Wechselrichter-Photovoltaik: Funktion ▷ So arbeitet Dein Mikro-Wechselrichter

Wechselrichter: Photovoltaik-Funktion und Merkmale

Der in Deinen Solarmodulen erzeugte Solarstrom unterscheidet sich vom Strom in deutschen Netzen. Ehe er im öffentlichen Stromnetz zur Verfügung gestellt wird, durchläuft er eine Umwandlung. Diese findet im Wechselrichter statt. Ein Wechselrichter hat für Deine Solaranlage eine große Bedeutung, weil die erzeugte Energie ohne ihn nicht so leicht verwendbar wäre. Wie bei den meisten technischen Geräten existiert nicht nur der eine Wechselrichter, sondern es befinden sich verschiedene Arten auf dem Markt.

Ziel dieses Beitrags ist es, Dich darüber zu informieren, wie ein Wechselrichter funktioniert und welche Aufgaben er hat. Du erfährst zudem, warum der Mikrowechselrichter, der auch Modulwechselrichter genannt wird, die beste Wahl für Deine steckerfertige Anlage ist. Zunächst gehen wir dabei ausführlich auf die Funktionsweise von Wechselrichtern ein und werden dabei auch etwas physikalischer. Wenn Du eher am praktischen Teil interessiert bist, wird Dich vor allem der Abschnitt “Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters” interessieren.

Gleichstrom in Wechselstrom: Wozu braucht es den Wechselrichter?

Generell sind die Aufgaben aller Wechselrichter auf dem Markt gleich: Egal, ob String-, Zentral- oder Modulwechselrichter, durch sie wird der erzeugte Solarstrom für das Hausnetz und das öffentliche Netz kompatibel gemacht. Der in den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom ist nämlich nicht für das Stromnetz geeignet, denn hier fließt Wechselstrom.

Die Entscheidung für Wechsel- und gegen Gleichstrom im öffentlichen Netz ist vor mehr als einem Jahrhundert gefallen. Sie ergab sich aus einer großen historischen Auseinandersetzung: Thomas Alva Edison, der die elektrische Glühlampe marktfähig machte, und Nikola Tesla duellierten sich mit ihren Konzepten. Tesla hatte den Wechselstrom entwickelt, der es ermöglichte, Strommengen mit Hochspannung zu transportieren. Dank dieser Hochspannung sanken die Energieverluste während des Transports und es wurde zunehmend klarer, dass…

• der Transport möglichst hoher Strommengen durchs Netz eine bessere Energieversorgung der Verbraucher gewährleistet;
• die hohen verkauften Strommengen für die Energieversorger wirtschaftlich vorteilhaft sind;
• und geringe Verluste beim Transport umweltfreundlich sind.

Aus diesen Hauptgründen fließt heute Wechselstrom durch die Netze. Weil das Sonnenlicht von Natur aus aber als Gleichstrom an den Modulen der Solaranlage anliegt, braucht es eine zwischengeschaltete Komponente, um den Solarstrom in kompatiblen Wechselstrom umzuwandeln. Diese Komponente ist der Wechselrichter. Während die groben Aufgaben bei allen Wechselrichtern gleich sind, unterscheiden sich die einzelnen Arten von Wechselrichtern im Detail durchaus. Wir vergleichen deswegen im Folgenden den Mikro-Wechselrichter mit den anderen Wechselrichter-Typen. Zunächst gehen wir aber auf die detaillierte Funktionsweise des Wechselrichters an sich ein.

Wie funktioniert ein Wechselrichter im Detail?

Um von der Pike auf die detaillierte Funktion der Wechselrichter und sämtliche Vorgänge drumherum zu verstehen, 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.

In Solaranlagen entsteht Gleichstrom

Zur Erzeugung von Energie in den Solarzellen sind Lichtteilchen (Photonen) notwendig, die durch die Einstrahlung der Sonne auf die Solarmodule aufgenommen werden. Negativ und positiv geladene Teilchen verbinden sich zu Ladungsträgern, die dann im sogenannten pn-Übergang der Solarzelle wieder getrennt werden. Diese Trennung lässt Spannungen entstehen und bedingt vor allem ein Bestreben: Ausgleich!

Der Spannungsausgleich wird eingeleitet, indem die Solaranlage an das Stromnetz angeschlossen wird. Dann bewegen sich die Elektronen in Richtung des so erzeugten Pluspols und Strom fließt, bis die Netzverbindung unterbrochen wird.

Photovoltaik erzeugt jedoch zunächst Gleichstrom und dieser kann so nicht direkt ins Stromnetz eingespeist werden. Zur Umwandlung des Stroms kommt daher nun der Wechselrichter zum Einsatz.

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, der häufig erst durch einen Konverter, wie Du ihn beispielsweise vom Netzteil Deines Laptops kennst, wieder in Gleichstrom für Multimedia-Geräte umgewandelt wird.

Wechselrichter-Funktion: Von der Schwingung bis zur Brücke

Die Wechselrichter, die es heute gibt, arbeiten anders als die Wechselrichter, die zuvor mehrere Jahrzehnte lang im Einsatz waren. Anfangs war der Prozess der Stromumwandlung generell noch wenig effizient und mitnichten 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 gilt als 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 andere.

Wechselspannung: Wie wird die Netzspannung von 230 Volt erreicht?

Abgesehen von der Wechselspannung gibt es noch die generelle Spannungshöhe von 230 Volt in deutschen Stromnetzen, die der zirkulierende Strom haben muss. Auch dafür sorgt Dein Solar-Wechselrichter. Zum Erreichen der angestrebten Spannungshöhe ist im Wechselrichter ein Transformator oder Spannungswandler integriert. Dieser ist der H-Brücke nachgeschaltet, sodass der Wechselstrom weiterfließt, um hoch oder herunter transformiert 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.

Aufbau und Funktionsweise von Transformatoren und Spannungswandlern

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

Um Dir trotzdem einen möglichst vollständigen Überblick über die grundsätzliche Spannungsumwandlung zu geben, gehen wir zunächst trotzdem auf den klassischen Trafo ein. Dieser setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• Ferrit- oder Eisenkern, weil diese Materialien eine optimale magnetische Leitfähigkeit haben;
• Kupferdrähte, die mehrfach gewickelt sind und als elektrische Leiter fungieren;
• und Spulen, die nichts anderes als zwei Seiten des Ferrit- oder Eisenkerns sind, um die die Kupferdrähte gewickelt sind.

Maßgeblich für die Funktionsweise eines Trafos ist nun die Bewegung des Magneten. Durch Bewegungen in den Spulen wird über das Magnetfeld eine Spannung induziert.

Die erste Frage an dieser Stelle ist, wie sich die Spannungshöhe regulieren lässt. Beispielsweise muss beim Solarstrom aus Solaranlagen nach der Umwandlung im Wechselrichter die Spannungshöhe gesteigert werden, um die vorgesehenen 230 Volt für das öffentliche Stromnetz erreichen zu können. Hier kommt das Wicklungsverhältnis ins Spiel:

• Wenn die Anzahl der Wicklungen der Kupferdrähte in beiden Spulen gleich ist, sind auch die Spannungswerte auf beiden Seiten des Transformators gleich. Die beiden Seiten werden Primärseite und Sekundärseite genannt – analog dazu heißen die Spulen Primärspule und Sekundärspule.
• Weicht das Wicklungsverhältnis hingegen ab, so ändert sich die Spannungshöhe entsprechend auf der Sekundärseite. Bei einer geringeren Anzahl von Wicklungen auf der Sekundärspule wird der Strom also mit einer geringeren Spannungshöhe ins Netz eingespeist, als er sie vor dem Durchlaufen des Transformators hatte und umgekehrt.

Die elegante Lösung

Aufgrund ihres Ferrit- oder Eisenkerns haben Transformatoren grundsätzlich ein verhältnismäßig hohes Gewicht. Bei der Montage macht es sich dementsprechend auch bemerkbar, wenn ein Wechselrichter mit Trafo ausgestattet ist. Für die kleineren, auf Effizienz ausgelegten Mikro- oder Modulwechselrichter sind Transformatoren daher unpraktisch. Zudem sind Trafos auf eine Kühlung angewiesen – die dementsprechend in den Trafo-Wechselrichtern verbauten Lüfter verbrauchen zusätzliche Energie, die allerdings auch den Wirkungsgrad schmälert. Als Alternative gibt es daher DC/AC-Wandler. Diese beinhalten elektronische Bauelemente, sogenannte Dioden, die den Gleichstrom aus den Solarmodulen nur in eine Richtung passieren lassen. Eine Schaltungskonstruktion trägt dazu bei, dass zunächst Gleichstrom mit höheren Spannungswerten erzeugt wird und dieser daraufhin in Wechselstrom umgewandelt wird.

Wechselrichter für die Photovoltaikanlage: Wichtige Begriffe 

Im Folgenden gilt es noch drei wesentliche Begriffe der Wechselrichter-Technik zu erläutern, die auch für den Betrieb Deiner PV-Anlage von Relevanz sind. Du bekommst dabei zunächst ein paar Hintergrundinfos zu den Begriffen, ehe wir konkret auf die Funktionsweise eingehen.

Was ist Wechselrichterleistung?

Die Wechselrichterleistung ist bei vielen Fragen rund um den Anschluss einer Mini-PV-Anlage an das öffentliche Netz und die Anmeldung der Anlage ausschlaggebend. Bis zu einer Leistung von 600 Watt ist es erlaubt, Photovoltaikanlagen per Schuko-Stecker selbst anzuschließen und vereinfacht anzumelden. Übertrifft die Leistung Deiner Photovoltaikanlage 600 Watt, so 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 Blogbeitrag zum Schuko und Wieland-Stecker.

Generell ist nicht die Leistung der Solarmodule Deiner Anlage der entscheidende Faktor, sondern die Wechselrichterleistung. Nicht selten überschreiten die Solarmodule die Nennleistung von 600 Watt, weil aber der Wechselrichter mit einer Nennleistung von 600 Watt einspeist (Nennleistung ist die vom Hersteller angegebene Maximalleistung) können darüber betriebene Photovoltaikanlagen trotzdem vereinfacht angemeldet und selbst installiert werden.

Die Wechselrichterleistung gibt also an, wie hoch die Leistung einer Solaranlage ist, mit der der Wechselstrom ins Netz eingespeist wird. Dabei ist die Konstruktion des Wechselrichters der bestimmende Faktor darüber, wie hoch seine Leistung ist. Die maximale Wechselrichterleistung wird somit in der Produktion bestimmt, wodurch für verschiedene Anwendungszwecke auch verschiedene Leistungswerte der Geräte sinnvoll sind. Obwohl es umgangssprachlich heißt, dass der Strom aus der Photovoltaikanlage eingespeist wird, ist es eigentlich anders: Die Wechselrichter-Einspeisung ins Hausnetz ist der entscheidende Wert.

Wie erzeugt ein Wechselrichter Blindleistung?

Blindleistung ist ein Phänomen, das bei Wechselstrom auftritt. Du weißt bereits, dass sich bei Wechselstrom die Richtung/Polung regelmäßig ändert. 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 negativen 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 Solaranlage neben der Wirk- auch Blindleistung bereitstellen kann.

Du fragst Dich jetzt vielleicht, wie sinnvoll es ist, dass PV-Anlagen gezielt Blindleistung liefern, wenn diese keine verwertbare Energie mit sich bringt. Darauf gibt es eine Antwort:

Es ist möglich, Phasenverschiebungen so zu gestalten, dass sie die Phasenverschiebung des Netzes kompensieren. Blindleistung bei Solaranlagen trägt damit zur Stabilität des öffentlichen Stromnetzes bei. Weil der Wechselrichter den Strom einspeist, muss er auch mit entsprechender Technologie ausgestattet sein, die folgende Voraussetzungen erfüllt:

• Die Phasenverschiebung ist messbar, dabei ist der Verschiebungsfaktor cos(φ) die entscheidende Größe.
• Neben der Wirkleistung der Anlage, für die der Wechselrichter ausgelegt ist, wird er technisch so konzipiert, dass er zusätzlich zur Wirkleistung noch eine Blindleistung erzeugen kann. Der genannte Verschiebungsfaktor und die Wirkleistung dienen der Berechnung der erforderlichen Blindleistung.
• Es wird Strom mit einer Scheinleistung ins Netz gebracht, bei der der überwiegende Anteil Wirkleistung darstellt. Der Rest besteht aus Blindleistung.

Was ist Maximum Power Point Tracking (MPPT)?

Der Maximum Power Point (MPP) ist mit Blick auf die Solarzellen der Module immens  wichtig: Es ist der Punkt, an dem eine Solarzelle mit der maximal möglichen Leistung (also im Idealfall der Nennleistung) arbeitet. Auch darauf hat der Wechselrichter Einfluss. 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 die Spannung und Stromstärke so angepasst, dass die höchstmögliche Leistung ausgegeben werden kann.

Stecker-Solaranlagen von priwatt nutzen Modulwechselrichter mit MPP-Tracker. So kommt für die Module ein großer Vorteil zum Tragen, den ein Zentralwechselrichter, der für alle Solarmodule genutzt wird, nicht hat: Der Höchstleistungspunkt wird für jedes Modul einzeln errechnet, was die Effizienz der gesamten Photovoltaikanlage optimiert.

Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters

Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters im Vergleich zum Stringwechselrichter oder Zentralwechselrichter ergeben sich erst aus dessen Anwendung, denn im Grunde funktioniert die Umwandlung des Solarstroms immer gleich.

Werfen wir daher einen Blick auf die grundsätzlichen Vorteile der Verwendung eines Mikro-Wechselrichters:

• Modulare Basis
• Skalierbarkeit und Anpassbarkeit
• Einfachheit & Kostenfaktor
• Sicherheit

#1 | Die modulare Basis ist ein Effizienzfaktor.

Die Tatsache, dass der Wechselrichter an allen Modulen angebracht wird, verschafft Dir die maximale Effizienz pro Modul. Bei ein bis zwei Modulen pro Wechselrichter erlaubt der MPP-Tracker – im Gegensatz zu einem String- oder Zentralwechselrichter – eine genauere Berechnung des MPP pro Solarmodul.

Eine herkömmliche Anlage mit einem Wechselrichter auf String-Basis kann hingegen auf das Problem stoßen, dass es aufgrund wechselnder Lichtverhältnisse und weiterer Einflussfaktoren zu Energieverlusten kommt und dies ohne angepasstes MPP-Tracking zu Einbußen bei der erzeugten Solarstrom-Menge führt. Für maximale Stromerträge wird für möglichst wenige Module ein separates MPP-Tracking benötigt.

#2 | Skalierbarkeit und Anpassbarkeit bringen Flexibilität.

Im Gegensatz zu einem Stringwechselrichter ist beim Mikro-Wechselrichter oder Modulwechselrichter eine beliebige Anordnung und Anpassung der Module möglich. Vor allem AnlagenbesitzerInnen, die bei der Anzahl ihrer Module klein beginnen und die Photovoltaikanlage erst später erweitern möchten, profitieren hiervon. Somit sind Mikro-Wechselrichter, wie Du sie in unseren Sets findest, für Mini-PV-Anlagen ideal.

#3 | Von der Einfachheit und den geringen Kosten profitieren alle.

Bei unseren steckerfertigen PV-Anlagen ist es uns wichtig, dass die Installation des Wechselrichters für Dich so einfach wie möglich ist. Es müssen im Gegensatz zum Stringwechselrichter keine komplexen Stromkreise berücksichtigt werden. Durch die selbst durchgeführte Installation, aber auch aufgrund der geringen Materialkosten sind Mikro-Wechselrichter außerdem im Vergleich zum Stringwechselrichter deutlich kostengünstiger.

#4 | Sicherheit ist vor allem bei Plug-and-Play-Anlagen unabdingbar.

Sicherheit bezieht sich sowohl auf die Installation als auch auf das Stromnetz. Anders als bei String- und Zentralwechselrichtern, bei denen teilweise enorm hohe Photovoltaik-Spannung auftreten kann, ist bei modularen Geräten die Maximalspannung auf weniger als 60 Volt begrenzt.

Die Maximalspannung wird als Photovoltaik-Sicherheitsspannung bezeichnet und von den Herstellern einem speziellen Mikro-Wechselrichter-Test unterzogen, ehe die Produkte auf den Markt kommen. Da die PV-Anlage auch im Brandfall unter Spannung steht, trägt die genannte Begrenzung der Modulspannung entscheidend zum gefahrlosen Betrieb der Anlage bei.

FAQ: Alles Wichtige auf einen Blick

Was macht ein Wechselrichter?

Generell ist ein Wechselrichter für die Umwandlung des Gleichstroms in netzkonformen Wechselstrom zuständig. Darüber hinaus sorgt er für die Leistungsoptimierung per MPP-Tracking, stellt die Einspeisung des Wechselstroms synchron zur Netzfrequenz sicher und überwacht die Netzspannung und -frequenz sowie die Übermittlung verschiedener Anlagendaten.

Wie hoch ist die Lebensdauer eines Wechselrichters?

Normalerweise beträgt die generelle Wechselrichter-Lebensdauer 15 Jahre. Sie kann mit der sachgemäßen Nutzung eines hochqualitativen Wechselrichters allerdings auch auf 20 Jahre anwachsen.

Wie wird der Wechselrichter angeschlossen?

Der Mikro-Wechselrichter wird zuerst mit MC4-Solar-Steckern an das Solarmodul angeschlossen. Für den Betrieb der Photovoltaikanlage muss er dann noch an eine haushaltsübliche Steckdose oder eine Wieland-Einspeisesteckdose angeschlossen oder per Festanschluss mit dem Hausnetz verbunden werden.

Was ist beim Wechselrichter-Anschluss zu beachten?

Der Mikro-Wechselrichter ist aufgrund seiner hohen Schutzklasse (IP67) gegen Staub und Feuchtigkeit sehr gut geschützt. Er sollte jedoch gegen direkte Sonneneinstrahlung geschützt werden. Montiere ihn daher so, dass er (z. B. durch das Solarmodul) verschattet wird.

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.