Wechselrichter - Auslegung

Der Wechselrichter ist das Herz der Anlage, egal, ob diese netzgekoppelt, eine Inselanlage ist oder "nur" 12-Volt-Akkus geladen werden sollen.


Ein einzelnes PV-Modul liefert je nach Sonneneinstrahlung, Temperatur und Aufstellungswinkel eine Spannung und einen Strom. Die Spannung die Du an einem(!) Modul messen kannst, kann durchaus schon 40 Volt betragen. Wenn das Modul mit Verbrauch belastet wird sinkt diese Spannung.


Als Beispiel hier die STC-Daten eines China-Moduls (JA! Solar JAM60S09-310/PR):

Nennleistung: 310 Watt

Leerlaufspannung: 40.3 Volt

Spannung bei max. Leistung: 32.60 Volt


NOCT-Daten:

229 Watt

Leerlaufspannung: 37.95 Volt

Spannung bei max. Leistung: 30.67 Volt


Die NOCT-Daten entsprechen hier einer etwas schwächeren Strahlung, aber viel wichtiger ist die Temperatur der Zelle. Bei STC liegt diese bei 25 Grad Celsius, bei NOCT bei ca. 45 Grad - deshalb nimmt die Spannung so stark ab.


Der Wechselrichter hat mehrere Aufgaben: Zum einen versucht er dem Modul die maximal mögliche Leistung zu entlocken und er erzeugt an seinem Ausgang eine definierte Ausgangsspannung. Ein Batteriewechselrichter für Bleiakkus würde zum Beispiel die Spannung am Ausgang auf irgendetwas um 14,4 Volt begrenzen. Ein Netz-Wechselrichter wird hingegen dafür sorgen, dass an seinem Ausgang "normale" Netzspannung anliegt.


Nun werfen wir einen Blick auf das Datenblatt eines Wechselrichters:

Sunny Boy 5.0 (das ist ein Wechselrichter bis 5000 Watt, der auf einer Phase einspeist)

- in Deutschland gibt es noch ein paar Regeln zur Einspeisung, so dass der Wechselrichter tatsächlich noch etwas weniger einspeist.


Nehmen wir an, dass wir eine neue PV Anlage planen, wir haben Platz für 18 Module, haben uns bereits für die oben genannten entschieden und wollen nun schauen, ob der Wechselrichter passen würde:

Die Nennleistung der Module (nach STC Bedingungen, also etwa unter "optimalen" Bedingungen) beträgt 18 * 310 Watt, also 5580 Watt.


Laut Datenblatt, verträgt der Sunny Boy bis 7500 Wp (Im Datenblatt unter Max. Generatorleistung).

Die max. Eingangsspannung liegt bei 600 Volt. Ein kurzer Blick auf den Taschenrechner bestätigt: 18 * 40,3 Volt = 725,4 Volt, also zu viel.


Dagegen kann man aber etwas tun, in dem wir die Module in 2x9 Module aufteilen - praktischerweise hat der Sunny Boy zwei getrennte Eingänge.

Kurze Rechnung: 9 * 40,3 Volt = 362,7 Volt. Das sieht schon besser aus. Die Module, die in Reihe geschaltet werden, um die Spannung zu erhöhen, nennt man auch "in einen String geschaltet".


In der Regel treten auch mal Temperaturen unter dem Gefrierpunkt auf, also muss jetzt noch die max. Spannung bei der tiefsten am Aufstellungspunkt zu erwartenden Temperatur ermittelt werden. Auch dieser Wert muss(!) unter den 600 Volt bleiben.


Der Wechselrichter hat einen MPP-Bereich, das ist der Bereich, in dem der Wechselrichter die Spannung anpassen kann, um für eine optimale Stromerzeugung zu sorgen. Dieser liegt bei den einphasigen SMA Wechselrichtern zwischen 175 Volt und 500 Volt. Der Wert "Spannung bei maximaler Leistung" multipliziert mit der Anzahl der Module sollte innerhalb dieser Werte sein.

Trotzdem hat sich hier ein Pferdefuß eingeschlichen. Denn der Wechselrichter hat noch einen Parameter und der wird anscheinend auch von manchem Solarteur gerne übersehen: Die Bemessungseingangsspannung. Bei diesem Wert hat der Wechselrichter seinen optimalen Wirkungsgrad. Dazu folgende Grafik von SMA:



Interessant ist die schwarze Kurve, hier ist der Wirkungsgrad am Besten, die blaue Kurve zeigt, wie sich der Wirkungsgrad bei höherer Spannung verhält. Die rote Kurve hingegen zeigt, was bei niedriger Spannung zu erwarten ist. Ich würde im Sommer 9*30,67Volt = 276,03Volt erwarten. Das ist etwas wenig. Bei keinem Wind und z.B. 50 Grad Celsius in der Sonne kann die Spannung durchaus weiter runter gehen. Da die "Erntezeit" für Photovoltaik im Sommer liegt, muss man sich bei der Planung im Klaren sein, dass etwa 2% zusätzlicher Verlust entstehen.

Wenn jetzt noch Schatten dazu kommt fangen die Probleme richtig an: In diesem Beispiel würden drei Module mit "Vollschatten" in einem String dafür sorgen, dass die Regelung bereits nicht mehr optimal erfolgen kann.

In diesem Beispiel passt der Wechselrichter halt nur, wenn man bereit ist, einige Kompromisse einzugehen.


Damit der Solarteur nicht immer alles selbst zusammen suchen muss, gibt es auf den Portalen der großen Hersteller inzwischen Webtools, um die Auslegung einer Anlage zu planen. Auch das klappt mehr oder weniger gut, bzw schlecht.

Bevor jetzt jemand nach der "optimalen" Lösung für diesen Fall fragt: Die gibt es nicht und ist wie immer vom konkreten Fall abhängig. Eine Möglichkeit wäre, einen dreiphasigen Wechselrichter zu nehmen (Beispiel SMA Tripower), der kommt mit 18 Modulen je String gut zu recht. Wenn ich aber nicht mehr Platz habe, um mehr Module unterzubringen, dann vernichte ich hier Geld, weil der Tripower viel zu groß ist.

[Dreiphasig: In Deutschland kommt am Hausanschluss in der Regel Wechselstrom mit drei Phasen an, ein dreiphasiger speist den Strom auf allen drei "Leitungen" ein]