Ausgangspunkt bei der Planung einer PV-Anlage wird immer der Wunsch des Kunden sein, mit wenig Installationsaufwand und Kapitaleinsatz die größtmögliche Menge an Solarstrom und Einspeisevergütung zu erzielen. Zu den feststehenden Rahmenbedingungen gehören dabei die vorhandene Fläche, die (Dach-)Neigung und der Standort. Variabel dagegen ist die technische Ausstattung der Anlage, insbesondere die Solarmodule und der Wechselrichter. PV-Module gibt es mittlerweile in sehr großer Auswahl, seien es mono- oder polykristalline oder Dünnschichtmodule. Doch auch auf dem Wechselrichtermarkt steht eine Fülle von Geräten bereit, sodass sich für jede individuelle Anforderung das geeignete Modell finden lässt.
Funktion und Arten von Wechselrichtern
Der Wechselrichter hat in PV-Anlagen die Aufgabe, den vom PV-Generator gelieferten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln und ihn ins Netz einzuspeisen.
Dabei unterscheidet man:
- Modulwechselrichter,
- Stringwechselrichter,
- Zentralwechselrichter.
Für welchen Typ man sich entscheidet, hängt vor allem vom angestrebten Leistungsbereich der PV-Anlage ab.
Modulwechselrichter werden direkt am PV-Modul montiert und eignen sich daher nur für Anlagen mit sehr kleinen Leistungen bis etwa 1 kW. Der Vorteil dieses Wechselrichters liegt insbesondere darin, dass Mismatching-Verluste (Info-Kasten) ausgeschlossen sind. Als Nachteile erweisen sich der im Vergleich zu anderen Wechselrichtertypen geringe Wirkungsgrad, der umgerechnet auf die Leistung relativ hohe Preis sowie die Tatsache, dass die Geräte zusammen mit dem Modul direkt auf dem Dach unterbracht werden müssen, was sowohl die Fehleranalyse als auch den Austausch erschwert. Modulwechselrichter spielen deshalb nur eine untergeordnete Rolle im PV-Markt. Bei netzgekoppelten PV-Anlagen kommen überwiegend Stringwechselrichter und Zentralwechselrichter zum Tragen.
Wechselrichter für mittlere und größere Leistungen
Beim Einsatz von Stringwechselrichtern (Strangwechselrichtern) teilt man den PV-Generator in Stränge auf und schließt diese an den Wechselrichter an. Der große Vorteil dieses dezentralen Konzepts liegt darin, dass man jeweils die Module zusammenbringen kann, die den gleichen Bedingungen unterliegen. Mismatching-Verluste und Verschattungseinbußen lassen sich dadurch minimieren. Je nach Gesamtzahl der Module setzt man pro Anlage viele oder auch nur einen Stringwechselrichter ein. Im letzteren Fall bietet sich je nach Anlagengröße auch ein Multistringwechselrichter an. Er verfügt über mehrere MPP-Tracker (MPP = Maximum Power Point), wodurch man die Möglichkeit hat, auch Stränge unterschiedlicher Modulzahl, Neigung oder Ausrichtung zusammenzufassen.
Die Wechselrichter der SolarMax MTSerie des Schweizer Herstellers Sputnik Engineering haben zum Beispiel bis zu drei MPP-Tracker, sodass sich die Betriebspunkte der einzelnen Modulstränge individuell einstellen lassen. Stringwechselrichter empfehlen sich besonders für kleine bis mittelgroße Anlagen im Leistungsbereich von 2 bis 30 kW. Mit größeren Stringwechselrichtern lassen sich Anlagen bis etwa 100 kW Leistung realisieren.
Plant man eine große bis sehr große PV-Anlage, also mit Leistungen ab etwa 30 kW bis in den MW-Bereich, wird der Zentralwechselrichter interessant. Bei diesem zentralen Konzept fasst man viele Modulstränge zusammen und schließt sie (in der Regel über einen Generatoranschlusskasten) an einen Wechselrichter an. Dieses Konzept eignet sich insbesondere für Fälle, bei denen die PV-Module nahezu gleichen Bedingungen (Neigung, Ausrichtung) unterliegen. Zentralwechselrichter werden hauptsächlich in Großanlagen eingesetzt, bei denen Stringwechselrichter, die dann in hoher Zahl notwendig wären, aus Kosten- und Wartungsgründen nicht mehr effektiv sind.
Überwachung und Wartung lassen sich bei Zentralwechselrichtern sehr einfach realisieren. Um Ertragseinbußen zu minimieren, bieten die namhaften Hersteller Serviceverträge an. Meist basieren die Servicevereinbarungen auf einer Kommunikationslösung, die eine ständige Anlagenüberwachung ermöglicht. Die Firma Sputnik Engineering bietet hier für ihre Solarmax-Wechselrichter das Service-Paket „Max Control“ an. Dieses garantiert bis zu 20 Jahre lang eine technische Verfügbarkeit von 97%, was den Anlagenbetreiber vor finanziellen Einbußen schützt.
Umgebungsbedingungen sind ebenfalls zu beachten
Eng mit der Größe der Anlage hängt der Aufstellungsort des Wechselrichters zusammen. Dominieren bei Dachanlagen im Privatbereich der Keller, der Hauswirtschaftsraum oder auch der Dachboden, so steht bei PV-Anlagen auf Hallendächern in Industriegebieten oft ein eigener Raum für den Wechselrichter zur Verfügung. Handelt es sich dagegen um Freiflächenanlagen oder Anlagen im landwirtschaftlichen Umfeld, ist an einen Außeneinsatz zu denken. Häufig werden auch begehbare Betonstationen mit Mittelspannungstransformator eingesetzt. Angesichts dieser vielfältig möglichen Umgebungsbedingungen spielen beim Wechselrichter der ausreichende Betriebstemperaturbereich und die richtige Schutzart eine große Rolle. Geräte für den Inneneinsatz werden mit IP20 bis IP44 angeboten, im Außeneinsatz benötigt man die Schutzklassen IP54 bis IP65.
Wechselrichter mit oder ohne Trafo
Lange Zeit dominierten auf dem PV-Markt Wechselrichter mit integrierten Transformatoren, also mit einer galvanischen Trennung. Seit einigen Jahren setzen sich jedoch verstärkt transformatorlose Wechselrichter auf dem Markt durch, die mit einigen Vorteilen gegenüber der herkömmlichen Variante aufwarten können.
Das Hauptargument für einen transformatorlosen Wechselrichter ist der Wegfall der Umwandlungsverluste im Trafo, was sich in einem höheren Wirkungsgrad bis etwa 98 % bemerkbar macht. Hinzu kommen Materialeinsparungen, die ein geringeres Gewicht bei gleicher Nennleistung zur Folge haben und letztlich die Kosten senken.
Wegen der hohen Spannungen auf der Gleichspannungsseite ergeben sich jedoch erhöhte Anforderungen an die Sicherheit, die bei der Projektierung eingeplant werden müssen. Für einen Wechselrichter mit Transformator spricht, dass bei dessen Einsatz der PV-Generator sowohl positiv als auch negativ geerdet werden kann. Dies ist bei der Verwendung einiger Dünnschicht-Modultypen (Info-Kasten) von Bedeutung, weil diese eine negative Erdung des Generators verlangen. Einige Dünnschichtmodultypen lassen sich aber auch ohne Einschränkung mit trafolosen Wechselrichtern kombinieren. Bei der Kombination von Modulen und Wechselrichtern sollte man stets die herstellerspezifischen Freigaben beachten.
Informationsangebote der Wechselrichterhersteller
Diese Ausführungen zeigen deutlich, dass die Auswahl eines geeigneten Wechselrichters sich niemals nur allein auf den angestrebten Wirkungsgrad oder die Größe und Umgebung der Anlage beziehen darf, sondern in erster Linie im Zusammenhang mit den verwendeten Modulen betrachtet werden muss. Die Hersteller von PV-Modulen und Wechselrichtern arbeiten aus diesem Grunde zunehmend zusammen. Einige Modulhersteller geben mittlerweile in ihren technischen Unterlagen Hinweise zu geeigneten Wechselrichterarten und zur Erdung des Generators an.
Von großer Wichtigkeit ist außerdem die Überprüfung, ob die Spannungsbereiche von Modul und Wechselrichter zueinander passen. Die notwendigen Angaben findet man in den jeweiligen Datenblättern, die man von den Webseiten der Hersteller herunterladen kann. Darüber hinaus geben die kostenlosen Auslegungsprogramme der Wechselrichterhersteller eine äußerst praktische Hilfestellung, das geeignete Gerät für jede technische Umgebung zu finden, so dass am Ende nicht nur der Planer/Installateur, sondern auch der Kunde mit seiner PV-Anlage und deren Wirkungsgrad rundum zufrieden ist.
Definition
Einige Begriffe aus der PV
Mismatching: Nicht alle PV-Module in einem Strang liefern exakt die gleiche Leistung. Die Ursachen können sein:
fehlende Sortenreinheit
Fabrikationsunterschiede innerhalb der Modul-Serie
uneinheitliche Modulneigung und damit unterschiedliche Einstrahlung usw.
Oft werden auch Verschattungen zum Mismatching gezählt. Da die verminderte Leistung eines einzelnen Moduls die Leistung des gesamten Strangs beeinträchtigt, sollte man Mismatching-Verluste so gering wie möglich halten.
Dünnschichtmodule: Auf ein Trägermaterial (Glas, Kunststoff oder Metallfolie) wird eine extrem dünne Halbleiterschicht aufgedampft. Die gängigsten Beschichtungen sind amorphes Silizium (a-Si), Cadmium-Tellurid (CdTe) und KupferIndium-Diselenid (CIS).
Europäischer Wirkungsgrad: Da der Wechselrichter übers Jahr gesehen meist im Teillastbereich arbeitet, ist der maximale Wirkungsgrad ein optimaler Wirkungsgrad, der in der Praxis so nicht erreicht wird. Daher führte man den Europäischen Wirkungsgrad ein, der die Teillastbereiche zusammenfasst, mittelt und nach europäischer Häufigkeit bewertet. Beispiel ist der Wechselrichter Solarmax MT mit einem maximalen Wirkungsgrad von 98 % und einem Europäischer Wirkungsgrad von 97,5 %.
INFO
Software
Auf der Website des Wechselrichter-Herstellers Sputnik Engineering AG gibt es das kostenloses Auslegungsprogramm Maxdesign 3.0 unter dem Menüpunkt Downloads:
