RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen
www.energie-lexikon.info

Solarwechselrichter

Definition: ein Wechselrichter, der speziell für den Betrieb in einer Photovoltaikanlage eingerichtet ist

Alternativer Begriff: PV-Wechselrichter

Allgemeinere Begriffe: Wechselrichter

Spezifischere Begriffe: Strangwechselrichter, Zentralwechselrichter, Modulwechselrichter

Englisch: solar inverter

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Haustechnik

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.06.2020; letzte Änderung: 23.08.2020

Speziell für den Einsatz mit Photovoltaik eingerichtete Wechselrichter werden als Solarwechselrichter bezeichnet. Ein solches Gerät (oder manchmal mehrere davon) gehört neben den Solarmodulen zu den Kernkomponenten einer Photovoltaikanlage. Häufig ist der Wechselrichter einer solchen Anlage gemeinsam mit zusätzlichen elektronischen Komponenten in ein Gehäuse integriert, welches dann häufig (etwas ungenau) insgesamt als der Wechselrichter bezeichnet wird.

Grundlegende Aspekte von Wechselrichtern werden im entsprechenden Artikel behandelt; dieser Artikel konzentriert sich deswegen vorwiegend auf die Aspekte, die für Solarwechselrichter spezifisch sind.

Wechselrichter in PV-Anlage
Abbildung 1: Einsatz eines Solarwechselrichters in einer Photovoltaikanlage, etwas vereinfacht gezeigt. Die Gleichspannung von den Solarmodulen wird in eine Wechselspannung umgeformt, um Energie in das Stromnetz einspeisen zu können.

Grundfunktion des Solarwechselrichters

Die grundlegende Funktion eines Solarwechselrichters besteht darin, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln, der dann entweder für die eigenen Verbraucher z. B. im Haushalt oder für die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz verwendet werden kann.

Strom-Spannungs-Charakteristik mit Maximum-Power-Point (MPP)

Eine Besonderheit ist hier nicht nur die im Betrieb wechselnde verfügbare Leistung von den angeschlossenen Solarmodulen, sondern auch deren Strom-Spannungs-Charakteristik. Für eine gegebene solare Intensität gibt es einen festen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung eines Moduls. Ohne Strombelastung erhält man die sogenannte Leerlaufspannung, aber keine Leistung; die Leistung ergibt sich nämlich als Produkt von und Spannung. Der andere Extremfall ist der Kurzschluss; damit erhält man den maximalen Strom, aber keine Spannung mehr und somit wiederum keine Leistung. Der Betriebspunkt mit optimaler Leistung eines Moduls wird als der sogenannte Maximum-Power-Point (MPP) bezeichnet, und ein Solarwechselrichter sollte immer möglichst nahe an diesem Punkt arbeiten. Dafür muss er zu den angeschlossenen Solarmodulen passen, d. h. deren Strom-Spannungs-Charakteristik optimal berücksichtigen – und dies möglichst für jede mögliche solare Intensität. Es wäre deswegen nicht optimal, die Module immer mit der gleichen Spannung zu betreiben; die optimale Spannung steigt mit zunehmender solarer Intensität etwas an. Technisch kann diese Optimierung unterschiedlich erfolgen – im einfachsten Fall mit einer festen Kennlinie, die für bestimmte Module passt, oder flexibler mit einer automatischen Optimierungsstrategie eines MPP-Trackers, sodass sich der Wechselrichter automatisch auf unterschiedliche Module optimal einstellen kann.

Ein Maß für die Präzision, mit der der MPP angesteuert werden kann, bzw. für Ertragsverluste aufgrund des nicht perfekt gewählten Arbeitspunkts der Solarmodule ist der sogenannte MPPT-Wirkungsgrad. Man beachte, dass dieser die Umwandlungsverluste im Wechselrichter nicht berücksichtigt und deswegen sehr nahe an 100 % liegen kann.

Fremdgeführter und selbstgeführter Betrieb

Die meisten Solarwechselrichter arbeiten fremdgeführt, d. h. sie orientieren sich bezüglich Spannung und Frequenz an dem Stromnetz, an dem sie angeschlossen sind. Im einfachsten Fall “weiß” der Wechselrichter nichts vom Eigenverbrauch z. B. in dem Haus, in dem er betrieben wird, sondern gibt einfach seine Leistung ab. Soweit diese Leistung den Eigenverbrauch übersteigt, fließt die Differenz in das öffentliche Stromnetz; andernfalls wird die fehlende Leistung aus dem Stromnetz bezogen. Jedoch müssen die Energieflüsse in beide Richtungen in der Regel getrennt mit Stromzählern erfasst werden, da für sie recht unterschiedliche Stromtarife gelten: Für die Einspeisung erhält man pro Kilowattstunde meist erheblich weniger, als man zu anderen Zeiten für den Bezug aus dem Netz bezahlt. Diese Dinge laufen jedoch außerhalb des Wechselrichters ab, tangieren ihn also nicht.

Manche Solarwechselrichter können beim Ausfall des öffentlichen Netzes auch selbstgeführt arbeiten, dann also ein Inselnetz betreiben. Dies gilt im wesentlichen nur für manche der Geräte, die im Zusammenhang mit einem Solarstromspeicher arbeiten; ohne einen solchen würde das Inselnetz nämlich regelmäßig ausfallen, wenn die Sonneneinstrahlung beispielsweise durch Wolkenverschattung zu stark reduziert wird.

Ein- und mehrphasiger Betrieb

Nur recht kleine Solarwechselrichter (meist in Einfamilienhäusern) arbeiten einphasig, erzeugen also nur eine einzige Wechselspannung, die dann in eine der drei Phasen des Drehstromnetzes eingespeist wird. Ein dreiphasiger Betrieb ist in Deutschland ab einer Spitzenleistung von 5 kW oder einer Dauerleistung von 4,6 kW vorgeschrieben. Hierbei erfolgt typischerweise die Einspeisung mit identischen Leistungen in die drei Phasen. Möglich wäre aber auch eine automatische asymmetrische Einspeisung, beispielsweise entsprechend dem asymmetrischen Eigenverbrauch, um die Schieflast zu minimieren.

Spannungsebene

Kleine Solarwechselrichter arbeiten praktisch immer auf Niederspannungsniveau, d. h. üblicherweise an Drehstromnetzen mit 230 V Sternspannung und 400 V Außenleiterspannung. Größere Anlagen, z. B. Freiflächenanlagen, speisen dagegen häufig auf der Mittelspannungsebene ein, z. B. mit 20 kV Außenleiterspannung.

Weitere Aspekte

Einer oder mehrere Wechselrichter

In manchen Solaranlagen – vor allem in kleineren – wird ein einziger zentraler Wechselrichter eingesetzt, an den alle Solarmodule angeschlossen werden, weil dies die kompakteste und kostengünstigste Lösung darstellt.

Es kann aber vor allem bei größeren Anlagen sinnvoll sein, eine Kombination mehrerer Wechselrichter einzusetzen. Beispielsweise verwendet man jeweils einen sogenannten Strangwechselrichter für einen Strang, d. h. für einige oft in Serie geschaltete Solarmodule. Dieser modulare Ansatz ist insbesondere günstig, wenn nach und nach zusätzliche Solarmodule (bzw. Stränge) installiert werden sollen. Außerdem entfällt bei Ausfall eines einzelnen Wechselrichters dann in der Regel nicht die gesamte Produktion, sondern nur der entsprechende Teil davon. Andererseits sind die Gesamtkosten für die Elektronik unter Platzbedarf dann natürlich entsprechend höher.

Die Aufteilung auf mehrere Wechselrichter ist auch insbesondere dann sinnvoll, wenn die Gefahr besteht, dass einzelne Module verschattet werden. Dann leidet nämlich die Leistung des gesamten Strangs von in Serie geschalteten Modulen. Allerdings könnte man auch nur z. B. jeweils die Hälfte der Module in Serie schalten, zwei solche Stränge dann parallel, und beide Stränge an denselben Wechselrichter anschließen, wenn dieser dafür geeignet ist.

Es gibt auch Modulwechselrichter, d. h. in Solarmodulen untergebrachte Geräte. Dieser Ansatz kann gewisse Vorteile bieten, etwa eine einfachere Verschaltung, hat aber auch erhebliche Nachteile – insbesondere die höhere Anfälligkeit für Störungen (v. a. wegen hoher Temperaturschwankungen in den Modulen) und die typischerweise niedrigere Effizienz, auch die tendenziell höheren Gesamtkosten.

Wechselrichter mit und ohne Transformator

In manchen Wechselrichtern wird ein Transformator eingesetzt, der eine galvanische Trennung zwischen den dann separat geerdeten Solarmodulen und dem Stromnetz ermöglicht. Dies hat gewisse Vorteile und ist für manche Solarmodule nötig, erhöht aber den Kosten und verringert den Wirkungsgrad. Deswegen setzt man wo möglich meist Wechselrichter ohne Transformator ein.

Energieeffizienz

Moderne Solarwechselrichter sind daraufhin optimiert, in einem weiten Leistungsbereich sehr effizient zu arbeiten. Bei sehr kleiner Leistung (z. B. bei trübem Wetter) kann der Wirkungsgrad aber deutlich absinken – vor allem unterhalb von 10 % der Nennleistung. Als Maß für die Effizienz wird häufig der “europäische Wirkungsgrad” verwendet, der einen gewichteten Mittelwert für unterschiedliche Auslastungen (5, 10, 20, 30, 50 und 100 %) darstellt (mit besonders starker Gewichtung von 50 % Auslastung) und wesentlich besser als der maximale Wirkungsgrad abschätzen lässt, wie effizient das Gerät in der Praxis ist.

Wegen des typischerweise deutlichen Abfalls der Effizienz bei geringer Auslastung ist eine wesentliche Überdimensionierung eines Wechselrichters (z. B. auch als Vorbereitung für einen eventuellen späteren Ausbau der Module) nicht wünschenswert. Andererseits sollte die Nennleistung eines Solarwechselrichters auch nicht wesentlich unter der maximal erwartbaren Leistung der verwendeten Module liegen (für deren gegebene Aufstellungssituation). Sonst kann nämlich deren maximale Leistung nicht ausgeschöpft werden. Eine Überlastung des Geräts droht allerdings auch dann nicht; er entnimmt dann den Modulen einfach weniger Strom, als möglich wäre.

Im Prinzip ebenfalls für die Energieeffizienz relevant ist der Standby-Verbrauch, der auftritt, wenn beispielsweise nachts der Wechselrichter am Stromnetz angeschlossen ist, ohne Leistung von den Modulen zu erhalten. Bei modernen Geräten ist dieser Verbrauch allerdings so gering (z. B. <1 W), dass er kaum ins Gewicht fällt.

Man beachte, dass die Effizienz einer Anlage auch stark durch die Verschaltung der Module beeinflusst werden kann. Ungünstig ist beispielsweise die Serienschaltung von Modulen, die oft deutlich unterschiedlich stark besonnt werden. Solche Fehler kann auch der beste Solarwechselrichter nicht ausgleichen; die volle Leistung kommt dann bei ihm gar nicht mehr an. Jedoch kann es helfen, wenn ein Wechselrichter mehrere voneinander unabhängige MPP-Tracker hat, um Teile der Anlage (z. B. mit unterschiedlichen Ausrichtungen der Module) separat im jeweils optimalen Betriebspunkt halten zu können.

Sicherheit

Einige Sicherheitsaspekte müssen bei der Entwicklung und teils auch bei der Aufstellung von Solarwechselrichtern beachtet werden. Insbesondere droht die Gefahr eines Brands, wenn bei Defekt einer Komponente in einem nicht ausreichend abgesicherten Wechselrichter eine starke Überhitzung entsteht. Hier genügt beispielsweise nicht eine einfache Schmelzsicherung in der Leitung von den Solarmodulen, da diese nicht verhindern kann, dass ein unvorhergesehen großer Teil der gelieferten Leistung als Wärme im Wechselrichter verbleibt, anstatt nach außen abgegeben zu werden. Wichtig ist ein gut durchdachtes und getestetes Schaltungsdesign, realisiert mit hochwertigen Bauteilen und kombiniert mit geeigneter Abschirmung der kritischen Komponenten.

Die Gefahr von Bränden steigt natürlich, wenn ein Wechselrichter in der Nähe von größeren Mengen brennbaren Materials aufgestellt wird. Man wird ihn deswegen z. B. kaum an der Wand einer Scheune befestigen, in der Stroh gelagert wird. Günstiger ist ein Kellerraum, wo auch Zeiten mit stark erhöhter Raumtemperatur vermieden werden: Die Gefahr eines Defekts bzw. beschleunigter Alterung der Elektronik steigt mit zunehmender Temperatur an. Manche Geräte können ihre Leistung automatisch reduzieren, wenn sie sonst zu heiß würden – was einerseits den Anlagenertrag vermindert, andererseits aber größere Probleme durch Ausfälle vermeiden kann.

Andere Aspekte betreffen das Verhalten bei Störungen des Stromnetzes. Beim Ausfall des öffentlichen Stromnetzes darf ein Wechselrichter keinesfalls mehr einspeisen, da damit insbesondere bei Reparaturen beschäftigtes Personal gefährdet werden könnte. Darüber hinaus muss sich ein Wechselrichter bei wesentlichen Abweichungen z. B. der Netzspannung oder der Netzfrequenz automatisch abschalten.

Die Gefahr, dass Solarmodule durch einen defekten Wechselrichter beschädigt werden, dürfte jedoch in der Regel kaum bestehen.

Die obigen Ausführungen haben gezeigt, dass eine gute Qualität eines Solarwechselrichters in Bezug auf die Sicherheit wichtig ist. Deswegen ist zu warnen vor billigen Importen aus dubiosen Quellen, die womöglich die einschlägigen Vorschriften nicht erfüllen und entsprechend größere Gefahren verursachen, die vom Betreiber natürlich kaum eingeschätzt werden können.

Blindleistung

Idealerweise würde ein Wechselrichter jederzeit Blindleistung der gewünschten Art (kapazitiv oder induktiv) und Stärke – nach Anforderung vom Netzbetreiber – bereitstellen, um die Spannungshaltung im Stromnetz zu unterstützen. Für größere Anlagen (z. B. Freiflächenanlagen) werden solche Techniken normalerweise eingesetzt. Allerdings wäre der Aufwand hierfür (inklusive Fernsteuerung durch den Netzbetreiber) für kleine Geräte unverhältnismäßig hoch – auch für die Netzbetreiber. Deswegen wurde hier z. B. in Deutschland ab 2012 ein vereinfachtes Verfahren (gemäß VDE-Anwendungsregel 4105) praktiziert: Der Wechselrichter erzeugt nur bei mehr als 50 % der Nennleistung eine Blindleistung, wobei der Phasenwinkel nur von der Wirkleistung abhängt (Q(U)-Regelung). Seit 2018 soll ein verbessertes Verfahren gemäß VDE-AR-N 4105 eingesetzt werden, wobei der Phasenwinkel von der lokalen Netzspannung abhängt (aber weiterhin keine Fernsteuerung nötig ist); dies ist für die Spannungshaltung nützlicher.

Aufstellungsort

Wenn die Solarmodule eine deutlich geringere elektrische Spannung liefern als die Netzspannung, muss die Stromstärke in den Leitungen zwischen Modulen und Solarwechselrichter entsprechend höher sein. Man benötigt also entsprechend stärker ausgelegte Leitungen. Damit besteht ein Anreiz, der Wechselrichter möglichst nahe bei den Modulen zu positionieren. Andererseits kann es aber vorteilhafter sein, einen Kellerraum zu verwenden – etwa wegen der besseren Zugänglichkeit, wegen des Platzangebots oder verringerter Brandgefahren. Solche Aspekte sind im konkreten Fall gegeneinander abzuwägen.

Ertrags- und Anlagenüberwachung

Die Überwachung von Stromerträgen und des Zustands der Anlage geht über die Kernaufgaben eines Wechselrichters hinaus. Jedoch werden sie häufig realisiert in einem Gerät, dessen Hauptkomponente der Wechselrichter ist.

Natürlich ist eine Ertrags- und Anlagenüberwachung sehr wünschenswert, um diverse möglicherweise auftretende Probleme möglichst rasch zu erkennen und damit auch beheben zu können. Dies betrifft nicht nur Probleme mit dem Wechselrichter, sondern vor allem diverse externe Fehlermöglichkeiten. Beispielsweise können Defekte an Solarmodulen oder deren Verkabelung auftreten (etwa durch Korrosion an elektrischen Steckverbindungen), oder das fortschreitende Wachstum von Pflanzen kann zu einer zunehmenden Verschattung der Module führen. Hinzu kommt die allmähliche Alterung der Solarmodule. Da manche dieser Probleme schwer direkt erkennbar sind, ist eine Überwachung des Ertrags hilfreich. Wenn diese nicht nur die jeweilige Tagesproduktion angibt, sondern den kompletten zeitlichen Verlauf der Produktion an jedem Tag liefert, können die Fehlermöglichkeiten auch rasch ein Stück weit eingegrenzt werden. Somit wird eine rasche Diagnose und Behebung erleichtert.

Der moderne Ansatz basiert auf Elektronik mit moderater Komplexität innerhalb des Wechselrichter-Geräts, aber mit einem Netzwerk-Interface zur Verbindung mit dem Datennetzwerk des Hauses und ggf. mit dem Internet. Das Gerät muss dafür nur Rohdaten liefern, die dann z. B. auf einem PC mit geeigneter Software detailliert ausgewertet werden kann. Alternativ kann die Datenverarbeitung auf einem Server im Internet (betrieben etwa vom Hersteller der Solaranlage) erfolgen, wobei die Resultate z. B. per Web-Interface geliefert werden. Sie können dann also mit einem gewöhnlichen Internet-Browser oder auch mit einer entsprechenden App auf einem Smartphone betrachtet werden – nicht nur von zu Hause aus, sondern via Mobilfunk praktisch überall.

Dieser Ansatz ist relativ kostengünstig, da der Hardwareaufwand im Haus reduziert wird, und gleichzeitig flexibler, da die verwendete Software leichter aktualisiert werden kann. Am Wechselrichter-Gerät selbst braucht man dann kein aufwendiges graphisches Display mehr, sondern nur relativ einfache Signallampen und evtl. eine einfache Digitalanzeige für die momentan abgegebene Leistung.

Verbindung mit einem Solarstromspeicher

Manche Solaranlagen enthalten außer den Solarmodulen auch einen Solarstromspeicher. Die verwendete Elektronik muss natürlich entsprechende zusätzliche Funktionen erfüllen – beispielsweise eine sinnvolle Lade- und Entladestrategie realisieren. Der Wechselrichter kann dann auch beispielsweise aus dem Speicher (basierend auf Batterien) benötigte Leistung beziehen, wenn gerade kein Solarstrom zur Verfügung steht. In manchen Fällen kann bei einem Stromausfall auch ein Inselnetz betrieben werden.

Solche Funktionen gehen weit über diejenigen eines Wechselrichters hinaus, können aber von komplexeren Geräten übernommen werden, die einen Wechselrichter als ihre größte Komponente enthalten.

Fragen und Kommentare von Lesern

Hier können Sie Fragen und Kommentare zur Veröffentlichung und Beantwortung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass die Sache von breitem Interesse ist.

Datenschutz: Bitte geben Sie hier keine personenbezogenen Daten ein. Wir würden solche allerdings ohnehin nicht veröffentlichen und bei uns bald löschen. Siehe auch unsere Datenschutzerklärung.

Wenn Sie eine persönliche Rückmeldung oder eine Beratung vom Autor wünschen, schreiben Sie ihm bitte per E-Mail.

Ihre Frage oder Ihr Kommentar:

Ihr Hintergrund (freiwillige Angabe):

Spam-Prüfung:

  (Bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihre Eingaben gemäß unseren Regeln hier zu veröffentlichen.

Siehe auch: Wechselrichter, Photovoltaik, Solarmodul, Stromnetz, Solarstromspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Haustechnik

preview

Wenn Ihnen diese Website gefällt, teilen Sie das doch auch Ihren Freunden und Kollegen mit – z. B. über Social Media durch einen Klick hier:

Diese Sharing-Buttons sind datenschutzfreundlich eingerichtet!

Code für Links auf anderen Webseiten

Wenn Sie einen Link auf diesen Artikel anderswo platzieren möchten (z. B. auf Ihrer Website, Social Media, Diskussionsforen oder in der Wikipedia), finden Sie hier den benötigten Code. Solche Links können z. B. für Worterklärungen sehr nützlich sein.

HTML-Link auf diesen Artikel:

<a href="https://www.energie-lexikon.info/solarwechselrichter.html">
Artikel über Solarwechselrichter</a>
im <a href="https://www.energie-lexikon.info/">RP-Energie-Lexikon</a>

Mit Vorschaubild (siehe den Kasten direkt über diesem):

<a href="https://www.energie-lexikon.info/solarwechselrichter.html">
<img src="https://www.energie-lexikon.info/previews/solarwechselrichter.png"
alt="Artikel" style="width:400px"></a>

Falls Sie es für angemessen halten, einen Link in der Wikipedia zu setzen, z. B. unter "==Weblinks==":

* [https://www.energie-lexikon.info/solarwechselrichter.html
Artikel über 'Solarwechselrichter' im RP-Energie-Lexikon]