Die Bedeutung und Funktionsweise von Wechselrichtern in Photovoltaik-Anlagen
Klein, aber äußerst bedeutsam für die Funktionstüchtigkeit ihrer Photovoltaik-Anlage ist der Wechselrichter, den es in verschiedenen Ausführungen gibt. Über eine ausgeklügelte Einrichtung wird in diesem Gerät der von den PV-Modulen erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, der benötigt wird, um alle erdenklichen Haushaltsgeräte in Betrieb versetzen zu können. Auch die Funktion des Wechselrichters ist primär auf Effizienz ausgelegt, indem sowohl Energiekosten als auch CO2-Emissionen gesenkt werden.
Zuerst gelangt der von den PV-Modulen gelieferte Gleichstrom zum Oszillator, der ein Wechselspannungssignal initiiert und damit den Gleichstrom mit Polarität versieht. Der amplitudenförmige Strom, der dadurch entsteht und immer wieder vom Plus- zum Minuspol oszilliert, nennt man Wechselstrom.
Das dafür notwendige Magnetfeld wird dabei von der Primärspule erzeugt. Dadurch kann der Strom seine Richtung kontinuierlich ändern. Abhängig von den Lastanforderungen regelt ein Verstärker die Amplitudenstärke und ein Transformator die Spannung. Die Vorgänge im Oszillator können über Steuerelemente diagnostiziert, reguliert und überwacht werden, was eine präzise Kontrolle über den Betrieb ermöglicht. Über verschiedene Anschlüsse gelangt der Strom dann in die Steckdosen.
Die regelmäßige Überprüfung und Wartung der Wechselrichter ist entscheidend, um einen reibungslosen und effizienten Betrieb Ihrer Photovoltaik-Anlage sicherzustellen.
Einphasige und dreiphasige Wechselrichter
Es gibt zwei Hauptbauarten von Wechselrichtern: einphasige und dreiphasige Modelle. Jede Art hat ihre eigenen Merkmale und eignet sich für unterschiedliche Anwendungsbereiche:
Einphasige Wechselrichter:
- kleinere Größe
- kostengünstiger
- längere Lebensdauer
- weniger ausfallanfällig
- geeignet für PV-Anlagen mit einer Leistung von etwa 3 bis maximal 6 kWp
- erzeugen nur eine Sinuswelle
Dreiphasige Wechselrichter:
- größere Leistungsfähigkeit
- höhere Ausfallsicherheit
- drei Wechselstromphasen mit 120-Grad Phasenverschiebung
- bessere Lastverteilung und -verarbeitung
- ideal für PV-Anlagen mit einer Leistung von über 6 kWp
- höherer Preis
- aufwendigere Installation, da an drei Stromleitungen angeschlossen werden muss
Die Auswahl zwischen einphasigen und dreiphasigen Wechselrichtern hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Größe der PV-Anlage, dem Budget und den spezifischen Anforderungen an die Leistung und Ausfallsicherheit.
Welche Wechselrichter für Photovoltaikanlagen gibt es?
Rechteckswechselrichter
Rechteckswechselrichter sorgen dafür, dass die Ausgangsspannung rechteckig ausschlägt. Dies liegt daran, dass die Pulsweitenmodulation fehlt, die bei Sinuswechselrichtern greift. Der damit einhergehenden preislichen Ersparnis steht jedoch der nicht zu vernachlässigende Nachteil gegenüber, dass bei einigen Haushaltsgeräten aufgrund der starken, abrupten Anstiege in der Spannungsbewegung Störungen auftreten können.
Sinuswechselrichter
Demgegenüber erzeugen Sinuswechselrichter sinusförmige Bewegungen in der transformierten Spannung, die höhergradig kompatibel mit allen gängigen Haushaltsgeräten ist, als rechtecksförmige Spannnungen. Störungen treten deutlich seltener auf – im Regelfall nur während der Pulsweitenmodulation, welche die Rechtecksspannung in Sinuswellen überführt.
Stringwechselrichter
Stringwechselrichter sind der Klassiker, wenn es darum geht, einen geeigneten Wechselrichter für PV-Anlagen zu finden, denn sie sind genau für diesen Zweck konstruiert. Die in Reihenschaltung miteinander verbundenen PV-Module führen den erzeugten Gleichstrom zum Wechselrichter. Alle Module in der Kette erbringen die gleiche Leistung, sodass im Verbund die Verluste äußerst gering gehalten werden.
Modulwechselrichter
Das Pendant zum Stringwechselrichter stellt der Modulwechselrichter dar, bei dem jedes Modul einzeln mit einem Wechselrichter bestückt ist. Diese Konstruktion sorgt leider bei Beschädigung einzelner Module dafür, dass die Gesamtleistung der Anlage einbüßt.
Zentralwechselrichter
Vorwiegend bei großflächig angelegten Freilandsystemen kommen Zentralwechselrichter zum Einsatz, die an einem zentralen Punkt untergebracht sind und eine einheitliche Steuerung ermöglichen. Allerdings bleiben Spezifikationen einzelner Module, wie zum Beispiel abweichende Neigungswinkel, Bodenbedingungen oder exponierte Lagen unbeachtet, sodass diese dann einen verminderten Wirkungsgrad aufweisen.
Batteriewechselrichter
Batteriewechselrichter ermöglichen es, auf regenerativ erzeugten Gleichstrom zurückzugreifen, der in Batterien zwischengespeichert worden ist. Erst bei Beanspruchung der Rücklagen erfolgt die Umwandlung in den für die Haustechnik notwendigen Wechselstrom. Die Kombination aus Batterie-und Solarwechselrichtern nennt man Hybridwechselrichter.
Hybridwechselrichter
Er ist ein wahrhaftiger Allrounder. Neben dem Konvertieren von Gleichstrom in Wechselstrom kann er die gewonnene Energie auch langfristig in Stromspeichern zwischenlagern. Eine Inbetriebnahme über Batterien ist daher nicht nur möglich, sondern auch sinnvoll. Bei Netzausfällen liefert er Notstrom und kann somit auch auf traditionelle Energieformen zurückgreifen.
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weitere wichtige Bestandteile einer funktionierenden Wechselrichteranlage
Um die Effektivität Ihrer PV-Anlage auf dem höchstmöglichen Stand zu gewährleisten und alle gesetzlichen Sicherheitsvorschriften jederzeit einzuhalten, sind zusätzliche Bauteile erforderlich, die mit dem Wechselrichter verbunden werden müssen. Im Folgenden möchten wir Ihnen diese Bauteile kurz vorstellen:
Fehlerstromschutzeinrichtung
Fehlerstromschutzeinrichtungen oder auch Residual Current Devices (RCD’s) erfüllen eine ganz wichtige Sicherheitsmaßnahme, nämlich Stromschläge zu unterbinden, wenn der Basisschutz, bestehend aus Isolierungen von stromleitenden Teilen, ausfällt oder nicht mehr ausreicht. Bei PV-Anlagen gilt unbedingt zu beachten, dass ein RCD vom Typ B eingerichtet wird, sofern vom Hersteller keine Kompatibilität der PV-Anlage mit anderen RCD-Typen angegeben wird. Zudem sollten Sie auch noch einen Blick in die Betriebsanleitung Ihres Wechselrichters werfen, um zu überprüfen, ob weitere Einschränkungen bei der Auswahl einer geeigneten Fehlerstromschutzeinrichtung bestehen.
Dies hängt damit zusammen, dass sich in einer PV-Anlage die zum dreiphasigen Wechselrichter geleiteten Gleichströme zu Gleichfehlerströmen potenzieren können, die sowohl vom Basisschutz als auch von handelsüblichen, werkseitig vorhandenen Leistungsschutzschaltern sowie Fehlerstromschutzeinrichtungen des Typs A nicht unbedingt erkannt werden. Abgesehen davon, dass die FI-Schutzschalter von Fehlerstromschutzeinrichtungen des Typs B auch bei den erwähnten glatten Gleichströmen auslösen, weisen die Typ B Fabrikate noch den Vorteil auf, dass sie zusätzlich hohe Frequenzbereiche bis teilweise 50 kHz abdecken. Intelligente Fehlerstromschutzeinrichtungen messen fortlaufend die Differenzstromwerte und geben dem Anwender zur frühzeitigen Gefahrenprävention Lichtsignale, wenn kritische Werte erreicht werden. Bei einer Stromspannung von 230 V erfolgt eine Abschaltung des Gleichstroms binnen 0,2 bis 0,4 Sekunden.
Netz- und Anlagenschutz
Wenn Sie mit Ihrer Photovoltaikanlage neben der Selbstversorgung auch noch Strom ins öffentliche Versorgungsnetz einspeisen wollen, müssen Sie neben Ihrer eigenen Sicherheit auch noch den Arbeitsschutz des dortigen Personals sowie die Unfallfreiheit der Endverbraucher gewährleisten können. Liegen Fehler oder Störungen im Netzbetrieb vor, so wird Ihre dezentrale PV-Anlage durch einen Netz- und Anlagenschutz quasi sofort vom Netz abgekoppelt, sodass Gefahrenherde eliminiert werden, die aufgrund von illegitimen Spannungs- und Frequenzwerten zu Stande kommen könnten. Wie der Name schon suggeriert, werden über derlei Systeme, sowohl das Netz als auch die Anlage geschützt und darüber hinaus positive Effekte auf die Netzstabilität erzielt, da negative Auswirkungen von Störungen minimiert werden.
Um dieser wichtigen Aufgabe langfristig gerecht zu bleiben, überwachen Vorrichtungen des Netz- und Anlagenschutzes stetig sicherheitskritische Parameter, wie z.B. Spannungsschwellen, Frequenzschwellen, Frequenzgeschwindigkeiten und Kennzahlen des Inselbetriebs. Wechselrichter, die eine Nennleistung bis 30 kVA erbringen, erfüllen mit Ihrem intern verbauten NA-Schutz die in Deutschland geltenden gesetzlichen Schutzbestimmungen. Für alle anderen Wechselrichter mit einer Nennleistung über 30 kVa gilt die Pflicht zum Anbau eines zusätzlichen externen NA-Schutzes. Dabei ist es Ihnen überlassen, ob Sie den externen NA-Schutz mit dem im Wechselrichter verbauten Kuppelschalter verbinden, der im Notfall die Abkopplung initiiert oder ob Sie extern einen zusätzlichen Kuppelschalter installieren.
AC- und DC-Trenneinrichtungen
Es wurde bereits erwähnt, dass die primäre Funktion des Wechselrichters darin besteht, Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln. DC-Trennschalter müssen zwischen den Stringleitungen an den PV-Modulen und dem Eingang des Wechselrichters montiert werden. Dadurch wird das PV-Modul mit dem erzeugten Gleichstrom vom wechselstromintensiven Bereich des Systems isoliert, sodass komplikationsfrei Wartungen und Reparaturen durchführbar sind. Ein AC-Trennschalter wiederum wird gebraucht, um die Zufuhr des konvertierten Wechselstroms zum Stromnetz zu kappen. Der Anbau kann an verschiedenen Montagesystemen wie bspw. Schienen oder Service-Boards erfolgen.
AC- und DC-Überspannungsschutz
Als Schnittstelle zwischen bzw. Umwandlungseinheit von Gleich- und Wechselstrom ist der Wechselrichter besonders anfällig für Überspannungen, sodass es von Nöten ist, sowohl auf der Gleichstrom- als auch auf der Wechselstromseite der PV-Anlage Einrichtungen anzubringen, die jene Überspannungen verhindern. Dieses Thema greift eigentlich in den häuslichen Blitz- und Überspannungsschutz hinein. Zwar wird allein durch die Montage von PV-Anlagen, bspw. auf dem Dach, noch nicht das Blitzeinschlagsrisiko signifikant erhöht, es kann sich allerdings trotzdem im Falle eines Einschlags der Schaden potenzieren, weil der Strom transportierende Blitz auch in das Gebäude gelangen kann. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlages aufgrund äußerer Gegebenheiten verschwindend gering ist, sind Einrichtungen des Überspannungsschutzes dennoch sinnstiftend und wichtig, weil neben Blitzeinschlägen auch immer mal wieder Überspannungen durch Netzinstabilitäten auftreten können – u.a. dann, wenn es Stromausfälle gibt oder bereits erzeugter Strom in einem verringerten Maße von den Verbrauchern abgefordert wird. Dadurch kann es zu einem Verrücken der Spannungs- und Frequenzpegel kommen, die in Überspannungen münden.
Auf der Gleichstromseite (DC) gilt zu beachten, dass die Dauerspannung der ausgewählten DC-Überspannungsschutzeinheit nicht die Leerlaufspannung Ihrer PV-Anlage übersteigt. Häuser, die unmittelbaren Blitzeinschlägen ausgesetzt sind, verfügen zumeist über eine äußere Blitzschutzanlage. Hier sollten bei unter 10 Meter Entfernung ein DC-Überspannungsleiter und bei über 10 Meter Entfernung vom Hauseintritt zum Wechselrichter noch ein weiterer DC-Überspannungsableiter des Typs SPD1 am Hauseintritt eingebaut werden. Bei Gebäuden ohne installiertes äußeres Blitzschutzsystem greift man bei besagten Konstellationen auf ein bzw. zwei DC-Überspannungsableiter des Typs SPD2 zurück.
Von Seiten des Wechselstrombereichs (AC), innerhalb welchen das Haus mit dem für elektronische Geräte notwendigen Wechselstrom versorgt wird, sind ebenso Überspannungsvorgänge denkbar. Auch hier wird ein AC-Überspannungsableiter des Typs SPD2 benötigt, der am Vorzähler montiert wird. Wird auch hier eine Maximalentfernung von 10 Metern zum Wechselrichter überstiegen, muss dort zusätzlich ein zweiter AC-Überspannungsableiter SPD2 angebracht werden. Zum Schutz der Hausbewohner und der Abwendung von Überspannungen elektronischer Gerätschaften macht es überdies Sinn, zusätzlich AC-Überspannungsableiter des Typs SPD3 einzurichten.
MPP-Tracker
Werden PV-Module in Reihe geschalten, addieren sich nicht nur die Nennleistungen der Module, sondern auch die Leerlaufspannung wird insgesamt größer, was sich äußerst problematisch auf die Sicherheit der PV-Anlage auswirken kann. Es können dadurch Leerlaufspannungen von über 1000 Volt entstehen, die für den Menschen hochgefährlich, brandbegünstigend und für den Wechselrichter nicht verarbeitbar sind.
Darum spaltet man die Gesamtmodulfläche auf Dächern oft in Teilflächen auf, die fachlich richtig „Strings“ genannt werden. Mit dieser Teilflächengliederung bewirkt man, dass sich die Gesamtspannung auf die Teilflächen aufteilt, sodass man zum Beispiel keine 1.500 Volt Gesamtleerlaufspannung hat, sondern bei 2 Teilflächen nur 2x 750 Volt.
Für dieses Vorgehen sind Wechselrichter mit MPP-Trackern ausgestattet. Bei 2 MPP-Trackern können 2 Strings mit ihrem Plus und Minuspol verbunden werden. Während sich die Spannungen gemäß der Flächenanteile aufteilen, bleibt jedoch die Gesamtleistung der Konstruktion ohne Verluste erhalten.
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PV-Module erzeugen durch die Photonen aus der Sonnenstrahlung PV-Strom. Es gibt unterschiedliche Bauformen mit variablen Nutzungsschwerpunkten.
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Groß dimensionierte PV-Anlagen und Nutzer mit hohem Eigenverbrauch benötigen Stromspeicher zum Einlagern und Wiederabrufen ihrer PV-Energie.