Dimensionierung und Auslegung Wechselrichter

Ein Photovoltaik-Wechselrichter kann nur dann den optimalen Wirkungsgrad erzielen, wenn am angeschlossenen Modulstrang gleiche Bedingungen vorliegen. Das bedeutet, dass z.B. Module, die an unterschiedlichen Dachneigungen montiert sind oder die unterschiedliche Ausrichtungen haben, nie zu einem Strang zusammengeschaltet werden sollten. In einem solchen Fall sollten für jede Ausrichtung oder Dachneigung entweder ein eigener Wechselrichter, oder bei Multistringwechselrichtern jeweils ein eigener Strang geplant werden. Dann wird für jeden Strang mittels eigenem MPP-Tracker immer der optimale Arbeitspunkt ermittelt.
Dasselbe gilt für Verschattungssituationen. Lässt es sich nicht vermeiden, dass Module im Tagesverlauf verschattet werden, so sollten auch diese Module möglichst zu einem Strang zusammengefasst werden, während die dauerhaft unbeschatteten Module ebenfalls einen eigenen Strang bilden.
Module sind zwar mit Bypass-Dioden ausgestattet, die den Strom an einem verschatteten Modul bzw. Teilen davon vorbeileiten, das funktioniert aber nicht in jedem Fall. Ist ein Modul nur teilbeschattet, wirken die Dioden evtl. noch nicht. Das hat zur Folge, dass dieses verschattete Modul den gesamten Strang leistungsmäßig nach unten zieht.

Warum benötigt man mehrere Solar Wechselrichter, wenn die PV-Leistung mehr als 5 kWp beträgt?

Die Leistungsdifferenz zwischen den einzelnen Phasen darf nicht größer als 4,6 kVA betragen, man spricht dann von Schieflast. Deshalb ist es nicht zulässig, nur einen Wechselrichter, der eine größere Nennleistung als diese 4,6 kVA an einer einzelnen Phase anzuschließen. Darüber hinaus darf der Wechselrichter 110% seiner Wechselrichternennleistung in das öffentliche Netz einspeisen, das entspricht dann einer maximalen Leistung von 5,06 kVA.

Um die optimale Wechselrichterauslegung zu ermitteln, haben alle namhaften Hersteller kostenlose Auslegungssoftware zum Download auf ihren Internetseiten bereitgestellt.

Wechselrichter Berechnung:

Hier ein paar Links der bekanntesten Hersteller:

Hersteller	Name der Software/Homepage	Direkter Download
SMA	Sunny-Design	Sunny-Design
SMA	GenAu.xls	GenAu.xls
Fronius	Fronius Solar.configurator	Fronius Solar.configurator
Kaco	KacoCalcPro	KacoCalc
Mastervolt	SysCalc	SysCalc
Solarmax	MaxDesign	MaxDesign

Anhand dieser Software kann festgestellt werden, ob eine Modul-Wechselrichterkombination zulässig bzw. vom Wirkungsgrad her in Ordnung ist.

Verhältnis Wechselrichter-Leistung zu Generatorleistung:

Das Verhältnis sollte im Regelfall ca. 80% bis max. 110% (optimal 90% - 95% bei Südausrichtung) betragen. Das bedeutet, dass der Wechselrichter in den meisten Fällen eine geringere Nennleistung als die Gesamtleistung der Module hat.
Warum ist das so?
Die Generatorleistung unter Normbedingungen (25°C, Einstrahlungsintensität 1.000 Watt/m²) wird nur an wenigen Tagen des Jahres erreicht. Nur im Frühjahr und im Herbst, wenn niedrige Temperaturen vorherrschen, können diese Werte an wenigen Tagen sogar überschritten werden. Weiterhin bleiben durch Systemverluste, wie Kabelwiderstände etc. auch ein paar Prozente Wirkungsgrad auf der Strecke zwischen Modulen und Wechselrichtern. Zu aller letzt muss man sich auch darüber im Klaren sein, dass sich die Leistungsangabe der Module auf optimale Verhältnisse bezieht. Wohnen Sie im Norden Deutschlands, haben Sie eine größere Abweichung nach Osten oder Westen, haben Sie keine optimale Dachneigung? Alle diese Punkte verringern die erbrachte Leistung der Module im Vergleich zur Nennleistung und nur diese verringerte Leistung muss der Wechselrichter transformieren.

Da ein leistungsstärkerer Wechselrichter auch mit höheren Anschaffungskosten verbunden ist, ist eine 100%-Dimensionierung und darüber nicht sinnvoll. Nur wenn es keine vernünftigen Alternativen gibt sollte man in den sauren Apfel beißen.

Es gibt noch ein letztes Argument für einen größer dimensionierten Wechselrichter:

Stellen Sie sich folgende Frage:
Wie werden Sie die Anlage betreiben? Rein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten oder sind Sie eher der Typ, der täglich die Daten im Internet mit anderen Anlagen vergleicht und sich maßlos ärgern würde, wenn an einem wolkenlosen Frühlingstag die Ertragskurve oben abgeschnitten ist und ein paar kWh am Tagesende im Vergleich zu anderen Anlagen fehlen?

Sollten Sie zum letztgenannten Typ gehören, investieren Sie lieber ein paar hundert Euro mehr in die PV-Wechselrichter und erfreuen Sie sich an Rekorderträgen an wenigen Tagen im Jahr.

Sollten Sie zum erstgenannten Typ gehören, rechnen Sie den Minderertrag, der an den wenigen Tagen im Jahr, an denen der Wechselrichter ins "Derating" (Wechselrichter geht in die Begrenzung und regelt herunter) geht aus und erfreuen Sie sich daran, dass Sie wirtschaftlich besser fahren.

Die Überdimensionierung des Wechselrichters darf aber nicht übertrieben werden, da der optimale Wirkungsgrad erst ab einer gewissen Leistung (ca. 1/3 der Nennleistung) erreicht wird! Das könnte sich dann unter Umständen als äußerst kontraproduktiv erweisen.

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Wechselrichterauslegung der Anlage High-Light:

Für die Anlage wurden zwei SMA-Wechselrichter SB 4200 TL HC und 5000 TL HC ausgewählt.

Schauen wir nach, was die Auslegungssoftware Sunny Design von SMA von der Dimensionierung hält. Folgende Daten werden benötigt:

• Modulbezeichnung
  In den Berechnungsprogrammen der Wechselrichteranbieter sind die meisten Module bereits in der Datenbank enthalten. Sollten die Module extrem neu oder äußerst exotisch sein und in der Datenbank nicht enthalten sein, müssen die Kennzahlen aus dem Moduldatenblatt manuell eingegeben werden.
• Anzahl und Bezeichnung der Module
  Bei der Anlage High-Light kommen insgesamt 56 Module Aleo S_16 mit 180 Watt Nennleistung zum Einsatz.

Auslegung Photovoltaik Wechselrichter:

Unter Ort wird die nächstliegende Großstadt gewählt. Eine genauere Auswahl ist nicht notwendig bzw. nicht möglich.
Die Temperaturen können ebenfalls so übernommen werden, wie Sunny Design sie vorschlägt.
Beim Neigungswinkel muss die vorhandene Dachneigung eingegeben werden, ausgenommen man verfügt über eine Aufständerung und kann den Winkel frei wählen.
Jetzt noch das richtige Modul aus der Tabelle auswählen und die Ausrichtung der Anlage, in diesem Fall 0° eingeben.
Ein Problem kann jetzt die Anzahl der Module ergeben. Sunny Design schlägt selber keine Verteilung der Module auf unterschiedliche PV-Wechselrichter vor. Andere Herstellerprogramme können das zum Teil. Hier kann man sich nur entsprechend herantasten. Bei der Anlage High-Light wissen wir bereits, dass 30 der 56 Module an den 5000er gehängt sind, also geben wir das ein:

Klickt man auf den Tabulator "Wechselrichter" und rechts oben auf den Pfeil "Strings" erscheint folgendes Fenster:

Unter PV-Generator Peakleistung wird die Summe der Nennleistung aller Module, die an dem Solarwechselrichter hängt angezeigt, in diesem Fall 30 Module à 180 Watt = Gesamt 5.400 Watt bzw. 5,40 kW. Die benötigte Fläche wird auch noch angegeben, nämlich 42 m².

Das Wichtigste erscheint in der zweiten Spalte: PV/WR kompatibel, das bedeutet, dass wir diese 30 Module an den Wechselrichter hängen dürfen. Das Nennleistungsverhältnis errechnet sich aus dem Quotienten aus max. DC-Leistung des Photovoltaik-Wechselrichters und der PV-Generator Peakleistung: 5,31 kW / 5,4 kW = 0,9833 bzw. 98%. Das Verhältnis sollte zwischen 90% und maximal 110% liegen. Bei geringeren Werten ist der Wechselrichter eher unterdimensioniert, bei höheren Werten eher überdimensioniert. Es hätte auch noch jeweils 1 Modul mehr an einen String gepasst, dann wäre das Nennleistungsverhältnis aber bis auf 92% abgesunken, was für diese Anlage bei den sehr guten Bedingungen zu wenig wäre.

Interessant ist die Angabe des Wechselrichter-Nutzungsgrades mit 94,1%, sowie der geschätzte spezifische Energieertrag pro Jahr. Dieser ist mit geschätzten 991 kWh/kWp sehr nahe an den 1018 kWh/kWp, die ich mittels PVGIS für den Standort der Anlage ermittelt habe. Wobei Sunny Design sehr viel gröbere Daten verwendet, weil nur Stuttgart als nächstgelegene Stadt ausgewählt werden kann.

Dasselbe kann für den kleineren SB 4200 TL HC, nur diesmal mit den verbleibenden 26 Modulen wiederholt werden. Auch hier ist alles im grünen Bereich. Das Nennleistungsverhältnis beträgt hier nur noch 94% und der Wechselrichterwirkungsgrad geht ebenfalls etwas zurück auf 93,8%.

Anhand des Datenblattes können die Ergebnisse nochmals überprüft werden:

Multistring Wechselrichter wurden aus zweierlei Gründen ausgesucht:

1. Verschattung der Module auf dem Carport
   Hierfür müssen diese Module unbedingt an einen eigenen Strang gelegt werden, damit die Verluste so gering wie möglich gehalten werden.
2. Liegenbleibender Schnee
   Liegenbleibender Schnee wirkt sich naturgemäß noch dramatischer aus als Schatten. Nur bei einer sehr dünnen Schneedecke aus Pulverschnee erfolgt überhaupt noch eine Einspeisung.
   

An jeden Wechselrichter können jeweils 2 Strings gelegt werden. Die Anzahl der Module pro String haben wir bereits ermittelt, nämlich 2 x 15 Module am 5000er und 2 x 13 Module am 4200er. Aber wie teilt man die Strings am besten auf dem Dach auf?

• Die Module auf dem Carport müssen unbedingt in einen Strang, das ist von vornherein klar.
• Lässt man den Schnee außer acht, wäre eine Einteilung der Strings von oben nach unten am sinnvollsten, da ein Schattenverlauf der auf- oder untergehenden Sonne immer von der Seite des Daches anfangen würde und dann bis zur anderen Seite wandern würde. Das ist übrigens bei vielen anderen Schattenverursachern wie Bäumen, Masten, Nachbarhäuser etc. ähnlich. Durch die Einteilung von oben nach unten wäre also immer ein ganzer String verschattet, der oder die anderen aber noch schattenfrei. Also immer beobachten, wie ein Schatten verläuft, und die Strings immer so platzieren, dass immer nur ein String vom Schatten betroffen ist.
  Bei der Anlage High-Light gibt es außer dem Carportschatten keine weiteren Schattenspender. Da die Anlage aber auf 1.000 Metern liegt, ist im Winter mit Schneefall nicht nur zu rechnen, sondern es ist eine Tatsache, fragt sich nur wann und wie viel. Irgendwann fängt der Schnee auch wieder an zu tauen. Was passiert? Er rutscht vom Dach ab. Also was liegt näher, als die Strings so anzuordnen, das sie möglichst parallel zum First verlaufen und damit zumindest bei den Strings einzuspeisen, bei denen der Schnee bereits heruntergerutscht ist.
  Im Nachhinein hat sich diese Lösung mehr als bestätigt. Der Schnee rutscht nicht nur von alleine runter, sondern ich helfe auch gerne tatkräftig nach. Da ich nur an die unteren 1-2 Modulreihen herankomme, speisen die Strings vom Carport und vom unteren Dachbereich voll ein, die Module, die an den Strings Dach oben und Dach Mitte hängen speisen gar nicht ein. Diese Lösung ist auf jeden Fall besser, als wenn Strings immer nur zum Teil einspeisen würden, das Ergebnis wäre insgesamt schlechter.

Die Stringaufteilung der Anlage High-Light:

Wie man sieht, ist die Aufteilung nicht ganz aufgegangen. Von String 1 und 2 ist jeweils 1 Modul noch nach oben "gerutscht" Diese 2 Module versuche ich beim Schneeräumen möglichst noch frei zu bekommen. Module in einem Strang sollten nicht zu weit auseinander liegen, da ansonsten die Länge der vormontierten Verbindungskabel nicht mehr ausreicht. Nur wenn es gar nicht anders geht, bleibt dem Solarteur nichts anderes übrig, als das Kabel zu verlängern. Aufpassen: Keinesfalls aus Not ein Modul verkehrt herum montieren! Dann kann Wasser über das Anschlusskabel in die Anschlussdose laufen!