Wechselrichter, Spannungswandler, Inverter

 

Wechselrichter, Spannungswandler oder Inverter wandeln durch Solarmodule produzierten Strom in Wechselstrom. Der Wechselrichter / Inverter ist das Bindeglied zwischen der Gleichstromseite (Solargenerator) und der Wechselstromseite (öffentliches Stromnetz).

Schaltung Wechselrichter Solargenerator
Schaltung Wechselrichter Solargenerator. Quelle: G.Cramer, PV-System-Technik

Transformatoren sind Spannungswandler. Die Wirkungsweise dieser Spannungstransformation lässt sich wie folgt beschreiben :

Eine Wechselspannung (z.B. 55 V) wird auf der Eingangsseite des Transformators angelegt, diese erzeugt aufgrund der elektromagnetischen Induktion einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der magnetische Fluss wiederum induziert auf der Ausgangsseite des Transformators eine Spannung (z.B. 220 V - beim Wicklungsverhältnis 4).

 

Bei niedriger Wechselstromfrequenz besteht der magnetische Kreis typischerweise aus einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität. Das gewährleistet, dass die übertragene Leistung (Scheinleistung) groß im Vergleich zum Verlust durch den ohmschen Widerstand in der Primärwicklung ist.

 

Damit der aus Solarzellen gewonnene Gleichstrom ins Stromnetz gelangt, wandeln Wechselrichter Gleichstrom in einen sinusförmigen Wechselstrom einer entsprechenden Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) um.

 

 

Erzeugt der Solargenerator einen Mindeststrom bzw. eine Mindestspannung, schaltet sich der Wechselrichter ein. Ist der ankommende Strom größer als der Eigenbedarf, beginnt er mit der Einspeisung ins Wechselstromnetz. 

Leistungsstärke eines Solargenerators in Abhänigkeit von der Bestrahlungsstärke.
Leistungsstärke eines Solargenerators in Abhänigkeit von der Bestrahlungsstärke. Quelle: G. Schenke, 2.2010 Photovoltaik und Solartechnik

Der Wechselrichter paßt sich, etwa bei Bewölkung oder variablen Temperaturen, automatisch an veränderte Einstrahlungsverhältnisse bzw. Leistungsabnahmen und Leistungszunahmen an. 

 

Dadurch wird sichergestellt, dass der Solargenerator bei unterschiedlichen Betriebszuständen im MPP arbeitet und jeweils die größtmögliche Leistung abgenommen wird. Eine möglichst hohe Effizienz liefert einen hohen Wirkungsgrad. 

 

Konzeptionell kann zwischen zwei unterschiedlichen Wechselrichtertypen unterschieden werden: Den trafolosen Wechselrichter und den Trafogeräten. Beide Geräte haben bestimmte Vorteile und Einsatzgebiete.

 

Um die Einspeisung mit trafolosen Wechselrichter zu bewerkstelligen, muß die Solargeneratorspannung größer sein als die Amplitude der Netzspannung, also unter Einbeziehung von Toleranzen größer als ca. 350 V. Zudem ist bei allen Wechselrichtertypen eine Anpassung an die Phasenlage des öffentlichen Netzes erforderlich.

 

Wechselrichter einer Solaranlage
Wechselrichter einer Solaranlage

Zur Auslegung eines PV-Generators bzw. zur Abschätzung des Leistungs-Verhältnisses zwischen Generator und Inverter (P PV-Generator / P  Inverter) gibt es einige Faustregeln.

Für eine Schrägdachanlage empfiehlt sich ein Verhältnis von PPV-Generator / P Inverter ≈ 110%.

Für einen PV-Generator bei freier Aufständerung und guter Hinterlüftung empfiehlt sich ein Verhältnis von P PV-Generator / P Inverter ≈ 105%.

Verhältnisse von > 120% führen zu Ertragseinbußen und geringerer Lebensdauer des Wechselrichters. Bei Verhältnissen < 80% leidet die wirtschaftlichkeit der Anlage.

 

An den Aufstellungsort gibt es gewisse Anforderungen. Er sollte möglichst kühl gewählt werden. Ein Keller oder schattiger Aussenplatz in der nähe des Stromzählers ist zu bevorzugen.

Um Leitungsverluste klein zu halten und damit den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu verbessern, sollten Kabelwege kurz gehalten werden bzw. gewählte Kabelquerschitte zu den Kablellängen passen.

 

Wechselrichter sind in der Schutzart IP 54 ausgelegt: D.h. vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender oder innerer bewegter Teile. Schutz gegen schädliche Staubablagerungen und Schutz gegen Wasser, das aus allen Richtungen gegen das Betriebsmittel spritzt. Für eine ungeschütze Aussenmontage sind sie daher nicht geeignet.