Wechselrichter: Funktionsweise, Kosten & Wirkungsgrad

Solarmodule produzieren Gleichstrom. Ihre Leistung wird DC-Nennleistung (engl. direct current) genannt. Für die Einspeisung des auf dem Dach erzeugten Stroms ins öffentliche Netz, aber auch für nahezu alle Verbraucher im Haushalt, ist ein Wechselrichter als Spannungswandler nötig, um eine Nutzbarkeit der Anlage zu gewähreisten. Er wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC, engl. alternating current), immer häufiger auch 3-phasigem Wechselstrom um, der auch Drehstrom genannt wird und sich für höhere Leistungsbereiche eignet.

Hierzu existieren auf dem Markt mittlerweile eine Vielzahl Wechselrichter, die sich nicht nur in ihrer Funktions­weise, sondern auch in ihrer Nennleistung unterscheiden: jeder Wechselrichter hat einen bestimmten Leistungsbereich. Vor allem die AC und DC Nennleistung sind für die Funktionsweise vom Spannungswandler von Belang.

Hat ein Spannungswandler eine maximale DC-Nennleistung (Eingangsleistung) von 4 kW, sollten die installierten Solarmodule diesen Wert in der Summe nicht überschreiten. Bei Modulen mit 200 Watt Peak-Leistung können maximal 20 Module an diesen Wechselrichter angeschlossen werden.

Es gibt verschiedene Geräte am Markt, deren Wechselrichter Wirkungsgrad teils erhebliche Unterschiede aufweisen. Dies ist letztlich entscheidend für die Wahl des richtigen Wechselrichters. Denn nicht nur die Effizienz der Solarmodule, und damit ihrer bestmöglichen Funktionsweise, ist für den solaren Stromertrag von Bedeutung, sondern auch die Funktionsweise der Wechselrichter. Wenn ein Wechselrichter keine optimale Funktion aufweist, verringert sich der Stromertrag - und damit auch die Einspeisevergütung. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel des gewonnenen Stroms nach der Umwandlung noch nutzbar ist. Im Bezug auf das obige Beispiel wandelt der Wechselrichter bei einem Wirkungsgrad von 97 Prozent 4 kW Eingangsleistung in 3,880 kW Ausgangsleistung (AC-Nennleistung) um.

Damit eine Photovoltaik-Anlage immer im maximalen Leistungsbereich arbeitet, also so viel wie möglich Strom produziert, ist ein MPP-Tracker (engl. Maximum Power Point, d. h. maximaler Leistungspunkt) in der Regel im Wechselrichter integriert. Die Leistung einer Photovoltaikanlage variiert auch im Tagesverlauf abhängig von Faktoren wie der Sonneneinstrahlung, Temperatur und Verschattung des Moduls. Der MPP-Tracker ermöglicht die "Selbsteinstellung" vom Wechselrichter für eine maximale Stromausbeute bzw. bestmögliche Funktion, indem die Spannung laufend angepasst wird. Die Anpassung der Eingangsspannung erfolgt über eine Anpassung der Ausgangsspannung.

Auch die MPP Funktionsweise ist mit dem individuellen MPP-Spannungsbereich von Wechselrichter zu Wechselrichter verschieden. Je größer der Spannungsbereich, desto variabler ist der Spannungswandler in seiner Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Bedingungen.

Die Leistungsstärke des Wechselrichter hängt von der Anzahl der Photovoltaik­module und der Leistung der Photovoltaik Anlage ab. Bei einer optimalen Auslastung des Wechsel­richters reduziert sich der Kosten­anteil vom Wechselrichter an den Kosten für Photovoltaik.

Je nach Leistungsbereich stehen Modul­wechselrichter, Strangwechselrichter und Zentralwechselrichter zur Auswahl. Lassen Sie sich deshalb frühzeitig von einem Fach­mann bei der Wahl des Systems beraten, da aufgrund von Engpässen nicht immer alle Arten von Wechselrichtern erhältlich sein können.

Achten Sie darauf, dass der Wechselrichter nach der IEC 77 genormt ist und einen Spannungsrückgangsschutz hat, um zu verhindern, dass die Photovoltaik Anlage ausfällt.

Positioniert man den Wechselrichter möglichst nah an den Photovoltaik Modulen vermindert man Leistungsverluste durch lange Kabelstrecken. In den meisten Fällen wird der Inverter an einer Kellerwand installiert; bei einer Photovoltaikanlage auf einem Flachdach wird dieser manchmal sogar auf dem Boden aufgestellt. In jedem Fall sollte der Wechselrichter leicht erreichbar sein und nicht in einem Wohnraum montiert werden, da der Inverter beim Betrieb relativ laut sein kann.

Ein kühler und trockener Standort mit guter Lüftung und wenig Staub schützt den Wechselrichter vor Leistungsabfall und sichert den effizienten Betrieb der Photovoltaik Anlage.

Nicht nur die richtige Wahl des Wechselrichters entscheidet über die Effizienz einer Photovoltaik Anlage - auch das Dach für Photovoltaik muss bestimmte Vorraussetzungen erfüllen, bevor die Montage der Photovoltaikanlage stattfindet.

Der Wechselrichter, Herzstück einer Photovoltaik-Anlage, sorgt für die Wandlung des Gleichstroms in Wechsel- oder Starkstrom (3-phasiger Drehstrom). Je höher der Wechselrichter Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann genutzt und eingespeist werden. Fachleute unterscheiden den Spitzenwirkungsgrad, den europäischen Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad.

Der Spitzen­wirkungs­grad und der europäische Gesamtwirkungsgrad geben die Leistungs­stärke vom Wechselrichter an. Der Spitzen­wirkungs­grad bezeichnet hierbei den maximalen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen.

Der europäische Wirkungsgrad liefert wesentlich mehr Informationen über die tatsächliche Leistung des Spannungs­umwandlers, denn die optimale Leistung wird in der Praxis nicht oder nur für kurze Zeit­räume erzielt, denn der Wirkungsgrad ist kein einheitlicher Wert, sondern ändert sich beständig. Meist arbeitet der Wechselrichter im Teillastbetrieb.

Der europäische Wirkungsgrad ergibt sich aus der Berechnung des Durchschnitts der Wechselrichter-Leistung unter unter­schiedlichen Belastungen und Bedingungen. Dieser Wechselrichter Wirkungsgrad gibt ein repräsentativeres Leistungsbild ab.

Ein Manko ist, dass nicht definiert ist, welche Eingangsspannung hierbei genutzt werden muss. "Europäisch" ist dieser Wirkungsgrad, weil die Tests die Standardbedingungen in unseren Breiten berücksichtigen. Es gibt auch den kalifornischen Wirkungsgrad, der in sonnenintensiveren Regionen zur Geltung kommt.

Daher soll der Gesamtwirkungsgrad in Zukunft den europäischen Wirkungsgrad ergänzen oder als Norm sogar ersetzen. Hierbei werden insgesamt 20 verschiedene Spannungszustände gemessen, wodurch sich ein noch realistischeres Leistungsmuster widerspiegeln lässt. Einigen Fachleuten ist dies allerdings noch nicht ausreichend. Die Techniker des Fachmagazins Photon haben daher einen eigenen Wechselrichter Test entwickelt - woraus der "Photon Wirkungsgrad" abgeleitet wird.

Hierzu werden unter anderem unter Laborbedingungen die gesamten Leistungsbereiche der Eingangsspannung betrachtet, um so ein tatsächliches Wechselrichterverhalten zu kreieren und ein exaktes Bild vom Wechselrichter Wirkungsgrad zu erhalten. In jedem Fall ist der Wechselrichter-Wirkungsgrad wichtig, um nicht über nur die Leistungskapazität zu informieren, sondern auch über den Kosten-Nutzen-Faktor.

Denn wenn ein 5 Kilowatt Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent durchschnittlich 30 - 150 Kilowattstunden an Strom nicht umwandeln kann, summiert sich dieser Betrag bei einem Wechselrichter Wirkungsgrad von 90 Prozent auf 500 Kilowattstunden im Jahr. Anhand dieses Beispiels aus der Photon verliert man somit mit einem Wechselrichter Wirkungsgrad von 90 Prozent knapp 4.300 Euro an Einspeisevergütung über den gesamten Vergütungsraum im Gegensatz zu circa 1285 Euro bei einem effizienteren Wechselrichter - eine Differenz von 3000 Euro.

Wechselrichter Tests vom Fachmagazin Photon, aber auch von der Stiftung Warentest haben ergeben, dass die angebotenen Wechselrichter höchst unterschiedliche Erträge bei gleicher Funktionsweise liefern. Liegt das Ergebnis einer optimalen Funktionsweise bei einem Jahreswirkungsgrad von 97-98 Prozent, so gibt es andere Wechselrichter deren Funktionsweise bzw. deren Wirkungsgrad bei nur 90 Prozent liegen - bei gleichen Bedingungen auf dem Dach.

Diese Unterschiede in der Funktionsweise sind entscheidend für die Rentabilität und Funktion einer Photovoltaik-Anlage. Eine Beispielrechnung ergibt, dass schon drei Prozent Leistungsunterschied beim Spannungswandler etwa 1200 Euro Mindereinnahmen in 20 Jahren bei einer Leistung der Anlage von ca. 8 - 10 kWp zur Folge haben.