Wechselrichter-Unterdimensionierung: Welche Ertragseinbußen?

  • Wechselrichter werden üblicherweise bewusst etwas unterdimensioniert, d.h. die Auslegung der PV-Leistung beträgt >100% bezogen auf die nominale DC-Wechselrichterobergrenze gemäß Datenblatt.


    Um das zu verstehen, muss man etwas ausholen:


    Man muss grundsätzlich unterscheiden, ob man eine energieoptimierte oder eine wirtschaftlich optimierte Anlage möchte. Aber selbst bei einer energieoptimierten Anlage gilt nicht immer die Dimensionierung "maximal 100%" (also PV-Leistung maximal DC-Wechselrichterleistung) als wirklich optimal - hier hängt es von der Wirkungsgradkennlinie des jeweiligen Wechselrichters ab, denn die weitaus dominante Wechselrichter-Betriebszeit über befindet sich die Anlage in Teillast (20-50% Nennleistung), und vor allem im unteren Teillastbereich arbeiten viele Wechselrichter nicht mehr ganz so effizient. In solchen Fällen macht eine Unterdimensionierung des Wechselrichters sogar in einer energieoptimierten Anlage Sinn, weil der Teillastbereich zu höheren Systemspannungen und dann hier zu höheren Wirkungsgraden hin verschoben wird.


    Wenn man aber die wirtschaftlich optimierte Lösung sucht, dann ist so eine Unterdimensionierung schon fast Pflicht. Wechselrichterhersteller empfehlen diese Unterdimensionierung durchaus aus der Erkenntnis heraus, dass der Kunde in der Regel nur dann mehr für seine Anlage bezahlen will, wenn er auch einen mindestens entsprechenden Nutzen hat. Und genau das ist bei einer 100%-Auslegung nicht der Fall. Wirtschaftlich optimiert ist eine Anlage dann, wenn der Verlust (durch Kappung der Leistungsspitzen im Tages- und Jahresverlauf) deutlich geringer ist als der Gewinn durch günstigere Anlagenkosten.


    Der führende Wechselrichterhersteller SMA hat vor Jahren eine ausführliche theoretische Untersuchung zum Thema "Wechselrichterdimensionierung" durchgeführt (bei Interesse kann ich diese gerne zur Verfügung stellen). Darin wird durch Simulation demonstriert, dass selbst bei einer sehr krassen Unterdimensionierung von 200% (PV-Leistung doppelt so hoch, so dass fast täglich die DC-Spitzen massiv gekappt werden!) in unseren Breiten immer noch 83% der möglichen Energie genutzt und gewandelt wird. Bei einer Unterdimensionierung des WR von 20% erreicht man unter diesen Umständen bereits 99,3% des Maximalertrags. Um dem Kunden unnötige Kosten durch größere Wechselrichter zu ersparen, die letztlich nur einen Mehrertrag im Promillebereich ermöglichen (was in keinem vernünftigen Verhältnis zu den Zusatzkosten steht), werden die Wechselrichterauslegungen in der Regel im Bereich 110-120% vorgenommen. Die Firma Fronius setzt in ihrer Auslegungssoftware den optimalen Wert bei 114% an und erlaubt häufig (abhängig vom Modell) bis 123%.



    Eine Grob-Plausibilisierung in einem konkreten Fall:
    Bei einer 9,9 kWp-Anlage (DC-PV-Nominalleistung 9,9 kW) kann der Wechselrichter Fronius IGplus 100 ausgangsseitig 8,1 kWp AC oder dividiert durch den Umwandlungswirkungsgrad 8,5 kWp DC übertragen. Das entspricht einer durchaus noch vernünftigen Unterdimensionierung von 116%. Über den Daumen gepeilt kann man damit eine obere Grenze für den Ertragsverlust folgendermaßen abschätzen:


    9,9 kWp werden lediglich an idealen Tagen lediglich um die Mittagszeit herum erreicht. Dabei muss der Himmel unbewölkt und klar sein, die Lufttemperatur aber niedrig. Der Nominalwert der Module (STC-Wert) wird bei 25°C Zelltemperatur ermittelt, was selbst im Winter bei Sonneneinstrahlung nicht mehr gegeben ist (man darf nicht vergessen, dass selbst bei SunPower-Modulen mit 20% Wirkungsgrad ganze 80% der eingestrahlten Leistung in Wärme in der Solarzelle gewandelt werden!). Man verliert also an so einem idealen Tag grob 1 h x 1,4 kW=1,4 kWh; das absolute Peakleistungsplateau ist streng genommen nur kurz vorhanden, deshalb stellt diese Abschätzung eher eine Obergrenze dar. Solche Tage kommen vielleicht maximal 30mal im Jahr vor. Dann sind das 42 kWh im Jahr Verlust - bei einem in Baden-Württemberg bei einigermaßen vernünftiger Dachausrichtung durchschnittlichem Jahresertrag von 10.000 kWh entspricht der Verlust also maximal 0,4% (leicht zu kompensieren durch höhere Auslastung im Teillastbetrieb)!


    Diese Leistungsbegrenzungen an schönen Tagen sehen natürlich nicht schön aus, wenn man sie im Tagesverlauf anschaut (Datalogger). Das ist aber eher ein kosmetisches oder psychologisches Problem. Die tatsächliche Beeinträchtigung des Ertrags spielt sich selbst bei 20% Unterdimensionierung im Promillebereich ab. Und für diese wenigen zusätzlichen kWh über 20 Jahre hinweg wird ein wirtschaftlich denkender Mensch nicht bereit sein, mehrere hundert Euro zusätzlich im Rahmen der Anlageninstallation zu investieren. Somit geht eine unterdimensionierte Anlagenauslegung von 10% oder mehr durchaus völlig in Ordnung.


    Eigene Erfahrungswerte:
    Nachdem meine PV-Anlage in 2010 mehr als ein Jahr lief und ich mit meinem Datalogger alle Tagesdaten verfügbar habe, analysierte ich aus Neugierde mal die realen Daten eines kompletten Betriebsjahrs und berechnete daraus, wieviel man real verliert, wenn der Wechselrichter tatsächlich unterdimensioniert ist. Dazu kappte ich alle Daten aus dem Datalogger zur Verlustanalyse künstlich auf verschiedenen Leistungsstufen (gemäß gewünschter simulierter Unterdimensionierung des Wechselrichters). Hier das Ergebnis:


    Rasterung der Daten: 5 Minuten
    Datenumfang: 1. August 2009 bis 31. Juli 2010
    Erfasster Ertrag am Datalogger: 4.813,22 kWh


    Berechneter Ertragsverlust bei:
    Wechselrichterunterdimensionierung 110%: 04,62 kWh --- 0,096%
    Wechselrichterunterdimensionierung 115%: 14,80 kWh --- 0,307%
    Wechselrichterunterdimensionierung 116%: 17,22 kWh --- 0,358%
    Wechselrichterunterdimensionierung 120%: 33,06 kWh --- 0,687%
    Wechselrichterunterdimensionierung 200%: 849,7 kWh --- 17,65% ("100%-Unterdimensionierung")


    Erstaunlich, wie gut das Ergebnis mit meinen obigen Grobabschätzungen sowie mit der oben zitierten SMA-Studie zusammenpasst (s.u.: 200% => 83% Ertrag, 120% => 99,3%)!


    Fazit:
    Selbst eine Dimensionierung mit 120% (deutlich sichtbare Kappung der Mittagsspitzen um bis zu 20%) ergibt lediglich einen Verlust von deutlich weniger als 1%. Eine vernünftige Unterdimensionierung im Bereich von 115% ist mit Verlusten von lediglich 0,3-0,4% des Maximalertrags praktisch nicht spürbar. Dafür würde ich zumindest nicht mehrere hundert Euro Aufpreis für einen auf 100% statt 116% dimensionierten Wechselrichter bezahlen wollen. Einen Teil kompensiert der Wechselrichter zudem ja durch eine bessere Auslastung in Teillast, also im weitaus dominierenden Betriebszustand einer Anlage.


    Die Kappung der Tagesverlaufsspitze ist hauptsächlich ein psychologisches, kein finanzielles Problem.


    Nachtrag:
    An anderer Stelle in diesem Forum gehe ich auf die Frage ein, wann es für eine Anlage <30kWp Sinn macht, die 70%-Begrenzung zu wählen und wann eher das vereinfachte Netzmanagement geboten ist (einfach suchen nach Beiträgen von funwithsolar :wink: ).

  • Ich stimme ebenfalls zu, dass eine Unterdimensionierung hauptsächlich ein psyhchologisches Problem ist.


    Noch eine Ergänzung zu dem maximalen Tagesverlust:
    Der theoretische maximale Tagesverlust ist sogar noch geringer also oben beschrieben, weil der Tagesertrag ja einer Sinuskurve und ncht einem Rechteck entspricht. Wenn ich eine Sinuskurve oben abschneide, ist der Verlust sehr viel geringer als bei einem Rechteck.


    Ich habe es mal ausgrechnet, also das Flächenintegral einer vollen Sinuskurve mit entsprechend "gekappten", abgeschnittenen Sinuskurven verglichen. Es ergibt sich:
    - Kappung bei 70%: 15,7% maximal möglicher Verlust
    - Kappung bei 80%: 8,5% maximal möglicher Verlust
    - Kappung bei 90%: 3% maximal möglicher Verlust


    Also bei einer auf 80% ausgelegten Anlage die angenommen 9,9kWh Tagesertrag hat, sind es also nur knap 0,9kWh Verlust maximal.


    Unter Berücksichtigung von Verlusten (Wärme, Leitungen) und dass der maximale Verlust eh nur an klaren Sommertagen auftritt, kann man schon mal gut sehen dass 90% keinen Verlust mehr bedeutet. 80% quasi auch nicht.


    Allerdings ist bei der Auslegung zu bedenken, dass Dächer in guter Lage aber auch über der Nennleistung der Module zeitweise produzieren. Ich schaue daher bei jeder Auslegung immer noch mal die Tageserträge in guten Monaten (je nach Dachausrichtung Mai - Juni meistens) für den Standort und Dach in PVGIS an. Dort bekommt man den theoretischen Maximalertrag ausgegeben, für mich als Stütze für die Auslegung.

    Etwas Neues wird sozial interessant, wenn es technologisch langweilig geworden ist [Clay Shirky]

    Einmal editiert, zuletzt von alpha-canis ()

  • ich denke aber auch, dass man nicht mehr starr sagen kann, dass es mehrere Hundert Euro wirtschaftliche Einbußen bei einer 100% Auslegung geben würde. Die Angebote sind so vielfältig, dass teilweise der etwas größere Wechselrichter nur minimal teurer, manchmal sogar günstiger ist.... kommt natürlich auch darauf an, ob man auf einen Hersteller fixiert ist.

    Carport PV-Anlage in NRW:
    PV-EEG-Netz: 8 kWp = 40 (4 x 10) x Suntech Pluto 200/ADE DN 8.5° - 2 x Power One PVI 3.6 OutD-S - Azimut -35°
    PV-Insel / USV : ca. 3,5 kWp DN 70°-83° - PIP 3024 GK -Tristar TS45 - Victron Multiplus 3000 - 24V C5 1040 Ah PZV

    Wärmepumpe: Geisha, E-Auto: demnächst

  • Sehr interessante Betrachtung, danke.


    Eine ähnliche Untersuchung habe ich kürzlich für meine Anlage gemacht. Die berechneten Verluste durch Unterdimenisionierung des WR sind in einem ähnlichen Rahmen, jedoch höher.
    Anlage: 8° Neigung, ungefähr Südausrichtung. 2 WR: 1x2kW DC an 2 kW WR, 1x 1.75 kw DC an 2 kW WR. Der 2. WR ist also sogar 14 % überdimensioniert. Das war trotzdem die wirtschaftlichste Lösung, einen kleineren, günstigeren WR mit vernünftigem Wirkungsgrad gab es nicht. Durch die Überdimensionierung lässt sich gut mit realen Daten rechnen, die kaum abgeschnitten sind (der WR 2 ging trotzdem total 37.5 Minuten in die Begrenzung)
    Daten vom WR 2 wurden vom September 2011 (Inbetriebnahme) bis Mai 2012 ausgewertet, Rasterung 30s.


    Zitat von funwithsolar

    denn die weitaus dominante Wechselrichter-Betriebszeit über befindet sich die Anlage in Teillast (20-50% Nennleistung)


    Entscheidend ist weniger die Betriebszeit, sondern die erzeugte Energie pro Leistungsstufe. Durch die höhere Leistung erfährt eine höhere Leistungsstufe mehr Gewicht trotz geringerer Betriebszeit. Bei meiner Anlage liegt der Mittelwert ziemlich genau bei 50% DC Nennleistung, d.h. 50% des Ertrags wird unterhalb 50% Nennleistung geerntet, die restlichen 50% darüber.


    Zitat von funwithsolar

    9,9 kWp werden lediglich an idealen Tagen lediglich um die Mittagszeit herum erreicht. Dabei muss der Himmel unbewölkt und klar sein, die Lufttemperatur aber niedrig


    Die grössten Leistungsspitzen treten nicht bei klarem, sondern wechselnd bewölktem Himmel auf. Die Wolkenreflexionen führen teilweise zu Einstahlungen bis zu 1700 W/m2 (Standort in CH). Bei solchen Situationen fuhr dann auch der zu grosse WR in die Begrenzung. Bei klarem Wetter bringt meine flache Anlage im Maximum ca. 84% der DC Nennleistung.




    Das Histogramm zeigt den DC Ertrag, der in der jeweiligen Leistungsstufe geerntet wurde. Die Daten von Juni bis August fehlen noch, also von Monaten mit eher höheren Leistungen. Die Verteilung wird sich daher noch in Richtung höhere Leistungsstufen verschieben.


    Man sieht aber auch, dass Leistungen > 100% kaum einen Einfluss auf den Gesamtertrag haben. Wenn ich den Ertrag begrenze, komme ich auf folgende Werte gegenüber dem 14% überdimensionierten WR:
    Begrenzung bei 100%: 0.11% Verlust
    Begrenzung bei 90%: 0.39 %
    Begrenzung bei 80%: 0.94%
    Begrenzung bei 70%: 2.5%
    Begrenzung bei 50%: 12.3%


    Die Werte sind also in einem ähnlichen Rahmen, wenn auch etwas höher. Bei optimal ausgerichteter Anlage erwarte ich jedoch etwas höhere Verluste:
    - bei klarem Wetter ist die Leistung höher als bei der flachen Anlage
    - 3 leistungsstarke Monate fehlen noch.


    Ein weiterer Aspekt ist der Wirkungsgrad des WR. Die meisten haben ihr Optimum bei 50% Nennleistung. Da der Mittelwert der Einstrahlung auch bei rund 50% Nennleistung liegt, ist ein auf knapp 100% dimensionierter WR nahezu optimal bezüglich Wirkungsgrad. Die Wirkungsgradkurve passt gut zur Ertragsverteilung. Bei über- aber auch bei unterdimensioniertem WR ist dann mit geringerem Wirkungsgrad zu rechnen. Die Unterdimensionierung wirkt sich aber weniger stark aus als die Überdimensionierung, da im unteren Leistungsbereich der Wirkungsgrad stärker abfällt als bei hoher Leistung.

  • Moin funwithsolar,


    welche Messintervalle wurden in deinen Berechnungen verwendet?
    Ich bin der Meinung, je größer das Intervall desto geringer stellt sich der Ertragsverlust durch die Abregelung dar.
    Messungen in einem Intervall von >1Min sind mE. nicht aussagekräftig genug.

    Mit sonnigen Grüßen
    -eggis-


    "Die Welt hat genug für jedermanns Bedürfnisse, aber nicht für jedermanns Gier." (Gandhi)


    SOLON P 220/6+ (230W) / SMA SB3300 TL HC
    Meine Anlage!!! hier klicken

  • Zitat von eggis


    Messungen in einem Intervall von >1Min sind mE. nicht aussagekräftig genug.


    Hallo eggis ,
    ja, da ist was dran...könnte auch bei der 70%-Regel-Verlusten anders sein zwischen 1-Min- und 5-Min- Mittelwerten.
    Gruss Win

    2,4kWp BPsolar BP275F/Sunways NT2500 /2000
    4,2kWp Heckert HS-PXL-210/Sunways NT3700 /2008
    5,5kWp Axitec AC230P/Solarmax 6000S /2009
    2,7kWp Suntech STP225/Solarmax 3000S /2010
    2,2kWp Schott PolyProtect 180/SMA SB3800 /2011
    BMW i3 Yello connect /03.2018

  • Auch wenns schon ein alter Thread ist:
    Wenn man 2 Strings unterschiedlicher Ausrichtung hat und einen lausigen Tarif kann man noch viel stärker unterdimensionieren.


    Ich hab derzeit 4,75 kWp (35 Grad SW, 45 Grad Dachneigung) auf einem Piko 5.5 (war günstig), der (Dank schlechten Wirkungsgrades) DC-Seitig 5,8 kW aufnehmen kann.
    In ein paar Wochen erweitere ich um 3,6 kWp (0 Grad S, 20 Grad Dachneigung).


    Bevor ich min. 1000 Euro für einen neuen Wechselrichter ausgebe (den Piko 5.5 werd ich wohl kaum für 1000Euro los) hänge ich einfach alles auf den Piko und warte bis er auseinanderfällt :)


    4750 + 3600 = 8350 => 144% Unterdimensionierung (oder 70% Kappung)


    Auf die kWp kommt man ja praktisch eh nur ein paar Minuten lang nach einem Regenschauer, wenn der Himmel aufreißt.
    Selbst an ertragreichen Tagen komme ich selten und auch nicht lange über 3700 Wp, was einer 80% Kappung entspräche.


    Dann sind die Module noch recht unterschiedliche ausgerichtet, und altern werden sie wohl auch... das sollt sich ausgehen!


    Bei meinem Einspeisetarif von 7,52 Cent hier in Österreich kostet mich 1% Verlust 7 Euro pro Jahr (der Eigenverbrauch ist nicht gegeben, wenn der WR am Anschlag ist). Ich denke, der Verlust wird (wie alpensonne uns oben zeigte) etwa 2,5% betragen (vielleicht sogar noch weniger in den fehlenden heißen Monaten). Weitere 2,5% hätte mir ein zeitgemäßer WR gebracht. Dann sind das nach 10 Jahren erst 350 Euro. Der Verlust darf also sogar 10% sein und ich bin immer noch günstiger mit meinem alten WR ;)

  • Aus aktuellem Anlass muss ich diesesn herrvorragenden Beitrag nochmal in Verbindung mit Blindleistung bei Anlagen über 13,8 kVA mit cos(phi) von 0.9 ausgraben.

    Monsmusik hat mir hier schon in meinem Beitrag gut auf die Sprünge geholfen, aber ich möchte einfach gerne verstehen...daher noch meine Frage ob ich mit meinen Rechnungen hier richtig liege.


    Mein PV Generator den ich wohl bauen werde hätte jetzt 17,4 kW. Einspeisung mit 70% dynamisch. Mein Wunsch-Wechselrichter (SMA STP15000) kann unter Einbenzug des Wirkungsgrades 15/0,978 also 15,33 kW DC-Seitig.

    Sprich das Verhältniss wäre eigentlich: 17,4 zu 15,3 = 113,7% unterdimensioniert --> Optimal


    Mit der Blindleistung die ich bei der Anlagengröße bereitstellen müsste, wäre das 15,33 * 0,9 = 13,78 kW DC Seitig.

    Sprich das Verhältniss wäre: 17,4 zu 13,78 = 126 % unterdimensioniert --> etwas weniger optimal.



    In Sunny Design wird der Begriff Nennleistungsverhältniss geführt. Das wird vom Programm mit 79% errechnet. Photovoltaik.web meint hier, dieses Verhältniss soll zwischen 90 und 110% liegen?! --> stimmt das noch?

    (Mit dem großen WR STP20000 läge ich bei 106%)


    Auf die von Sunny Design errechneten 79% komme ich wenn ich 15*0,9*0,978 / 17,4 rechne. Liegt damit auch voll im grünen Bereich, sogar besser als der nächst größere WR. Den mir Sunny Design aber bei der Automatischen berechnung vorschlägt, warum?


    Rechne ich richtig?

    Und sehe ich es richtig wenn ich wirklich die Blindleistung bereitstellen muss, dass ich hier schon an der Grenze unterdimensioniert bin.


    Danke vorab :)


    Edit: Strings werden mir übrigens mit 2x 19 und 1x 20 Module á 300 W vorgeschlagen.