Was ist ein Wechselrichter? Die Funktionsweise des “Gehirns” Deiner PV-Anlage

Photovoltaikanlagen erzeugen Strom, mit dem Du die Verbrauchsgeräte in Deinem Haushalt versorgen kannst. Allerdings braucht es dazu mehr als nur Solarmodule, denn Solarstrom unterscheidet sich zunächst von dem im Stromnetz Deines Hauses. Ehe er im privaten oder öffentlichen Stromnetz zur Verfügung gestellt werden kann, muss der Strom erst eine Umwandlung durchlaufen.

Diese Umwandlung findet in einem Gerät namens Wechselrichter statt. Der Wechselrichter ist ein wichtiger Bestandteil jeder PV-Anlage und steuert als “Gehirn” Deiner Anlage alle Prozesse rund um die Einspeisung. Wie bei den meisten technischen Geräten existiert dabei nicht nur der eine Wechselrichter, sondern es befinden sich verschiedene Arten auf dem Markt.

In diesem Beitrag erklären wir Dir, wie ein Wechselrichter (auch Inverter genannt) funktioniert und welche Aufgaben er hat. Du erfährst zudem, welcher Wechselrichter die beste Wahl für Deine Photovoltaik-Anlage ist. Je größer Deine Solaranlage werden soll, umso genauer solltest Du allerdings differenzieren können. Deshalb gehen wir auch auf die Wechselrichter-Arten ein und vergleichen Mikro- und String-Wechselrichter für Dich.

Gleichstrom in Wechselstrom: Nicht ohne Wechselrichter

Im Grunde haben alle Wechselrichter auf dem Markt die gleiche Aufgabe: Der erzeugte Solarstrom wird für das Hausnetz sowie das öffentliche Netz kompatibel gemacht. Der in den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom (DC) ist nämlich nicht für diese Stromnetze geeignet – hier fließt Wechselstrom (AC).

Wechselstrom ermöglicht es, größere Strommengen mit Hochspannung zu transportieren, wodurch die Energieverluste während des Transports sinken. Das bietet folgende Vorteile:

• eine bessere Energieversorgung der Verbraucher wird gewährleistet,
• die verkauften Strommengen sind für die Energieversorger wirtschaftlich attraktiver,
• und die geringen Verluste beim Transport sind schlichtweg umweltfreundlicher.

Das Sonnenlicht erzeugt allerdings von Natur aus eine Gleichspannung in den Modulen Deiner Photovoltaikanlage. Deshalb braucht es eine zwischengeschaltete Komponente, um die Ausgangsspannung umzuwandeln und damit auch den erzeugten Solarstrom in kompatiblen Wechselstrom zu transformieren: Hier kommen Wechselrichter ins Spiel.

Die großen Vorteile der wechselnden Stromrichtung

Die wechselnden Richtungen bieten verschiedene Möglichkeiten, den Strom zu nutzen. In Hochspannungsnetzen sind so Werte von bis zu 380.000 Volt erreichbar, die daraufhin in Transformatoren auf die für das deutsche Stromnetz typische Spannung von 230 Volt reduziert werden können. Zudem lässt sich in Generatoren einfach Wechselstrom erzeugen. Häufig wird dieser erst durch einen Konverter, wie Du ihn beispielsweise vom Netzteil Deines Laptops kennst, wieder in Gleichstrom für Multimedia-Geräte umgewandelt wird.

Wie funktioniert ein Wechselrichter im Detail?

Wenn Du die detaillierte Funktion von Wechselrichtern und die Vorgänge drumherum von der Pike auf verstehen willst, ist es sinnvoll, sich zuerst mit der generellen Funktionsweise von Solarzellen zu beschäftigen. Alles Wichtige hierzu erklären wir Dir in unserem Blog im Beitrag zur Photovoltaik-Funktion.

Wechselrichter-Funktion: Von der Schwingung bis zur Brücke

Die Wechselrichter, die es heute gibt, arbeiten anders als solche, die zuvor mehrere Jahrzehnte lang im Einsatz waren. Anfangs war der Prozess der Stromumwandlung generell noch wenig effizient und kaum wirtschaftlich. Er basierte auf Schwingungen zur Änderung der Frequenz: Über ein Relais wurde der Stromkreis abwechselnd unterbrochen und fortgesetzt, um eine Transformation in Wechselstrom zu gewährleisten.

Heute ermöglichen Halbleiter dies durch eine sogenannte H-Brückenschaltung, die die Polarität fortlaufend über Kreuz ändert. Die genannte Frequenz ist dabei ein generelles Merkmal der Kompatibilität des Wechselstroms mit dem Netz. In europäischen Netzen beträgt diese Frequenz üblicherweise 50 Hertz. Das heißt, dass der Strom pro Sekunde 50 mal in die eine Richtung fließt und 50 mal in die jeweils andere.

Wie wird die Netzspannung von 230 Volt erreicht?

Abgesehen von der wechselnden Stromrichtung muss der zirkulierende Strom noch die generelle Spannungshöhe von 230 Volt in deutschen Stromnetzen aufweisen. Auch dafür sorgt der Wechselrichter Deiner Photovoltaik-Anlage. Zum Erreichen der angestrebten Spannungshöhe ist im Wechselrichter ein Transformator oder ein Spannungswandler integriert. Dieser ist der H-Brücke nachgeschaltet, sodass der Wechselstrom weiterfließt, um anschließend hoch- oder heruntertransformiert zu werden.

Es arbeiten jedoch nicht alle Verbrauchsgeräte und Stromnetze mit den gleichen Spannungswerten. Beispielsweise ist die Betriebsspannung Deines Laptops oder einer Batterie eine andere als die im Hausstromnetz. Demnach besteht nicht nur bei einer Photovoltaikanlage die Notwendigkeit, die Spannungshöhe anzupassen. Aus diesem Grund ist in den meisten elektrischen Geräten eine Komponente verbaut, die für die Spannungsumwandlung zuständig ist. Im Wesentlichen gibt es hierbei zwei Optionen: Transformatoren und Spannungswandler.

Die elegante Lösung: Trafolose Wechselrichter

Transformatoren werden häufig auch als “Trafo” abgekürzt und haben in der Elektrotechnik einen hohen Stellenwert. Für die Funktionsweise Deiner Photovoltaikanlage spielt der klassische Transformator heute hingegen kaum noch eine Rolle, da er bei Wechselrichtern keine Anwendung mehr findet. Grund hierfür sind sein hohes Gewicht und der schlechtere Wirkungsgrad. Heute sind für Photovoltaikanlagen stattdessen Trafolose Wechselrichter mit DC/AC-Wandlern im Einsatz.

Als Alternative zum Trafo wurden DC/AC-Wandler entwickelt. Diese beinhalten elektronische Bauelemente, sogenannte Dioden, die den Gleichstrom aus den Solarmodulen nur in eine Richtung passieren lassen. Eine Schaltungskonstruktion trägt dann dazu bei, dass zunächst Gleichstrom mit höheren Spannungswerten erzeugt wird und dieser daraufhin in Wechselstrom umgewandelt wird.

PV-Wechselrichter mit 800 W: Leistung bei Stecker-Solaranlagen besonders relevant

Die Wechselrichterleistung ist bei vielen Fragen rund um den Anschluss und die Anmeldung einer Mini-PV-Anlage ausschlaggebend. Bis zu einer Leistung von derzeit noch 600 Watt ist es erlaubt, Photovoltaikanlagen per Schuko-Stecker selbst anzuschließen und vereinfacht anzumelden. Übertrifft die Leistung Deines Balkonkraftwerks diese Grenze, ist die Installation der Anlage mit einem höheren Aufwand verbunden, weil für den Betrieb der Anlage z. B. ein Wieland-Stecker und eine Wieland-Steckdose benötigt werden. Mehr zu diesem Thema erfährst Du in unserem Blog-Artikel zum Schuko und Wieland-Stecker.

Generell ist nicht die Leistung der Module Deiner Mini-PV-Anlage der entscheidende Faktor, sondern die Wechselrichterleistung. Um die Einspeisegrenze voll auszunutzen, ist die Nennleistung der Solarmodule ab den Duo-Stecker-Solaranlagen von priwatt größer als 600 Watt. Die Mikrowechselrichter unserer steckerfertigen Komplettsets speisen allerdings mit einer maximalen Leistung von 600 Watt ein. So kannst Du Deine Photovoltaikanlage vereinfacht anmelden und selbst installieren.

Wie erzeugt ein Wechselrichter Blindleistung?

Blindleistung ist ein Phänomen, das bei Wechselstrom auftritt. Wie Du bereits weißt, ändert sich bei Wechselstrom die Richtung/Polung regelmäßig. Hierbei kann es zu einer Phasenverschiebung kommen, bei der Strom und Spannung nicht mehr "in Phase", also nicht mehr synchron verlaufen.

Stimmen die Phasen überein, wird reine Wirkleistung generiert, die zu 100 % verwertbar ist. Bei einer Phasenverschiebung kommt es allerdings zwischen Stromstärke und Spannung zu einer Phasendifferenz. So entsteht Blindleistung, die nicht verwertbar, aber trotzdem im Netz vorhanden ist und u. a. zu Transportverlusten der Energie führt. Aufgrund eines Gesetzes vom 1. Juli 2010 ist es sogar Pflicht, dass eine Photovoltaikanlage neben der Wirk- auch Blindleistung bereitstellen kann.

Aber warum ist es sinnvoll, dass PV-Anlagen gezielt Blindleistung liefern, wenn diese keine verwertbare Energie mit sich bringt? Es ist möglich, Phasenverschiebungen so zu gestalten, dass sie die Phasenverschiebung des Netzes kompensieren. Blindleistung bei PV-Anlagen trägt damit zur Stabilität des öffentlichen Stromnetzes bei.

MPP-Tracker: Garant für eine hohe Leistung des Wechselrichters

Der Wirkungsgrad von Wechselrichtern variiert zwischen den Herstellern und auch innerhalb der verschiedenen Modelle mitunter deutlich. Ein modernes Gerät weist mittlerweile aber einen Wirkungsgrad von ca. 98% auf. Grundsätzlich sagt der Wechselrichter-Wirkungsgrad aus, wie groß die Menge an Solarstrom nach der Umwandlung und den damit einhergehenden Umwandlungsverlusten tatsächlich noch ist. Solarwechselrichter verfügen daher über MPP-Tracker, durch die die Anlage immer im maximalen Leistungsbereich arbeitet und die größtmögliche Strommenge produziert.MPP steht dabei für “Maximum Power Point” und ist mit Blick auf die Solarzellen der Module immens wichtig: Es geht hierbei um den Punkt, an dem eine Solarzelle mit der maximal möglichen Leistung (also im Idealfall der Nennleistung) arbeitet. Moderne Wechselrichter nutzen MPP-Tracker und ermitteln diesen Punkt der maximalen Leistung während des Betriebs der Anlage. Dieser Prozess wird Maximum Power Point Tracking, kurz MPPT genannt. Hierbei wird im Wechselrichter je nach Situation die Spannung und Stromstärke so angepasst, dass die höchstmögliche Leistung ausgegeben werden kann.

Wechselrichter-Arten: Mikro- vs. String-Wechselrichter

Wenn Du mehr als eine steckerfertige PV-Anlage mit begrenzter Einspeiseleistung betreiben willst, macht es für Dich Sinn, zwischen verschiedenen Arten von Wechselrichtern zu wählen.

Neben dem Zentralwechselrichter, der vor allem in der Industrie für besonders große Photovoltaik-Anlagen eingesetzt wird, hast Du bei größeren PV-Anlagen in erster Linie die Möglichkeit, zwischen Mikro- und String-Wechselrichter zu wählen. Die generelle Aufgabe der Geräte ist dabei aber immer gleich: Sie wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um.

Mikrowechselrichter bringen Flexibilität und Sicherheit

Je größer Deine PV-Anlage dimensioniert ist, desto mehr Leistung muss auch der Wechselrichter bringen. Bei größeren Anlagen bedeutet das, dass mehrere Mikrowechselrichter installiert werden, die für wenige oder sogar einzelne Solarmodule (Modulwechselrichter) zuständig sind. Das hat folgende Vorteile:

• Maximale Effizienz pro Solarmodul: Ein Wechselrichter wird nur mit einzelnen oder wenigen Modulen verbunden. Das erlaubt dem modularen MPP-Tracker eine genauere Berechnung des Höchstleistungspunktes pro Modul.
• Skalierbarkeit und Anpassbarkeit: Beim Mikrowechselrichter oder Modulwechselrichter ist eine flexible Anordnung und Anpassung der Module möglich, wodurch Du die Anlage nachträglich auch einfacher erweitern kannst. Zudem kann er i.d.R. selbst mit dem Solarmodul verbunden werden.
• Sicherheit: Anders als bei String- und Zentralwechselrichtern, bei denen teilweise enorm hohe Photovoltaik-Spannung auftreten kann, ist bei modularen Geräten die Maximalspannung auf 60 Volt begrenzt und damit für Menschen ungefährlich. Insbesondere in Extremsituationen wie Brandfällen kann das den Unterschied ausmachen, da so auf dem Dach keine hohen Spannungswerte das Feuer anfachen.

Module über einen String-Wechselrichter in Reihe schalten

Wenn Du trotz der größeren Dimension Deiner Anlage nur einen oder wenige Wechselrichter berücksichtigen möchtest, ist die Steuerung über String- oder Multistring-Wechselrichter für Dich das Richtige. In ihrer speziellen Form als Hybrid-Wechselrichter können sie darüber hinaus auch direkt an einen Batteriespeicher angeschlossen werden. So profitierst Du von folgenden Vorteilen:

• Einfachheit: Da es nur einen Wechselrichter gibt, ist die Verdrahtung der Photovoltaikanlage verhältnismäßig simpel. Es gibt ein zentrales Kabel, über das die Module einer Großanlage in Reihe geschaltet und an einen Wechselrichter angeschlossen werden.
• Kosten: Aufgrund der geringeren Menge an Geräten und Anschlusspunkten sind die Installationskosten für String-Wechselrichter häufig geringer. Der Anschluss wird dabei durch eine Elektrofachkraft durchgeführt.
• Wartung: Auch die Wartung der Photovoltaikanlage wird aufgrund der geringeren Menge an Geräten und Anschlusspunkten erleichtert. Zudem vermeidest Du komplexere Elektronik auf Deinem Hausdach, wenn Deine Module dort angebracht sind, da der String-Wechselrichter üblicherweise an der Hauswand installiert wird.

Mikro- und String-Wechselrichter im Vergleich

FAQ: Alles Wichtige zur Wechselrichter-Funktionsweise

Was genau macht ein Wechselrichter?

Der Wechselrichter ist für die Umwandlung des Gleichstroms in netzkonformen Wechselstrom zuständig. Darüber hinaus sorgt er für die Leistungsoptimierung mittels MPP-Tracker, stellt die Einspeisung des Wechselstroms synchron zur Netzfrequenz sicher und gewährleistet die Überwachung sowie Übermittlung verschiedener Anlagendaten.

Wann benötige ich einen Wechselrichter?

Einen Wechselrichter benötigst Du immer dann, wenn Du den Strom Deiner PV-Anlage im Haushalt nutzen oder in das öffentliche Stromnetz einspeisen möchtest. Beispielsweise bei Camping-Solaranlagen kannst Du allerdings über Gleichstrom Deine Wohnmobil-Batterie laden und benötigst folglich keinen Wechselrichter.

Warum braucht ein Wechselrichter Strom?

Wechselrichter brauchen die Netzfrequenz von 50 Hertz gewissermaßen als Vorgabe, um zu funktionieren. Das heißt, dass bei einem Stromausfall der Wechselrichter automatisch abschaltet und die Solaranlage keinen Strom mehr liefern kann.

Wie hoch ist die Lebensdauer eines Wechselrichters?

Normalerweise beträgt die Wechselrichter-Lebensdauer 15-20 Jahre. Beispielsweise in priwatt Balkonkraftwerken der 3. Generation kommen allerdings mittlerweile Mikrowechselrichter mit einer Herstellergarantie von 25 Jahren bzw. 10.000 kWh zum Einsatz.

Was ist beim Anschluss eines Wechselrichters zu beachten?

Mikrowechselrichter sind aufgrund ihrer hohen Schutzklasse (meist IP67) gegen Staub und Feuchtigkeit sehr gut geschützt. Sie sollten allerdings keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden. Montiere sie daher so, dass sie z. B. durch das Solarmodul verschattet werden.

Zudem solltest Du auf einen Abstand des Wechselrichters von mindestens 2 cm zu allen angrenzenden Bauteilen achten, damit er seine Abwärme gut an die Umgebungsluft abgeben kann. Im Betrieb kann ein Wechselrichter sehr warm werden. Achte daher darauf, dass er nicht versehentlich (v. a. von Kindern) berührt wird.