Wechselrichter Aufgaben
Das Herzstück Ihrer Photovoltaikanlage
Die Photovoltaik, auch als Solarstromgewinnung bezeichnet, ist eine Technologie, die Sonnenlicht in nutzbaren Strom umwandelt. Dabei werden Solarmodule eingesetzt, die aus lichtempfindlichen Halbleiterelementen bestehen. Wenn Sonnenlicht auf diese Elemente trifft, werden Elektronen freigesetzt, die zu einem elektrischen Stromfluss führen.
Die gewonnene Energie kann auf verschiedene Weise genutzt werden:
- Direkter Eigenverbrauch: Der erzeugte Solarstrom wird direkt im Haus oder Gewerbebetrieb verbraucht, um beispielsweise Geräte und Beleuchtung zu versorgen.
- Einspeisung ins Stromnetz: Überschüssiger Solarstrom kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist und gegen eine Vergütung vom Energieversorger verkauft werden.
- Speicherung in Batterien: Der Solarstrom kann in Batterien gespeichert werden, um ihn auch bei Nacht oder bei schlechtem Wetter nutzen zu können.
Das Herzstück der Photovoltaikanlage: Der Wechselrichter
Damit der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom (DC) in den Haushalten und Betrieben mit Wechselstrom (AC) genutzten Geräten verwendet werden kann, ist ein Wechselrichter erforderlich. Dieser fungiert als zentrales Element der Photovoltaikanlage und übernimmt mehrere wichtige Aufgaben:
Stromumwandlung: Von Gleich- zu Wechselstrom
Die Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom (DC) mit einer variablen Spannung. Um diese Energie in den Haushalten und Betrieben nutzen zu können, muss sie in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden. Der Wechselrichter übernimmt diese Aufgabe, indem er den Gleichstrom in sinusförmigen Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz und Spannung umwandelt.
Einspeisung ins Stromnetz
Soll der erzeugte Solarstrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, muss er den strengen Normen und Richtlinien der Netzbetreiber entsprechen. Der Wechselrichter stellt sicher, dass der Solarstrom die erforderlichen Qualitätsstandards erfüllt und synchron mit dem Stromnetz eingespeist wird.
Anlagensteuerung und -überwachung
Moderne Wechselrichter verfügen über integrierte Funktionen zur Steuerung und Überwachung der Photovoltaikanlage. Sie sammeln wichtige Daten wie Leistung, Spannung und Temperatur der Solarmodule und geben diese Informationen an den Anlagenbetreiber weiter. So können Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden, um die optimale Leistung der Anlage zu gewährleisten.
Grundlegende Funktionsweise eines Wechselrichters
Wie bereits erwähnt, ist die Hauptaufgabe des Wechselrichters die Umwandlung von Gleichstrom (DC), der von den Solarmodulen erzeugt wird, in Wechselstrom (AC), der in den meisten Haushalten und Betrieben verwendet wird.
Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Funktionsweise von Gleichstrom- und Wechselstromgeräten:
- Gleichstromgeräte: Gleichstromgeräte, wie z. B. Batterien und LEDs, benötigen eine konstante Spannungsrichtung (entweder positiv oder negativ) und einen konstanten Stromfluss.
- Wechselstromgeräte: Die meisten Haushalts- und Industriegeräte, wie z. B. Lampen, Fernseher und Motoren, benötigen Wechselstrom, d.h. die Stromrichtung und -stärke ändern sich periodisch.
Das elektrische Prinzip der Umwandlung
Moderne Wechselrichter verwenden verschiedene elektronische Schaltkreise, um die Umwandlung von DC in AC zu bewerkstelligen. Eine gängige Methode ist die Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM).
Bei der PWM wird der Gleichstrom in eine Reihe von kurzen Impulsen mit konstanter Spannung, aber variabler Breite, umgewandelt. Die Breite dieser Impulse bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Durch geschicktes Schalten der Transistoren im Wechselrichter können so sinusförmige Wechselspannimpulse mit der gewünschten Frequenz erzeugt werden.
Die wichtigsten Begriffe: Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Leistung
- Eingangsspannung (U_in): Die Spannung des Gleichstroms, der vom Solarmodul geliefert wird. Sie variiert je nach Sonneneinstrahlung und kann zwischen 12 V und 60 V liegen.
- Ausgangsspannung (U_out): Die Spannung des Wechselstroms, der vom Wechselrichter erzeugt wird. In Deutschland ist die Standard-Ausgangsspannung 230 V.
- Leistung (P): Die Leistung des Wechselrichters wird in Watt (W) angegeben und beschreibt die Menge an elektrischer Energie, die er pro Sekunde liefern kann. Die Leistung muss an die Größe der Photovoltaikanlage angepasst werden.
Hauptaufgaben des Wechselrichters in einer Photovoltaikanlage
Stromumwandlung: Detaillierte Erklärung der DC/AC-Umwandlung
Wie bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert, ist die Stromumwandlung die zentrale Aufgabe des Wechselrichters.
Detaillierte Betrachtung der DC/AC-Umwandlung:
- Eingangsspannungsanpassung: Die vom Solarmodul kommende Gleichspannung (DC) kann je nach Sonneneinstrahlung und Modultyp schwanken. Der Wechselrichter verfügt über interne Schaltkreise, um die Eingangsspannung auf ein konstantes Niveau zu regeln, das für die effiziente Umwandlung in Wechselstrom erforderlich ist.
- Pulsweitenmodulation (PWM): Wie bereits erwähnt, basiert die Umwandlung von DC in AC auf dem Prinzip der PWM. Der Wechselrichter erzeugt dabei eine Folge von Gleichstromimpulsen mit variabler Breite. Die Breite dieser Impulse bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung des Wechselrichters.
- Filterung: Die durch die PWM erzeugten Wechselspannimpulse enthalten Oberwellen, d.h. unerwünschte Frequenzanteile, die die Qualität des Stroms beeinträchtigen können. Der Wechselrichter verfügt über Filter, um diese Oberwellen zu reduzieren und einen sinusförmigen Wechselstrom mit glatter Kurvenform zu erzeugen, der den Anforderungen der angeschlossenen Geräte entspricht.
Spannungsanpassung: Von Niederspannung zu Hochspannung
Die Eingangsspannung der Solarmodule liegt typischerweise im Bereich von 12 V bis 60 V, während die Standard-Ausgangsspannung des Wechselrichters 230 V beträgt. Der Wechselrichter muss daher die Gleichspannung der Solarmodule auf ein höheres Niveau anheben, bevor er sie in Wechselstrom umwandelt. Dies geschieht mithilfe von Transformatoren oder Schaltkreisen zur Spannungserhöhung.
Einspeisung ins Stromnetz: Normen und technische Anforderungen
Soll der erzeugte Solarstrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, muss der Wechselrichter die strengen technischen Anforderungen und Normen der Netzbetreiber erfüllen. Diese Normen stellen sicher, dass der Solarstrom die Qualität des Stromnetzes nicht beeinträchtigt und die Sicherheit der Stromversorgung gewährleistet ist.
Wichtige Normen und Anforderungen:
- VDE 4105: Diese Norm definiert die technischen Anforderungen an Wechselrichter für die Einspeisung von Solarstrom ins Netz.
- EN 62109-1: Diese Norm regelt die elektromagnetische Verträglichkeit von Wechselrichtern.
- FNN-Richtlinien: Die FNN (Forum Netztechnik) veröffentlicht Richtlinien für die technische Anbindung von Photovoltaikanlagen ans Stromnetz.
Der Wechselrichter muss folgende Funktionen erfüllen, um die Normen zu erfüllen:
- Synchronisation mit dem Stromnetz: Der Wechselrichter muss sich mit der Frequenz und Phase des Stromnetzes synchronisieren, bevor er Solarstrom einspeisen kann.
- Spannungs- und Frequenzregelung: Der Wechselrichter muss die Spannung und Frequenz des eingespeisten Stroms innerhalb der vorgegebenen Toleranzen halten.
- Oberschwingungsunterdrückung: Der Wechselrichter muss die Oberwellen im eingespeisten Strom auf ein zulässiges Niveau reduzieren.
- Fehlerschutzausstattung: Der Wechselrichter muss über Schutzfunktionen verfügen, um Fehler im Stromnetz oder in der Photovoltaikanlage zu erkennen und die Einspeisung von Solarstrom in solchen Fällen zu unterbrechen.
Weitere Funktionen moderner Wechselrichter
Neben den Hauptaufgaben der Stromumwandlung, Einspeisung ins Stromnetz und Anlagensteuerung bieten moderne Wechselrichter eine Reihe weiterer nützlicher Funktionen:
Notstromversorgung bei Stromausfällen
Funktionsprinzip:
Einige Wechselrichter können als Notstromversorgung bei Stromausfällen eingesetzt werden. Dazu verfügen sie über eine integrierte Batterie oder die Möglichkeit, an eine externe Batteriebank angeschlossen zu werden. Im Falle eines Stromausfalls schaltet der Wechselrichter automatisch auf Batteriebetrieb um und versorgt so die angeschlossenen Geräte mit Solarstrom.
Vorteile:
- Höhere Unabhängigkeit von der öffentlichen Stromversorgung: Mit einem Notstromsystem können Sie auch bei Stromausfällen wichtige Geräte wie Kühlschränke, Heizungen und Beleuchtung weiter betreiben.
- Schutz vor Datenverlust: Computer und andere elektronische Geräte können durch Stromausfälle beschädigt werden oder Daten verlieren. Ein Notstromsystem kann diese Geräte schützen.
Zu beachten:
- Leistung und Kapazität: Die Leistung und Kapazität des Wechselrichters und der Batterie müssen an den Bedarf der angeschlossenen Geräte angepasst werden.
- Rechtliche Aspekte: In einigen Ländern kann die Verwendung eines Wechselrichters als Notstromversorgung rechtlichen Beschränkungen unterliegen.
Integrierte Schnittstellen für Smart-Home und Energiedatenmanagement
Moderne Wechselrichter verfügen häufig über integrierte Schnittstellen, die die Anbindung an Smart-Home-Systeme und Energiedatenmanagement-Systeme ermöglichen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Optimierung des Energieverbrauchs und die Steuerung der Haustechnik.
Mögliche Anwendungen:
- Smart-Home-Integration: Der Wechselrichter kann in ein Smart-Home-System eingebunden werden, um den Solarstromverbrauch mit anderen Energiequellen wie dem Stromnetz oder einer Batterie zu steuern.
- Energiedatenmanagement: Der Wechselrichter kann Daten zur Stromerzeugung und zum Verbrauch an ein Energiedatenmanagement-System liefern. Diese Daten können genutzt werden, um den Energieverbrauch zu analysieren und Einsparpotenziale zu identifizieren.
Vorteile:
- Erhöhte Energieeffizienz: Durch die Integration des Wechselrichters in ein Smart-Home- oder Energiedatenmanagement-System kann der Energieverbrauch optimiert und die Stromkosten gesenkt werden.
- Größere Transparenz: Der Anlagenbetreiber erhält detaillierte Informationen über die Stromerzeugung und den Verbrauch seiner Photovoltaikanlage.
Erweiterte Kommunikationsmöglichkeiten
Moderne Wechselrichter verfügen über verschiedene Schnittstellen und Protokolle, die die Kommunikation mit anderen Geräten und Systemen ermöglichen. Zu den gängigsten Schnittstellen gehören:
- RS232: Serielle Schnittstelle für die Verbindung mit einem Computer oder einem anderen Gerät.
- Ethernet: Netzwerkverbindung für die Anbindung an ein lokales Netzwerk oder das Internet.
- WLAN: Funkverbindung für die drahtlose Kommunikation mit einem Smartphone oder Tablet.
Verfügbare Protokolle:
- Modbus: Ein weit verbreitetes Protokoll für die Kommunikation zwischen industriellen Geräten.
- SunSpec: Ein Kommunikationsprotokoll speziell für Photovoltaikanlagen.
Vorteile:
- Fernüberwachung: Der Wechselrichter kann aus der Ferne überwacht und gesteuert werden.
- Datenerfassung: Die vom Wechselrichter erfassten Daten können auf einem Computer oder einem anderen Gerät gespeichert und ausgewertet werden.
- Firmware-Updates: Firmware-Updates für den Wechselrichter können online heruntergeladen und installiert werden.
Auswahl und Dimensionierung des richtigen Wechselrichters
Die Wahl des richtigen Wechselrichters ist entscheidend für die optimale Leistung und Effizienz Ihrer Photovoltaikanlage.
Wichtige Faktoren bei der Auswahl eines Wechselrichters
Bei der Auswahl eines Wechselrichters sollten Sie folgende Punkte beachten:
- Leistung: Die Nennleistung des Wechselrichters muss an die Größe Ihrer Photovoltaikanlage angepasst sein. Die Nennleistung ist die maximale Leistung, die der Wechselrichter dauerhaft liefern kann.
- Anschlussmöglichkeiten: Stellen Sie sicher, dass der Wechselrichter über die erforderlichen Anschlüsse für Ihre Solarmodule und die Einspeisung ins Stromnetz verfügt.
- Funktionen: Moderne Wechselrichter bieten eine Reihe von zusätzlichen Funktionen, wie z. B. Notstromversorgung, Smart-Home-Integration und Energiedatenmanagement. Entscheiden Sie, welche Funktionen für Sie wichtig sind.
- Preis: Wechselrichter gibt es in verschiedenen Preisklassen. Vergleichen Sie Angebote verschiedener Hersteller und achten Sie auf ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.
Nennleistung und Scheinleistung: Einordnung der Begriffe
- Nennleistung (P_N): Die Nennleistung, gemessen in Watt (W), gibt die maximale Dauerleistung des Wechselrichters an. Sie sollte mindestens 80 % der Gesamtleistung Ihrer Solarmodule betragen, um eine optimale Auslastung zu gewährleisten.
- Scheinleistung (S): Die Scheinleistung, in Volt-Ampere (VA) angegeben, beschreibt die Gesamtleistung des Wechselrichters, einschließlich der Blindleistung. Die Scheinleistung ist immer höher als die Nennleistung.
Dimensionierung des Wechselrichters anhand der Photovoltaikanlage
Faustregel: Die Nennleistung des Wechselrichters sollte ca. 90 % bis 110 % der Gesamtleistung der Solarmodule betragen.
Berechnungsformel:
Nennleistung_Wechselrichter = Gesamtleistung_Solarmodule * Faktor
Faktor: Der Faktor kann je nach Art der Solarmodule und den Umgebungsbedingungen variieren. In der Regel liegt er zwischen 0,9 und 1,1.
Beispiel:
Sie haben eine Photovoltaikanlage mit 10 kWpeak Gesamtleistung. Die Nennleistung des Wechselrichters sollte demnach zwischen 9 kW und 11 kW liegen.
Empfehlung: Lassen Sie sich bei der Auswahl und Dimensionierung des Wechselrichters von einem Fachmann beraten. Ein Installateur für Photovoltaikanlagen kann Ihnen die richtige Größe des Wechselrichters für Ihre Anlage berechnen und den Einbau fachgerecht durchführen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl und Dimensionierung des richtigen Wechselrichters ein wichtiger Faktor für die optimale Leistung und Effizienz Ihrer Photovoltaikanlage ist. Beachten Sie die oben genannten Punkte und lassen Sie sich im Zweifelsfall von einem Fachmann beraten.
