Wechselrichter: Funktionsweise, Kosten & Wirkungsgrad

Neben den Solarmodulen ist der Wechselrichter - auch Inverter genannt - ein wichtiger Bestandteil einer Photovoltaikanlage. Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom. Die meisten elektrischen Verbraucher benötigen jedoch Wechselstrom. Der Wechselrichter übernimmt die Aufgabe, den gewonnenen Strom nutzbar zu machen. Gute Wechselrichter stellen über Funktionen wie dem Maximum Power Point Tracking sicher, dass der Gesamtwirkungsgrad der Anlage möglichst hoch ist. Die Art des benötigten Wechselrichters hängt von der Größe der Photovoltaik Anlage ab. Wechselrichter, die nahe an den Solarmodulen installiert werden, minimieren Leistungsverluste.
Christian Märtel
Dieser Artikel wurde von
Christian Märtel für www.Solaranlagen-Portal.com verfasst.
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WechselrichterTechnische Aspekte

Wechselrichter in der Übersicht

1. Funktionsweise
2. Wirkungsgrad
3. Testergebnisse
4. Hersteller
5. Kosten
6. Häufige Fragen & Glossar

Wechselrichter Funktionsweise - Gleichstrom zu Wechselstrom

Wechselrichter FunktionsweiseBild: © SMA Solar Technology AGSolarmodule 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.

Wirkungsgrad & Maximum Power Point Tracking

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.

Wechselrichter an Leistung der Photovoltaik Module anpassen

Wechselrichter Photovoltaik Bild: SMA Solar Technology AGDie 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.

Wechselrichter nahe an Photovoltaik Modulen installieren

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.

Wechselrichter Wirkungsgrad entscheidet über Stromausbeute

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.

Wechselrichter Wirkungsgrad hängt vom Messverfahren ab

Wechselrichter WirkungsgradPlatinentausch an einem Wechselrichter,
Bild: Fronius International GmbH
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

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.

Europäischer Wechselrichter Wirkungsgrad ist Fachleuten noch nicht exakt genug

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.

Das sagen Wechselrichter-Tests über die verschiedenen Spannungswandler

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.

Mehr über die Funktionsweise der Spannungswandler?

Mehr über die Funktionsweise der Spannungswandler erhalten Interessenten über Fachbetriebe für Photovoltaik. Bei der Planung einer Photovoltaikanlage ist auch die genaue Berechnung vom Wechselrichter für optimale Funktion entscheidend.

Wechselrichter Hersteller in der Übersicht

Folgende Hersteller bieten Wechselrichter an oder sind noch mit entsprechenden Produkten in laufenden Anlagen verbaut und sind hier alphabetisch gelistet:

  • ABB
  • Bosch Power Tec
  • Danfoss
  • Fronius International GmbH
  • GoodWe
  • Huawei
  • Ingeteam
  • KACO new energy GmbH
  • Kostal
  • Power Electronics
  • REFU Elektronik
  • Siemens
  • Sineng
  • SMA Solar Technology AG
  • SolarEdge
  • SolarMax
  • Sungrow Power Supply
  • TBEA Sunoasis
  • Victron Energy
  • Zeversolar

Wechselrichter Kosten & Anteil an den Anlagenkosten

Die tatsächlichen Kosten für den Wechselrichter hängen von der Qualität des Geräts sowie von der benötigten Leistung ab. Wechselrichter haben aktuell eine Lebensdauer von 14 bis 16 Jahren - meistens also nicht so lange wie die Anlage selbst, so dass mit einem Ersatz des Geräts während der Betriebsdauer der Anlage zu rechnen ist.

Garantiezeit beachten

Da davon auszugehen ist, dass der Wechselrichter während der Lebensdauer der Photovoltaikanlaghe ausgewechselt werden muss, sollte man eine möglichst lange Garantie wählen. Viele Hersteller geben freiwillig Garantien von mehr als 5 Jahren, bei anderen können die Garantiezeiten gegen eine Gebühr verlängert werden. Aber Achtung: das Kleingedruckte ist entscheidend!

Insgesamt sollten die Wechselrichterkosten zwischen 10% und 15% der Gesamtinvestition für die Photovoltaikanlage ausmachen. Als Faustformel kann man 240 Euro brutto pro kW Wechselrichterleistung als Kosten annehmen. Bei einer 5 kWp Anlage kann man für den Wechselrichter also etwa 1.200 Euro einplanen.

Häufigste Fragen zu Wechselrichtern

Was ist ein String Wechselrichter?

String Wechselrichter sind am häufigsten im Einsatz. Der String bezeichnet dabei die in Reihe geschalteten Photovoltaikmodule, die je nach Ausrichtung, Neigung und Verschattung zusammengeasst werden.

Wie lange hält ein Wechselrichter?

Im Durchschnitt halten Wechselrichter aktuell ca. 16 Jahre. Bei optimaler Modulverschaltung kann ein qualitativ hochwertiger Wechselrichter aber auch den Zeitrum der Einspeisevergütungszahlung - also 20 Jahre - überdauern.

Wie viel kostet ein Wechselrichter?

Das hängt sehr stark von der benötigten Leistung ab. Als Faustformel kann man 240 Euro brutto pro kW Wechselrichterleistung als Kosten annehmen.

Glossar: Erläuterungen zu AC, DC und Nennleistung

AC ist das Kürzel für Wechselstrom (engl. für alternating current). Wechselstrom ändert seine Polarität in regelmäßigen Abständen.

AC-seitig bezeichnet aus technischer Sicht alle Komponenten einer Photovoltaik Anlage, die nach bzw. hinter den Wechselrichter (auf der Wechselstrom Seite) geschaltet sind.

In der Anlagenplanung und Installation einer PV Anlage werden Aufgaben begrifflich in "AC-seitig" und "DC-seitig" unterteilt. AC-seitig sind vor Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage u.a. die Netzverträglichkeitsprüfung, die Einspeisezusage, Gestattungsverträge sowie der Netzanschluss am Verknüpfungspunkt vorzunehmen.

Mittels Sonneneinstrahlung produzieren die Module einer Photovoltaikanlage Gleichstrom, der mit dem Kürzel DC bezeichnet wird (engl. für direct current). Diesen wandelt ein Wechselrichter in AC-Wechselstrom. Dies ist nötig, um den in einer Photovoltaikanlage erzeugten Strom im gängigen Stromnetz zu nutzen beziehungsweise um den Strom in das öffentliche Netz einzuspeisen.

AC-Nennleistung ist eine Kenngröße für Wechselrichter, auch Inverter genannt. Diese Kenngröße bezeichnet das Leistungsvolumen des Wechselrichters, Gleichstrom der Photovoltaik-Anlage in einspeisefähigen Wechselstrom zu transformieren. Die AC-Nennleistung wird aus Gründen der besseren Verständlichkeit oftmals auch als Ausgangsleistung eines Wechselrichters bezeichnet.

Die Leistung einer Photovoltaikanlage ist abhängig vom Wirkungsgrad des Wechselrichters.Dieser liegt bei modernen Modellen in der Regel über 95 Prozent. Je höher der Wirkungsgrad, desto besser und effizienter die AC-Nennleistung einer Photovoltaikanlage.

DC (direct current) ist die Abkürzung für Gleichstrom. Gleichstrom ist dadurch gekennzeichnet, dass sich Richtung und Stärke nicht ändern. Erzeuger von Gleichstrom ist unter anderem die Solarzelle.

Ein Wechselrichter wandelt diesen Gleichstrom in Wechselstrom (AC - alternating current) um, damit der erzeugte Strom ins allgemeine Netz eingespeist werden kann. Die entsprechende Umwandlungskapazität des Wechselrichters bezeichnet man als AC bzw. DC Nennleistung.

DC-seitig bezeichnet aus technischer Sicht alle Komponenten einer Photovoltaikanlage, die vor den Wechselrichter (auf der Gleichstrom Seite) geschaltet sind. Dazu zählen hauptsächlich Solarmodule und Solarkabel.

In der Anlagenplanung und Installation wird begrifflich in DC-seitige und AC-seitige Arbeiten unterschieden. DC-seitig werden u.a die Dachstatik überprüft und PV-Module indach oder aufdach montiert bis hin zur Inbetriebnahme der Anlage. Für den reinen Inbetriebnahmezeitpunkt einer PV Anlage sind AC-seitige Arbeiten praktisch nicht erforderlich.

DC Nennleistung, auch Eingangsleistung genannt, ist einer mehrerer Kennwerte, welche die Effektivität eines Wechselrichters bei der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) angeben. Die DC Nennleistung eines Wechselrichters sollte der Generatorleistung einer Photovoltaikanlage entsprechen. Weitere wichtige Kennwerte sind der Wechselrichter Wirkungsgrad und die AC Nennleistung.

Blindleistung entsteht bei der Übertragung von Energie mit Hilfe von Wechselstrom. Blindleistung bezeichnet dabei (im Unterschied zur Wirkleistung) eine elektrische Energiemenge pro Zeit, die nicht verbraucht werden kann.

Für Betreiber einer Photovoltaikanlage, die ihren Strom in das öffentliche Stromnetz einspeisen, hat Blindleistung Einfluss auf die Wahl des Wechselrichters. Laut Mittelspannungsrichtlinie des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft müssen Photovoltaikanlagen seit Juli 2010 Blindleistung bereitstellen können, sofern diese auf der Mittelspannungsebene Strom einspeisen.

Ausführliche Information zur Blindleistung bei Photovoltaikanlagen hat der Wechselrichter Hersteller SMA in einer Broschüre zusammengestellt.


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