen.

Fachbetriebe für Photovoltaik Anlagen sind hier die richtigen Ansprechpartner. Sollten Sie sich mit Elektrotechnik auskennen, habe ich hier die manuelle Berechnung der Modul-Wechselrichter-Kombination anhand meiner Photovoltaik Anlage beschrieben.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters sagt aus, wieviel der von den Modulen erzeugten Leistung nach der Umwandlung in Wechselstrom noch in das Netz eingespeist wird. Hier wirken sich geringe Unterschiede über die Laufzeit der Anlage extrem aus. Man unterscheidet folgende Wirkungsgrade:

  • Maximaler Wirkungsgrad
    Der maximale Wirkungsgrad ist wenig aussagekräftig, da sich ein Wechselrichter die meiste Zeit im Teillastbereich befindet.
  •  
  • Europäischer Wirkungsgrad
    Hier wird der Wirkungsgrad anhand der verschiedenen Teillastbereiche gemäß des zeitlichen Anteils an der gesamten Betriebszeit des Wechselrichters gewichtet, die dem durchschnittlichen Betrieb in Europa entsprechen. Dieser Wirkungsgrad liegt immer etwas unter dem maximalen Wirkungsgrad und spiegelt die Realität schon sehr viel besser wider.

Ausführungen

Folgende Wechselrichterarten werden unterschieden:

1.) Trafolose Wechselrichter

Trafolose Wechselrichter arbeiten in einem höheren Spannungsbereich als Wechselrichter mit Trafo. Sie sind in den meisten Fällen bei gleicher Nennleistung leichter als die Trafogeräte und auch der Wirkungsgrad ist meistens besser. Es gibt aber auch wenige Ausnahmen, bei denen es genau umgekehrt ist!

Trafolose Wechselrichter sollten bei amorphen Modulen nicht zum Einsatz kommen, die Module können zerstört werden. Es gibt aber Dünnschichtmodule (z.B. CIS-Module) bei denen trafolose Wechselrichter eingesetzt werden können. Die Technik schreitet hier schnell voran, jede Modul-Wechselrichterkombination muss auf Herz und Nieren untersucht werden!

2.) Multistring-Wechselrichter

Multistringwechselrichter besitzen mehr als einen MPP-Tracker (MPP = Maximum Power Point). Das ist der Punkt aus Strom und Spannung, bei dem der Wechselrichter die maximale Leistung generiert. Durch das MPP-Tracking wird dieser Punkt bei jedem Arbeitszustand gefunden.

Sowohl Trafo- wie auch trafolose Wechselrichter werden als Multistringausführung angeboten. Multistringwechselrichter sollten immer mit in die Planung einbezogen werden, wenn sich Verschattungssituationen ergeben!

3.) Zentral-Wechselrichter

Zentralwechselrichter werden für Anlagen mit großer Leistung eingesetzt. Oft sind sie in einem eigenen Raum untergebracht. Der Vorteil ist ein guter Wirkungsgrad und die bessere Wartbarkeit.

Beispiel: Wenn eine Anlage 50 Wechselrichter hat und alle vier Jahre muss einer ausgewechselt werden, dann muss ich praktisch im Schnitt monatlich mit einem Ausfall rechnen, für Ersatz sorgen sowie ab- und anmontieren. Der Nachteil des Zentralwechselrichters liegt auf der Hand, wenn er ausfällt geht gar nichts mehr! Daher werden große Zentralwechselrichter oft in Verbindung mit einem Wartungsvertrag angeboten.

4.) Modul-Wechselrichter

Hier wird quasi für jedes Modul ein Wechselrichter verwendet. Was auf den ersten Blick genial erscheint, relativiert sich aber sehr schnell. Es gibt einige Vor- aber momentan noch mehr Nachteile die für bzw. gegen diese Technik sprechen.

Die Vorteile:

  • Da keine Modulstränge in Serienschaltung gebildet werden erübrigt sich das Problem, dass nur ein Modul durch Verschattung den ganzen Strang leistungsmäßig nach unten zieht.
  • Keine Verluste bei hohen Leistungsunterschieden der Module.
  • Geringe Gleichspannungen, damit ist das Gefährdungspotential bei Montage- und Reparaturarbeiten sowie bei Löscheinsätzen der Feuerwehr um ein Vielfaches geringer.
  • Modulare Anpassung an Anlagengröße, Anzahl der Module ist optimal der verfügbaren Fläche anzupassen

Die Nachteile:

  • Der Preis! Die Kosten für Modulwechselrichter liegen auf's kWp umgerechnet um ein Vielfaches über denen von normalen Strangwechselrichtern.
  • Der Wirkungsgrad ist mit 89% bis 95% äußerst bescheiden.
  • Die Verkabelung ist schwierig und störanfällig.
  • Störungssuche und Störungsbehebung sind äußerst schwierig.
  • Unterbringung der Wechselrichter. Wohin damit? Der kleinste Modul-Wechselrichter der Fa. Dorfmueller hat bereits ein Gewicht von 2,8 kg und die Abmessungen 100x200x80 mm. Die Wechselrichter müssen bei Wind, Regen und Schnee auf dem Dach untergebracht werden!
  • Geringe Lebensdauer der Modulwechselrichter, zumindest bei älteren Gerätegenerationen.

Ich sehe derzeit realistische Anwendungen nur für eine kleine Anzahl an Anlagen, bei denen äußerst schwierige Verschattungssituationen bestehen. Sollte die Technik vermehrt Anwendung finden und durch höhere Stückzahlen die Kosten reduziert werden können, dann könnte der Einsatz von Modulwechselrichtern auch für normale Anwendungsfälle interessanter werden. Interessant wird der Einsatz erst, wenn der Preis und die Lebenserwartung der Geräte stimmt.

Die Firma Enphase Inc. bietet seit neuestem Modulwechselrichter (Enphase Microinverter M190) mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent und einer Garantie von 15 Jahren an. Dieser Modulwechselrichter wird aber momentan, so wie ich das herauslesen konnte, nur für den nordamerikanischen Markt mit 60 Hz vertrieben.

Aus der Praxis: Wechselrichter meiner PV-Anlage "High-Light"

Bei meiner Anlage sind zwei trafolose Multistringwechselrichter der Firma SMA verbaut: Sunny Boy 4200 TL HC sowie Sunny Boy 5000 TL HC.

Wechselrichter der Photovoltaik Anlage High Light

 

Hier habe ich mal die Daten der Geräte aufgelistet.

Sunny Boy 4200 TL HC
Nennleistung DC 4.200 Watt
Nennspannung DC 520 V
MPP-Bereich DC von 125 V
MPP-Bereich DC bis 600 V
MaxSpannung DC 750 V
Umin für Pnenn 240 V
Nennstrom DC 8 A
MaxStrom DC 22 A
Anzahl DC-Eingänge 3
Anzahl MPP-Regler 2
Nennleistung AC 4.000 W
MaxLeistung AC 4.200 W
Nennstrom AC 17,5 A
Maxstrom AC 19 A
Spannung AC von 180 V
Spannung AC bis 260 V

 

Sunny Boy 5000 TL HC
Nennleistung DC 4.800 Watt
Nennspannung DC 520 V
MPP-Bereich DC von 125 V
MPP-Bereich DC bis 600 V
MaxSpannung DC 750 V
Umin für Pnenn 240 V
Nennstrom DC 9,2 A
MaxStrom DC 22 A
Anzahl DC-Eingänge 3
Anzahl MPP-Regler 2
Nennleistung AC 4.600 W
MaxLeistung AC 5.000 W
Nennstrom AC 20 A
Maxstrom AC 22 A
Spannung AC von 180 V
Spannung AC bis 240 V

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Dieser Artikel wurde erstellt von: Christian Märtel, Redakteur www.Photovoltaik-Web.de
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