Wechselrichter für effiziente PV-Anlagen
Der Wechselrichter ist das zentrale Bauteil jeder PV-Anlage und wandelt den Gleichstrom (DC) aus den Modulen aber auch aus dem Stromspeicher in Wechselstrom (AC) bzw. die Gleichspannung in Wechselspannung. Damit der Strom von den Verbrauchern im Haus verwendet, aber auch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann, muss immer zunächst eine Umwandlung und Anpassung stattfinden. Damit dies möglichst effizient und ohne Verluste passiert, ist es notwendig, die Leistung der PV-Anlage im Verhältnis zur Leistung des Wechselrichters richtig zu dimensionieren. Man spricht hier von einer Über- beziehungsweise Unterdimensionierung. Beides hat seine Vor- und Nachteile, sollte jedoch immer gegeneinander abgewogen werden. Bei einer Unterdimensionierung ist der Wechselrichter unter Umständen weit von seinem optimalen Wirkungsgrad entfernt, wodurch sich höhere Verluste ergeben (Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist nicht konstant, sondern von der Auslastung abhängig). Gleichzeitig lässt man sich jedoch die Möglichkeit offen, zu einem späteren Zeitpunkt die Modulleistung zu erhöhen - Es entstehen aber auch höhere Kosten und die zusätzliche Leistung wird ggf. nie genutzt. Wird der Wechselrichter überdimensioniert, erreicht er häufiger seinen maximalen Wirkungsgrad und minimiert seine internen Verluste. Wird der Wechselrichter allerdings zu sehr überdimensioniert, kann es zu einer Überlastung kommen oder der Wechselrichter altert schneller oder nimmt Schaden. Damit entstehen auch höhere Kosten für die Wartung oder Reparatur. Es lässt sich darüber streiten, ob eine Unter- oder Überdimensionierung sinnvoller ist. Heute tendiert man jedoch eher zu einer leichten Überdimensionierung. Der Grund hierfür liegt vor allem in der besseren Auslastung des Wechselrichters. Selbst an einem idealen Standort, ohne Verschattung durch umgebende Objekte, mindern Wetterereignisse, wie Regen oder Wolken, regelmäßig die Leistung der PV-Anlage. Dadurch würde man den Wechselrichter nur selten komplett nutzen und verschenkt viel Potenzial. Der Faktor für die Überdimensionierung ist Herstellerabhängig. Es gibt inzwischen auch Hersteller, die eine Überdimensionierung von bis zu 150% zulassen.
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Der Strom, welchen die PV-Module produzieren, ist für die meisten Verbraucher nicht nutzbar. Daher überwacht und regelt der Wechselrichter immer auf die richtige Netzfrequenz, -spannung und -impedanz.
Funktionsweise
Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom hat viele Vorteile. Einer der Wichtigsten ist die verlustarme Übertragung von Strom über eine längere Strecke, aber auch, dass man elektrische Verbraucher verpolungssicher anschließen kann. Ein gutes Beispiel hierfür sind die Steckdosen im Haushalt: Egal wie rum man einen Stecker einstöpselt, der Strom fließt immer einwandfrei. Bei einem festen Plus- und Minuspol, den es bei Gleichstrom immer gibt, würde das nicht klappen. Jeder Wechselrichter, der an das Stromnetz angeschlossen wird, muss zur sogenannten Netzstabilität beitragen. Daher ist es notwendig, dass der Wechselrichter die "Vorgaben" des Netzes auch abbilden kann. Die Anforderungen sind dabei, dass ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Herz und 230 bzw. 400 Volt erzeugt wird. Diese Anforderungen können moderne Wechselrichter durch Halbleiterelemente nahezu perfekt immitieren und erreichen, bei hochwertigen Modellen, beeindruckende Wirkungsgrade von über 98%. Das bedeutet, dass 98% des gesamten Gleichstromes, der in den Wechselrichter fließt, wieder als Wechselstrom herauskommt. Um den sinusförmigen Strom zu erzeugen, kann man sich vereinfacht vorstellen, dass der Wechselrichter den Gleichstrom zerhackt, indem der Stromfluss immer wieder für eine bestimmte Dauer unterbrochen wird. Gleichzeitig ändert sich die Stromrichtung in regelmäßigen Abständen. Die Häufigkeit, mit der der Strom unterbrochen und die Richtung pro Sekunde geändert wird, bestimmt die Netzfrequenz. Um dabei die geforderten 50 Herz zu erreichen, muss mindestens 100 mal pro Sekunde umgeschalten werden. Heutige Wechselrichter schaffen jedoch eine deutlich höhere Frequenz von bis zu 10.000 Herz. Damit lassen sich beliebige Sinuskurven abbilden, um die Vorgaben, welche das öffentliche Stromnetz macht, besser zu erreichen und damit eine netzdienliche Funktion zu bieten.
Wirkungsgrade
Da der Wirkungsgrad eines Wechselrichters von der anliegenden Leistung und diese wiederum von der Menge an Sonnenlicht auf den PV-Modulen abhängt, ist es schwierig, eine Aussage darüber zu treffen, wie effizient die Stromproduktion erfolgt. Deswegen haben sich verschiedene Wirkungsgrade herausgebildet, welche die Leistung berücksichtigen: Der maximale, der europäische und der kalifornische Wirkungsgrad. Die beiden letzten Wirkungsgrade sind standortabhängig und geben an, wie effizient der Wechselrichter unter Teillast im Praxiseinsatz arbeitet.
Der maximale Wirkungsgrad
Wie der Name schon andeutet, beschreibt dieser den Wirkungsgrad, wenn die maximal erlaubte Leistung unter optimalen Bedingungen anliegt. Das ist jedoch eher ein theoretischer Wert, welcher in der Praxis nicht erreicht werden kann.
Der europäische Wirkungsgrad
Der europäische Wirkungsgrad soll abschätzen, wie effizient ein Wechselrichter unter realen Bedingungen, welche z.B. in Mitteleuropa herrschen, arbeitet. Dafür wurden verschiedene Teillast-Stufen definiert, an denen gemessen wird, wie effizient der Wechselrichter arbeitet. Diese Stufen werden gewichtet und zum Gesamtwirkungsgrad summiert. Die einzelnen Teillast-Stufen sind 5, 10, 20, 30, 50 und 100 % der Gesamtleistung mit einer Häufigkeit von 3, 6, 13, 10, 48 und 20% gewichtet. Dabei wird also beispielsweise angenommen, dass der Wechselrichter über die komplette Lebensdauer hinweg zu 48% nur eine Teillast von 50% anliegen hat.
Der kalifornische Wirkungsgrad
Der Kalifornische Wirkungsgrad soll ebenfalls abschätzen, wie effizient ein Wechselrichter unter realen Bedingungen arbeitet. Allerdings für südlichere Länder, wie z.B. Südeuropa oder eben Kalifornien. Die Teillaststufen sind hier definiert als 10, 20, 30, 50, 75 und 100 % der Gesamtleistung mit der Häufigkeit von 4, 5, 12, 21, 53 und 5%. Die Berechnung erfolgt allerdings nicht als gewichtete Summe, sondern wird mit der MPP-Nennspannung gemittelt.
Wichtig: Der Wirkungsgrad des Wechselrichters gibt keinen Aufschluss über den Gesamtwirkungsgrad der kompletten PV-Anlage. Dieser ist von sehr viel mehr Faktoren abhängig, unter anderem von
- der Temperatur der PV-Module,
- der Sonneneinstrahlung und Verlustleistung,
- der Verschattung oder Verschmutzung,
- den Leitungsverluste,
- dem Wirkungsgrad der PV-Module und
- dem Wirkungsgrad des Wechselrichters.
Daher sollte eher auch auf eine optimale Abstimmung der einzelnen Komponenten der PV-Anlage geachtet werden und nicht nur auf den Wirkungsgrad des Wechselrichters.