Wechselrichter-Arten im Überblick

Netzgekoppelter Wechselrichter

Bei Wechselrichtern für netzgekoppelte oder auch netzgebundene Photovoltaikanlagen handelt es sich um die klassische Variante bzw. Wechselrichter-Art. Der netzgekoppelte Wechselrichter wandelt den von Solarmodulen gelieferten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um. Der Strom fließt dabei nur in Richtung Hausnetz bzw. öffentlichem Netz. Im Fall, dass das öffentliche Stromnetz ausfällt, schaltet sich auch der netzgekoppelte PV-Wechselrichter aus. Diese Variante lässt sich auch durch einen Batteriewechselrichter mit Speicher nachrüsten.

Insel-Wechselrichter: Wechselrichter-Art für Inselanlagen

Beim Betrieb einer Insel-Solaranlage ist der Einsatz einer bestimmten Wechselrichter-Art notwendig. Da eine solche Anlage in der Regel an einem Ort ohne Netzanschluss installiert ist, bezieht auch der Wechselrichter seinen Strom aus einem Speicher, in aller Regel einer Batterie. Hierbei muss die Art des Batteriespeichers auf den Ausgang des Wechselrichters abgestimmt werden. Außerdem sollte der Insel-Wechselrichter auf der Wechselstromseite nur so viel Strom abgeben, wie zu dem jeweiligen Zeitpunkt gerade benötigt wird. Da die Ausgangsspannung somit geregelt ist, können Verluste beim Verbrauch weitgehend vermieden werden. Insel-Wechselrichter sind daher oft ein wenig teurer als herkömmliche Geräte. Wichtig zu beachten: Der lastunabhängige Wechselrichter muss für die angeschlossenen Verbraucher (Fernseher, Kühlschrank, Backofen, Herd etc.) groß genug dimensioniert sein.

Trafo-Wechselrichter oder trafoloser Wechselrichter?

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Früher wurden vor allem Wechselrichter mit Transformatoren verbaut, während sich heutzutage weitgehend die transformatorlosen Modelle durchgesetzt haben. Doch worin unterscheiden sich Trafo-Wechselrichter von trafolosen Wechselrichtern und welche Variante hat in der Anwendung mehr Vorteile?

Trafo-Wechselrichter können sowohl an positiv wie auch negativ geerdete Solarmodule angeschlossen werden. Dies gilt für trafolose Wechselrichter hingegen nicht. Trafolose Wechselrichter haben einen höheren Wirkungsgrad (ca. 98 % vs. 95 % bei Trafo-Wechselrichtern), da Eingangs- und Ausgangsseite elektrisch verbunden sind. Im Gegensatz dazu führt die Spannungsumwandlung in einem Trafo zu Leistungsverlusten und damit zu einem verminderten Wirkungsgrad.

Vorteilhaft bei Wechselrichtern mit Trafo ist die Tatsache, dass zwischen den beiden Stromkreisen – Gleichstrom und Wechselstrom – keine leitende Verbindung besteht. Dieser Zustand wird im Fachjargon als galvanische Trennung bezeichnet. Dadurch können die Modulstränge auf der Gleichstromseite geerdet werden. Für bestimmte Solarmodul Arten ist eine solche Erdung unerlässlich, wie zum Beispiel für Dünnschichtmodule.

Welches Gerät in welchem Bereich über bessere Eigenschaften verfügt, ist in der folgenden Tabelle markiert:

Fazit des Vergleichs: Die Gegenüberstellung zeigt sehr deutlich, dass die Variante der trafolosen Wechselrichter den Trafo-Wechselrichtern in mehr oder weniger jeder Kategorie überlegen ist.

Modulwechselrichter

Wie der Name schon sagt, ist diese Wechselrichter-Art mit nur einem Solarmodul verknüpft. Er befindet sich direkt am Modul, meist in der Modulanschlussdose. Für Sicherheit sorgt ein Trenntransformator. Der Modulwechselrichter ist ein DC-DC-Wandler, der die Spannung so einstellt, dass das angeschlossene Solarmodul in seinem Maximum-Power-Point (MPP) betrieben wird.

Vorteile dieser Wechselrichter-Art

Diese Wechselrichter-Art eignet sich besonders gut für Balkonkraftwerke oder kleinere Photovoltaikanlagen. Die Leistung des Solarmoduls sollte zwischen 100 und 1400 W liegen, da Modulwechselrichter auf diesen Leistungsbereich begrenzt sind. Außerdem können sie als Ergänzung bestehender Anlagen installiert werden.

Da jedes Modul hier einen eigenen Wechselrichter hat, ist die Problematik der Teilverschattung weniger relevant. Würde die Planung ergeben, dass bestimmte Solarmodule während des Tagesverlaufs im Schatten liegen, kann ein Modulwechselrichter die geeignete Lösung darstellen. Da diese Wechselrichter-Art individuell auf sich ändernde Strahlungseinfälle reagieren kann, würde sich die Leistung so am effizientesten regeln lassen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Wechselrichter nicht über Gleichstrom verkabelt werden müssen. Des Weiteren fällt positiv ins Gewicht, dass Modulwechselrichter ungefähr die Hälfte der Kabellänge benötigen wie andere Wechselrichter-Arten.

Nachteile

Da diese Wechselrichter-Art bei größeren Solaranlagen sowieso nicht verwendet wird, ist es überflüssig, darauf hinzuweisen, dass der Wirkungsgrad bei dem Einsatz unzähliger Modulwechselrichter geringer ist, während Wartungsaufwand und Fehlerpotenzial höher sind. Daran anschließend ergibt es sich mehr oder weniger von selber, dass es umständlicher ist, mehrere Geräte zu reparieren als nur eines. Durch eine professionelle Planung wird automatisch die effizienteste Lösung ermittelt und solche Problematiken können von Vornherein umgangen werden.

Stringwechselrichter

Der Stringwechselrichter oder auch Strangwechselrichter ist die häufigste und verbreitetste Wechselrichter-Art. Er ist für kleinere Solaranlagen mit einer Leistung von 500 bis 3.000 W konzipiert und besonders preisgünstig. Bei dieser Variante ist der Wechselrichter für einen gesamten Strang in Reihe geschalteter Solarmodule zuständig, mit denen er über ein Kabel verbunden ist. Stringwechselrichter besitzen nur einen MPP-Tracker.

Gibt es mehrere Stränge bei der Solaranlage, sind auch mehrere Spannungswandler notwendig. Da sich die in Reihe geschalteten Module gegenseitig beeinflussen, sorgen Verschattungen oder andere negativ wirkenden Faktoren für eine Beeinträchtigung aller Solarzellen.

Im Vergleich zu Modulwechselrichtern haben Stringwechselrichter einen höheren Wirkungsgrad. Auch die Wartung ist bei dieser Wechselrichter-Art einfacher durchzuführen. Schließlich ist das Gerät nicht auf dem Dach montiert, sondern im Haustechnikraum zum Beispiel neben dem Smart Meter.

Wechselrichter-Art für mehrere Strings: Multistringwechselrichter

Unter welchen Bedingungen werden Multistringwechselrichter von Solarteuren eingesetzt? Diese Wechselrichter-Art eignet sich besonders gut für Photovoltaikanlagen mittlerer Größe. Bei dieser Variante verlaufen mehrere Strings in Reihe geschalteter Solarmodule zu einem Multistringwechselrichter. Er ist ein- oder dreiphasig und mit mehr als einem MPP-Tracker ausgestattet. Dass ein Projektentwickler im Vorfeld mehrere Strings plant, kann an verschiedenen Faktoren liegen. Bei parallel geschalteten Modulen und einer unterschiedlichen Ausrichtung und Neigung ist der Multistringwechselrichter häufig die effizienteste und kostengünstigste Wechselrichter-Art. Wie bereits angedeutet, sollten Sie sich, als Interessent für den großen Bereich der Photovoltaik, vorab ausführlich informieren und sich von einem Fachbetrieb beraten lassen.

Zentralwechselrichter

Bei der Projektierung von Solaranlagen mit einer Leistung von mehreren 100 kWp bis einigen MWp, wie sehr großen Gewerbeanlagen, Solarparks und Agri-PV, wird auf Zentralwechselrichter zurückgegriffen. Diese Wechselrichter-Art eignet sich besonders gut für sehr große Solaranlagen mit homogenem Generator. Denn dann weisen die Solarmodule ähnliche oder gleiche Neigungs- und Einstrahlungsverhältnisse auf. Das Gerät ist meist in einem eigenen Raum untergebracht, wo die Modulstränge über einen Generatoranschlusskasten an einer zentralen Stelle zusammengeführt werden. Trotz sehr großer Leistung besitzt er in der Regel nur einen MPP-Tracker.

Vorteilhaft ist der hohe Wirkungsgrad des Zentralwechselrichters. Die Nutzung eines zentralen Gerätes ist kostengünstiger, wartungsärmer und schneller zu installieren. Bei einer Störung betrifft dies direkt die gesamte Solaranlage. Das kann als Nachteil dieser Wechselrichter-Art angesehen werden.

Batteriewechselrichter

Möchte man eine Bestandsanlage nachträglich mit einem Stromspeicher kombinieren, kann es sinnvoll sein, einen Batteriewechselrichter zu installieren. So ergänzt man zu der bereits bestehenden Solaranlage einen Batteriewechselrichter mit Stromspeicher. Alternativ lässt sich der vorhandene Wechselrichter durch einen Hybridwechselrichter in Verbindung mit einer Batterie austauschen. Batteriewechselrichter kommen also oft bei Nachrüstung zum Einsatz. Sie können parallel zur Anlage an das AC-Netz angeschlossen werden. Moderne Geräte lassen sich unkompliziert mit Plug-&-Play-Verfahren an der Wand anbringen und mithilfe einer Smartphone-App in Betrieb nehmen.

Hybridwechselrichter

Diese Wechselrichter-Art vereint Photovoltaikwechselrichter und Batteriewechselrichter in einem Gerät. Das heißt, dass dieser Wechselrichter nicht nur Gleich- in Wechselstrom umwandelt, sondern auch mit Hilfe einer internen oder externen Solarbatterie Strom zwischenspeichern kann. Für den Fall, dass auf der DC-Seite ein Stromspeicher nachgerüstet werden soll, muss kein zusätzlicher Batteriewechselrichter installiert werden. Grundsätzlich gibt es einphasige Geräte mit einer Ausgangsleistung von 350 bis 4.000 Voltampere sowie Dreiphasige zwischen 4.200 und 24.000 VA.

Im Vergleich zu anderen Wechselrichter-Arten sind Hybridwechselrichter in der Anschaffung eher teuer. Allerdings ist zu bedenken, dass dieser Typ sowohl einen PV-Wechselrichter als auch einen Batteriewechselrichter in einem Gerät vereint. Denn würde man diese beiden verschiedenen Varianten separat erwerben, würde man einen höheren Preis zu bezahlen haben. Insofern relativieren sich wiederum die Kosten für das Gerät.

Anwender, die einen besonders hohen Eigenverbrauch des erzeugten Solarstroms anstreben, finden in Hybridwechselrichtern eine passende Technologie. Auch in Situationen und Bereichen, in denen auf Notstromversorgung nicht verzichtet werden darf, kommen Hybridwechselrichter zum Einsatz. Dabei kann es sich beispielsweise um medizinische Geräte handeln. Wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verlangt, kann es durchaus sinnvoll sein, auf einen Hybridwechselrichter zurückzugreifen, der eben auch als Notstromaggregat dienen kann.

Wechselrichter von SolarEdge mit Leistungsoptimierer

Der aus Israel stammende Hersteller SolarEdge verkauft verschiedene Komponenten für Solaranlagen. An dieser Stelle hervorzuheben sind seine Wechselrichter, die in Kombination mit dazu passenden Leistungsoptimierern extrem effizient arbeiten. Bei dem Leistungsoptimierer handelt es sich um einen DC/DC Wandler, der die herkömmliche PV-Anschlussdose ersetzt. Er wird von dem entsprechenden Solarteur an jedes einzelne Solarmodul angeschlossen.

Vorteile der Wechselrichter-Art von SolarEdge

Das Zusammenspiel aus Wechselrichter und Leistungsoptimierer bringt gleich mehrere Vorteile hervor. Indem die Leistungsoptimierer für jedes einzelne Solarmodul den Maximum Power Point ermitteln, produzieren sie eine feste Strangspannung. Auch Dachflächen, die stark verschattet sind, beispielsweise verschuldet durch Bäume oder Nachbarhäuser, können so von der PV-Anlage erschlossen werden. Denn schattierte Module werden bei Bedarf von den Optimierern einfach weggeschaltet. Der Einsatz von Leistungsoptimierern ermöglicht Monitoring und Überwachung einzelner Solarmodule, wodurch deren Wartung einfacher und kostengünstiger wird. Da die Spannungsregelung durch die Leistungsoptimierer bereits erledigt wird, kann sich der Wechselrichter auf die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom konzentrieren. Der dadurch weniger komplexe Wechselrichter ist kostengünstiger und zuverlässiger im Betrieb.

Nachteile der Wechselrichter-Art von SolarEdge

Neben vielen Vorteilen hat diese Wechselrichter-Art auch gewisse Nachteile. Zu den negativen Aspekten zählt der deutlich höhere Preis, den Solaranlagen-Betreiber für die Wechselrichter von SolarEdge zu zahlen haben. Darüber hinaus bringt die große Stärke dieser Geräte auch einen erheblichen Nachteil mit sich. Durch die intelligente Technologie sind die Wechselrichter störungsanfälliger als andere Spannungswandler.

Wechselrichter-Art aus Siliziumkarbonid

Normalerweise speisen Wechselrichter in das Niederspannungsnetz ein. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat in den vergangenen Jahren ein Gerät entwickelt, das über große 50-Hz-Transformatoren an das Mittelspannungsnetz gekoppelt werden kann. Siliziumkarbid (SiC) und sehr hohe Sperrspannungen machen eine direkte Anbindung möglich. SiC-Wechselrichter können sogar netzstabilisierende Aufgaben übernehmen. Mithilfe der hohen Regeldynamik können sie zum Beispiel als Netzfilter wirken. Auf diese Weise können Oberwellen im Mittelspannungsnetz kompensiert werden.

Die Leistungsdichte von Siliziumkarbonid-Wechselrichtern ist deutlich höher als die von herkömmlichen Wechselrichtern. Die zehn Mal schnellere Taktung bzw. Schaltfrequenz ermöglicht Einsparungen bei den passiven Bauelementen. Diese können dadurch kleiner dimensioniert werden. Als ein weiterer Vorteil dieser Wechselrichter-Art ist dessen ausgeklügeltes Kühlsystem zu erwähnen. Synthetisches Esther wird als Kühlmedium durch das Gerät gepumpt. Dadurch kühlt es Transistoren und Filterdrosseln. Unter Laborbedingungen hat der SiC-Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 98,4 Prozent erreicht. Durch wegfallenden Bauraum für Schaltgeräte und Kühlaggregat kann 40 Prozent des Volumens eingespart werden. Wann eine solche Technologie in Produkte für den Massenmarkt einfließen wird, ist noch nicht genau bekannt.

Wechselrichter-Art für Dünnschichtmodule

Da Dünnschichtmodule heutzutage kaum mehr installiert werden, finden auch Wechselrichter, die speziell für dieses Solarmodul entwickelt sind, fast keine Anwendung mehr. Dennoch ist festzuhalten, dass Dünnschichtmodule im Vergleich zu kristallinen Solarmodulen einen breiten Spannungsbereich bieten. Daher muss der entsprechende Wechselrichter auch für einen höheren Spannungsbereich ausgelegt sein. Wie bereits im obigen Kapitel erwähnt, gibt es Trafo-Wechselrichter und trafolose Wechselrichter. Bei Dünnschichtmodulen müssen aus technischer Hinsicht Trafo-Wechselrichter verwendet werden.

Welche Wechselrichter-Art ist am besten?

Angesichts einer großen Auswahl verschiedener Wechselrichter-Arten stellt sich die Frage danach, welche Variante bzw. Varianten besonders hervorzuheben sind. Natürlich kommt es immer darauf an, welche Eigenschaften die entsprechende Solaranlage aufweist bzw. wie die Gegebenheiten bestimmt sind. Bei der Anlagenplanung wird der Elektrofachbetrieb Ihres Vertrauens auf alle wichtigen Faktoren genau eingehen und anschließend die passende Wechselrichter-Art auswählen. Abgesehen davon werden im Folgenden drei Typen dargestellt, die aus unterschiedlichen Gründen für viele sehr interessant sind.

Für Balkonkraftwerke: Hier werden Modul- bzw. Mikrowechselrichter verwendet. Im Fall von mehreren Solarmodulen, kann jedes einzelne Modul einen eigenen Modulwechselrichter besitzen. Allerdings lassen sich mit einem Mikrowechselrichter auch zwei Module betreiben. Nachrüstbarkeit, geringer Kabelbedarf und individuelle Steuerung (aufgrund mehrerer Wechselrichter) sorgen für gute Solarerträge.

Für Eigennutzung: Solaranlagen mit Stromspeicher können optimal mit einem Hybridwechselrichter verbunden werden. Dieses Gerät ist eine Kombination aus Photovoltaikwechselrichter und Batteriewechselrichter. Hybridwechselrichter verfügen über moderne Technologie und sind effizient.

Für Effizienz: Die Wechselrichter von SolarEdge sind zwar sehr teuer, aber auch hochqualitativ und extrem effizient. Mithilfe der an jedem Solarmodul angebrachten Leistungsoptimierer, erreichen diese Geräte besonders hohe Wirkungsgrade.