Wechselrichter

Was ist ein Wechselrichter?

Der Wechselrichter gehört zu den bekanntesten und wichtigsten Komponenten einer Photovoltaikanlage. Wechselrichter, die auch Stromwandler, Spannungswandler, Inverter oder Netzeinspeisegeräte (NEG) genannt werden, wandeln in einer netzgekoppelten Anlage den von den Solarmodulen gewonnenen Gleichstrom in Wechselstrom um. Dies ist unerlässlich, da die allermeisten Haushaltsgeräte nur mit Wechselstrom betrieben werden können. Doch neben dem „Wechselrichten“ von Gleichstrom zu Wechselstrom kommen dem Gerät noch eine Reihe weiterer Funktionen zu. Auf dem Markt gibt es unterschiedliche Wechselrichter-Arten.

Funktionen und Aufgaben

Als zentraler Punkt der Solaranlage wird der Wechselrichter oft als dessen Herzstück bezeichnet. Tatsächlich kommen dieser Komponente eine Reihe verschiedener Aufgaben und Funktionen zu, die wesentlich für den erfolgreichen und profitablen Betrieb einer Anlage sind. Diese reichen von Steuerung, Stromumwandlung, über Leistungsoptimierung bis hin zu Sicherheitsaspekten. Hier werden alle Aspekte genau erklärt:

Stromumwandlung durch den Wechselrichter

Die wichtigste und bekannteste Aufgabe des Wechselrichters besteht in der Stromumwandlung. Konkret wird Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) oder dreiphasigen Wechselstrom bzw. Drehstrom für höhere Leistungsbereiche umgewandelt.

Was ist eigentlich Gleichstrom? Bei Gleichstrom handelt es sich um Strom, dessen Polarität zeitlich konstant ist. Und was ist Wechselstrom? Dies ist Strom, der seine Polarität in regelmäßigen Abständen wechselt. Üblich ist eine Wechselstromfrequenz von 50 Hertz, was so viel bedeutet wie, dass der Strom 50-mal pro Sekunde seine Polarität wechselt.

Diese Stromumwandlung ist zwingend notwendig, da die deutschen Stromnetze und auch die Hausnetze bzw. hausinternen Stromleitungen mit Wechselstrom arbeiten. Nur Wechselstrom kann mithilfe von Transformatoren auf hohe Spannungsniveaus gebracht werden. Dies ist wichtig, da bei hohen Spannungen im Gegensatz zu geringen Spannungen die Transportverluste geringgehalten werden können.

Der durch die Solaranlage gewonnene Strom wird durch diese Umwandlung also quasi erst „kompatibel” für die öffentlichen und privaten Stromnetze gemacht. Anschließend kann der Strom eingespeist, mit einem Stromspeicher zwischengespeichert oder über eine Wallbox einem Elektroauto zur Verfügung gestellt werden.

Die Entwicklung neuer elektronischer Bauelemente macht mittlerweile auch die Erzeugung von Hochspannungsgleichstrom möglich. Insofern ließe sich nun auch die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) realisieren. Das macht aber in der Praxis wenig Sinn, da das Stromnetz fast ausschließlich auf Wechselstromübertragung beruht.

Steuerung

Eine wichtige Funktion, die der Wechselrichter ausführt, ist die Steuerung der Solaranlage. So stellt er den genauen Zeitpunkt fest, wann es morgens hell wird und wann mit der Stromerzeugung bzw. Einspeisung begonnen werden kann. Dies ist essenziell für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb.

Darüber hinaus kümmert er sich darum, die Einstellungen in Bezug auf Einspeisung auszuführen. Hier kann es verschiedene Konzepte wie zum Beispiel Nulleinspeisung, Überschusseinspeisung oder Volleinspeisung geben. Damit sich eine Nulleinspeisung einstellen lässt, sollten digitaler Stromzähler und Wechselrichter vom gleichen Hersteller stammen.

Leistungsoptimierung durch MPP-Tracker

Der MPP-Tracker eines Wechselrichters sorgt dafür, dass die Solaranlage stets das Maximum an möglichen Solarerträgen erzeugen kann. Die Abkürzung „MPP” steht für „Maximum Power Point”. Welcher Punkt ist damit konkret gemeint? Der Punkt, auf den die Abkürzung „MPP” anspielt, ist der Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Modulstrings, an dem das Solarmodul die höchste Leistung erbringt. Er ist abhängig von Spannung, Stromstärke, Einstrahlung und Temperatur.

Da diese Faktoren permanenten Schwankungen ausgesetzt sind, kann sich auch der entsprechende Arbeitspunkt kontinuierlich ändern. Der MPP-Tracker kümmert sich darum, dass die Leistung der Solarmodule durchgehend auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abgestimmt ist. Mikrocontroller übernehmen diese Funktionen, die herstellerseitig mithilfe von Software und Algorithmen stetig optimiert werden.

Der MPP-Tracker sorgt also für die Selbsteinstellung des Wechselrichters im Hinblick auf eine optimale Stromausbeute. Durch ein ständiges Anpassen der Spannung werden die Module im optimalen Arbeitspunkt betrieben. Je größer der MPP-Spannungsbereich, desto variabler ist der Wechselrichter in seiner Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Bedingungen.

Es besteht die Möglichkeit, dass der Wechselrichter für kurze Zeit den „Maximum Power Point” verlässt, um beispielsweise bei hohen Temperaturen im Wechselrichtergehäuse für Abkühlung zu sorgen. Abschließend ist festzuhalten, dass, wenn es keinen MPP-Tracker geben würde, sondern nur eine starre Einstellung, letztendlich deutlich weniger Strom produziert werden könnte.

Sicherheit

Zu den weiteren Aufgaben von Wechselrichtern gehört auch das Wahren der Sicherheit. Eine mögliche Gefahr besteht beispielsweise in der Überhitzung. Dies kann das Gerät über eine integrierte Kühlfunktion verhindern. Regelmäßige Wärmeabfuhr sorgt für eine ausgeglichene Temperatur und damit für Sicherheit.

Dank DC-Trennvorrichtung sind auch Wartungsarbeiten am Wechselrichter während des laufenden Betriebes der Solaranlage möglich. Die Vorrichtung koppelt den Wechselrichter unter Last der Solarmodule ab. Andernfalls müssten die Module aufwendig verdunkelt werden.

Stromnetzüberwachung

Um das sensible Stromnetz vor einer Überlastung oder einem Netzzusammenbruch zu schützen, stellt der Wechselrichter sicher, dass bestimmte Netzparameter eingehalten werden. Besonders wichtig für die Netzstabilität ist eine konstante Frequenz von etwa 50 Hertz. Daher müssen Spannung, Frequenz und Impedanz kontinuierlich vom Wechselrichter überwacht werden. Er stellt sicher, dass sich diese Werte in einem bestimmten Toleranzbereich befinden. Kommt es hier zu einer Überschreitung bestimmter Grenzwerte, ist das Gerät mithilfe einer Trennvorrichtung dazu in der Lage, die Solaranlage automatisiert vom Stromnetz zu trennen.

Überwachung: Solaranlage und Solarerträge

Mithilfe einer Kommunikationsschnittstelle kann der Wechselrichter die Solaranlage überwachen. Spannung, Stromstärke und Leistung der Photovoltaikanlage können so erfasst werden. Betriebsdaten und Fehlermeldungen können über ein Display sichtbar gemacht und anschließend schnell behoben werden.

Falls es sich um ein smartes Gerät mit einem Datenlogger handelt, können die vom Wechselrichter gesammelten Daten auch via Smartphone-App, Software oder in einem Online-Portal eingesehen werden. Die Visualisierung dieser Daten führt oft zu mehr Energieeffizienz. Denn durch die Auswertung lässt sich die Eigennutzung des PV-Stroms oft noch weiter optimieren.

Wirkungsgrad von Wechselrichtern

Wie viel der Eingangsleistung auf der Gleichstromseite kann als Leistung auf der Wechselstromseite wieder abgegeben werden? Je höher dieser Wert ausfällt, desto höher ist der Wirkungsgrad des Wechselrichters. Liegt der Wirkungsrad bei 97 Prozent, können 10 kW Eingangsleistung in 9,7 kW Ausgangsleistung (AC-Nennleistung) umgewandelt werden. Somit zeigt der Wirkungsgrad an, wieviel des erzeugten Stroms nach der Umwandlung durch den Wechselrichter noch genutzt oder eingespeist werden kann.

Da sich die Eingangsleistung allerdings über den Tag hinweg ändert und wetterabhängig ist, ändert sich auch der Wirkungsgrad eines Wechselrichters kontinuierlich. Zumal der Wechselrichter oft im Teillastbetrieb arbeitet. Die Angabe eines Höchstwertes hat daher nur geringe Aussagekraft, da es sich dabei um eine Momentaufnahme unter Idealbedingungen handelt, die – insofern es sich um den Spitzenwirkungsgrad handelt – nur auf dem Messstand, also unter Laborbedingungen, erreicht wird.

Informiert man sich über Wechselrichter und deren Effizienz, stößt man auf verschiedene Wirkungsrade. Was Spitzenwirkungsgrad, europäischer Wirkungsgrad, kalifornischer Wirkungsgrad, Gesamtwirkungsgrad und der Photon-Wirkungsgrad genau bedeuten, erklären wir im folgenden Abschnitt.

Spitzenwirkungsgrad

Der Spitzen­wirkungs­grad bezeichnet den maximalen Wirkungsgrad von Wechselrichtern, der unter optimalen Bedingungen gemessen wird. Dies geschieht in der Regel an Universitäten oder in Forschungseinrichtungen, wo anhand von künstlich simulierten Bedingungen in einer Laborumgebung der höchstmögliche Wirkungsgrad berechnet wird. Der Spitzenwirkungsgrad ist zwar ein durchaus interessanter und informativer Anhaltspunkt, hat aber angesichts der gewissermaßen unrealistischen Voraussetzungen nur begrenzte Aussagekraft für die Wirtschaftlichkeit unter realen Bedingungen.

Europäischer Wirkungsgrad

Der sogenannte „europäische Wirkungsgrad” ist hingegen schon wesentlich nützlicher. Er beschreibt den unter mitteleuropäischen Wetterbedingungen durchschnittlich erreichbaren Wirkungsgrad eines Wechselrichters. Da es sich um einen Durchschnittswert handelt, ist der Wert nicht für jede Region exakt zutreffend. Außerdem ist zu kritisieren, dass nicht definiert ist, welche Eingangsspannung genutzt werden muss. Dennoch stellt der „europäische Wirkungsgrad” ein repräsentativeres Leistungsbild und einen sinnvollen Anhaltspunkt dar. 

Kalifornischer Wirkungsgrad

Für sonnenintensivere Regionen, für die der europäische Wirkungsgrad zu ungenau wäre, wurde der kalifornische Wirkungsgrad entwickelt. Bei den zugrundeliegenden Berechnungen wird eine höhere Sonneneinstrahlung vorausgesetzt als dies für europäische Verhältnisse durchschnittlich wäre. Demzufolge wird er bei der Angabe von Wirkungsgraden bei Wechselrichtern in Europa eigentlich nicht verwendet.

Gesamtwirkungsgrad

Aufgrund der Kritik von Fachleuten an der immer noch mangelnden Exaktheit des europäischen Wirkungsgrades, wurde der sogenannte Gesamtwirkungsgrad entwickelt. Dieser soll den europäischen Wirkungsgrad künftig ergänzen oder sogar als Norm ersetzen. Bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades werden insgesamt 20 verschiedene Spannungszustände gemessen. Durch diese hohe Anzahl an verschiedenen Spannungszuständen soll sich ein noch realistischeres Leistungsmuster abbilden lassen. 

Fachmagazin entwickelt eigenen Test bzw. Wirkungsgrad

In Folge von Bedenken, ob der Gesamtwirkungsgrad im Hinblick auf seine Aussagekraft genau genug ist, haben Mitarbeiter des Fachmagazins Photon selber einen Wechselrichter-Test entwickelt. Daraus ergibt sich der nach dem Namen des Magazins benannte „Photon Wirkungsgrad“. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, unter Laborbedingungen die gesamten Leistungsbereiche der Eingangsspannung zu betrachten, um so ein reales Wechselrichterverhalten zu simulieren.

Welche Wechselrichter-Arten gibt es?

Für unterschiedliche Solaranlagen gibt es auch unterschiedliche Wechselrichter. Dabei unterscheidet man zwischen einer ganzen Reihe verschiedener Wechselrichter-Arten. Handelt es sich um eine Inselanlage oder eine netzgekoppelte Solaranlage? Außerdem unterscheidet man Trafo-Wechselrichter von trafolosen Wechselrichtern. Während Stringwechselrichter einen String überwachen, übernehmen Multistringwechselrichter die Steuerung von gleich mehreren Strings. Ein String besteht in etwa aus 8 bis 20 in Reihe geschalteter Solarmodule. Bei Solaranlagen mit sehr hoher Leistung im Gigawatt-Bereich werden oft Zentralwechselrichter eingesetzt.

Kleinstanlagen wie Balkonkraftwerke benötigen hingegen einen Modulwechselrichter bzw. Mikrowechselrichter. Diese Wechselrichter-Art wird direkt am Modul befestigt. In Verbindung mit Stromspeichern wird bei Nachrüstung auf Batteriewechselrichter zurückgegriffen. Ist die Integration eines Speichers bereits vorab geplant, werden in der Regel Hybridwechselrichter verwendet. Für besonders hohe Wirkungsgrade eignen sich die Wechselrichter des Herstellers SolarEdge. Die Besonderheit dieses Modells: An den Solarmodulen angebrachte Leistungsoptimierer sorgen für zusätzliche Energieeffizienz. Während Wechselrichter für Dünnschichtmodule heutzutage nur noch vereinzelt Anwendung finden, sind Siliziumkarbonid-Wechselrichter, auch SiC-Wechselrichter genannt, noch in der Entwicklung befindlich bzw. noch nicht endgültig für den Massenmarkt konzipiert.

Wechselrichter kaufen: Kosten und Hersteller

Beim Kauf eines Wechselrichters sollten Sie immer einen Solarteur oder Elektrofachbetrieb miteinbeziehen. Um das passende Gerät für die eigene Solaranlage zu finden, müssen viele Parameter bedacht werden. Hier besteht zwangsläufig Beratungsbedarf. Dies ist vor allem notwendig, wenn ein einzelnes Gerät nachträglich verbaut werden soll. Denn normalerweise gibt man eine komplette Photovoltaikanlage bei einem Fachbetrieb in Auftrag. Hier ist neben Solarmodulen, Stromspeicher (optional), Wallbox (optional), Solarkabeln und anderen Komponenten auch ein Wechselrichter enthalten.

Was kostet ein Wechselrichter?

Ein einzelner Wechselrichter kostet ca. 200 bis 2500 Euro. Pro Kilowatt Leistung, die das Gerät hat, rechnet man ungefähr 200 bis 240 Euro brutto als Kosten. Dementsprechend sind für einen Wechselrichter mit einer Leistung von 1 kW ca. 200 € zu bezahlen. Neben der Nennleistung bestimmen Hersteller, Qualität, Einsatzort und Wechselrichter-Art den Preis. Beauftragt man einen Solarteur, um eine Solaranlage installieren zu lassen, entfallen auf die Position des Wechselrichters im Angebot in etwa 10 bis 15 Prozent.

Welche Hersteller gibt es?

Ähnlich wie bei Solarmodulen, gibt es auch bei Wechselrichtern zahlreiche Hersteller auf dem Markt. Bestimmte Hersteller von Wechselrichtern haben ein breit diversifiziertes Produktportfolio, andere haben sich auf bestimmte Gerätetypen spezialisiert. Auch in Bezug auf den Einsatzbereich unterscheiden sich bestimmte Hersteller voneinander. In der folgenden Tabelle werden mehrere Hersteller von Wechselrichtern kurz vorgestellt:

Wie viele Wechselrichter sind ideal?

Wie viele Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage dem Optimum entsprechen, ist nicht pauschal zu sagen. Die richtige Anzahl hängt von vielen individuellen Faktoren ab. Einerseits kann es vorteilhaft sein, wenige Stromwandler zu haben. Andererseits sprechen bestimmte Argumente wiederum dafür, mehrere Geräte einzusetzen. In der nachfolgenden Tabelle werden Vorteile für beide Varianten einander gegenübergestellt:

Was ist bei der Verkabelung von Wechselrichtern zu beachten?

Es sollten bei der Verkabelung der Wechselrichter nur Solarkabel verlegt werden, da im Umgang mit Gleichstrom höhere Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden müssen. Bei den verlegten Kabeln sollte es sich um einadrige Kabel handeln, die doppelt isoliert, extrem wetter- und erhöht temperaturbeständig, halogenfrei sowie UV-stabil sind. Der Kabelquerschnitt sollte mindestens 4 mm2 betragen, damit der Stromverlust möglichst niedrig ausfällt. Welcher Kabelquerschnitt empfehlenswert ist, hängt jedoch im Einzelfall von der Verkabelung ab. Es gilt: Je länger die Verkabelung des Wechselrichters ist, desto höher ist der Widerstand des Solarkabels und desto größer ist der Leistungsverlust über das Solarkabel. Diese Problematik fällt bei Photovoltaikanlagen für Einfamilienhäuser kaum ins Gewicht. Geht es allerdings um ein Projekt im Bereich Photovoltaik für Gewerbe und Industrie oder einen Solarpark ist die Verkabelung des Wechselrichters nicht zu vernachlässigen. 

Voraussetzungen für Netzeinspeisung

Netzgeführt: Der Wechselrichter muss netzgeführt sein. Er bekommt die Einspeisefrequenz vom Stromnetz vorgegeben. Eine Ausnahme stellen Inselanlagen dar, die bekanntermaßen über keinen eigenen Netzanschluss verfügen.

Fernsteuerbarkeit: Solaranlagen, die mit einer Leistung von mehr als 100 kWp ausgestattet sind, müssen einen Wechselrichter haben, der vom Netzbetreiber ferngesteuert werden kann.

Herunterregelbarkeit: Hat die Solaranlage eine Leistung zwischen 30 und 100 kWp, muss für den Netzbetreiber die Möglichkeit bestehen, die Anlage zu jedem Zeitpunkt herunterzuregeln.

Einphasiger oder dreiphasiger Wechselrichter?

Dreiphasige Wechselrichter sind für größere private oder auch gewerbliche Photovoltaikprojekte geeignet. Im Vergleich zu einphasigen Geräten ist diese Variante dazu in der Lage, mehr Spannung und damit Leistung abzuliefern. Außerdem sind sie robuster, effizienter im Betrieb, dafür aber teurer in der Anschaffung. Solaranlagen ab 5 kWp Leistung sollten auf einen dreiphasigen Wechselrichter zurückgreifen.

Besitzt die PV-Anlage hingegen weniger als 5 kWp, kann ein einphasiger Wechselrichter verwendet werden. Diese Geräte sind kleiner, kompakter, kostengünstiger, zuverlässiger, langlebiger, besitzen ein geringeres Gewicht und sind einfacher zu installieren. Wenn ein Netzanschluss mit nur einer aktiven Phase vorhanden ist, wird auf einphasige Wechselrichter zurückgegriffen.

Wo sollte der Wechselrichter im Stromkreis positioniert werden?

Bei einer netzgekoppelten Solaranlage kann der Wechselrichter unterschiedliche Positionen einnehmen. Das hängt davon ab, inwiefern der Strom eingespeist bzw. verbraucht und gespeichert werden soll. So kann der Wechselrichter zwischen Solarmodulen und Stromzähler, zwischen Solarmodulen und Verbraucher oder auch zwischen Solarmodulen und Stromspeicher installiert sein.

Weitere Tipps:

So vermeiden Sie Kabelverluste: Um Kabelverluste auf der Wechselstromseite zu vermeiden, kann es sinnvoll sein, den Wechselrichter möglichst nah am Einspeisepunkt zu montieren.

So vermeiden Sie Leistungsverluste: Nehmen die Belastungen zu, kommt es zu einer Erwärmung des Spannungswandlers. Dadurch kann es zu einer kurzfristigen Leistungsminderung kommen. Ein leicht gekühlter Aufstellungsort kann diesem Effekt allerdings entgegenwirken. Kühl, staubfrei und konstante Luftfeuchtigkeit stellen die idealen Bedingungen dar. Dazu bietet sich zum Beispiel eine Montage im Keller an.

FAQ – Häufig gestellte Fragen