Eine Reihe Mikrowechselrichter, die, direkt unter der Dachhaut montiert, den Strom aus der Photovoltaiklösung für das Gebäude nutzbar machen
Was ist ein Wechselrichter?
Kurz gesagt, ist ein Wechselrichter ein elektronisches Gerät, das die Transformation von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) ermöglicht. Erst in dieser Form kann Strom im Haushalt genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden. Häufig kommen sie bei der Umwandlung Erneuerbarer Energien zum Einsatz, da diese Energiequellen wie Solaranlagen oder Windturbinen vornehmlich Gleichstrom produzieren.
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Auch wenn derzeit verschiedene Arten von Wechselrichtern am Markt verfügbar sind, unterscheiden sich bei den meisten Modellen die grundlegenden Prozesse kaum. In der Regel werden elektronischen Schaltungen genutzt, die Gleichstrom in Wechselstrom transformieren.
Im ersten Schritt erfolgt die Umwandlung des eingespeisten Gleichstroms in Pulsstrom durch einen sogenannten Gleichrichter. Damit der Strom allerdings in verschiedene Richtungen fließen kann, ist zusätzlich eine Pulsweitenmodulation (PWM) notwendig. Hierbei werden die Pulsweiten des Gleichstroms geändert und eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt. Nachdem der erzeugte Wechselstrom gefiltert und Unregelmäßigkeiten dabei geglättet wurden, wird der Strom im letzten Schritt an den Ausgang des Wechselrichters geleitet, wo er zur Deckung des Energiebedarfs genutzt werden kann.
Wofür wird ein Solarwechselrichter benötigt und welche Unterschiede gibt es?
Photovoltaikanlagen gewinnen Energie aus Sonnenlicht. Der produzierte elektrische Strom wird dabei immer als Gleichstrom ausgegeben. Solarwechselrichter haben wie andere Wechselrichter auch die Aufgabe, Gleichspannung (DC) in haushaltsübliche und für Endverbraucher nutzbare 230V Wechselspannung (AC) umzuwandeln. Wechselrichter lassen sich anhand ihres Typs, Aufbaus und ihrer Steuerung in verschiedene Kategorien einteilen.
Bei Modul- beziehungsweise Mikrowechselrichtern werden einzelne oder wenige Solarmodule angeschlossen, häufig mit dem Ziel, Leistung und Flexibilität der Photovoltaiklösung zu maximieren. Den Gegensatz dazu bilden sogenannte Strangwechselrichter bei denen mehrere Module in Reihe geschaltet zu einem Strang zusammengefasst werden. Dabei steigt die Spannung, weswegen bei Montage und Betrieb auf höhere Sicherheit wertgelegt werden muss.
Dazu unterscheidet man zwei Steuerungsarten von Wechselrichtern: Selbst geführte Wechselrichter (auch Inselwechselrichter genannt) und Fremd- oder netzgeführte Modelle. Inselwechselrichter haben ihr Anwendungsgebiet mehrheitlich bei industriellen Solar- und Windparks oder Berghütten, Krankenhäusern, auf Booten und Wetterstationen, wo eine unterbrechungsfreie Stromversorgung essenziell für den Betrieb ist. Im privaten oder gewerblichen Gebäudesektor hingegen spielen fast ausschließlich netzgeführte Wechselrichter eine Rolle. Diese haben den Vorteil, dass sie im Zweifelsfall abgeschaltet oder gedrosselt werden können und so eine Überspannung im Netz-Abschnitt vermieden wird. Auch aus regulatorisch Sicht werden an netzgebundene Geräte deutlich geringer Anforderungen gestellt als an Wechselrichter im Inselbetrieb.
Wie verhindern Solarwechselrichter die Überlastung des Stromnetzes?
Da größere Energiemengen nicht kurzfristig gespeichert werden können, muss in jedem Fall ein Energiegleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch bestehen. Das heißt: Es wird auf der einen Seite genau so viel Strom in das Stromnetz eingespeist, wie auf der anderen Seite benötigt wird. Diese Balance drückt sich in der Netzfrequenz aus, die in Europa mit 50 Hz definiert ist. Besteht ein Energieüberschuss, steigt sie und herrscht Energiemangel, fällt sie. Der sogenannte Sollwert darf aber, um die Netzstabilität zu gewährleisten, nicht um mehr als 0,4 Hz abweichen.
Da dezentrale Energieerzeugung – vornehmlich durch Erneuerbare Energien – Schwankungen unterworfen ist, verfügen Solarwechselrichter über die Fähigkeit, die Netzfrequenz durchgängig zu überwachen und sich, falls notwendig, vom Stromnetz zu trennen. Moderne Anlagen operieren dabei differenzierter und passen die Einspeiseleistung dynamisch an, sobald die Netzfrequenz einen gewissen Schwellenwert überschreitet. So kann die Stabilität des Stromnetzes auch bei einer Vielzahl von Einspeisern zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden.
Warum sollte bei dachintegrierter Photovoltaik ein Mikrowechselrichter verwendet werden?
Dachintegrierte Photovoltaiklösungen sollten ausschließlich im Niederspannungsbereich betrieben werden, da nur so die Betriebssicherheit garantiert werden kann. Denn über 60V können bei Problemen mit der Verkabelung oder defekten Steckern Lichtbögen entstehen, die im Extremfall bis zu 4.000 Grad heiß werden und ein erhebliches Brandschutzrisiko darstellen. Eine Möglichkeit dies zu erreichen, kann am Beispiel des Magdeburger Unternehmens Ennogie Deutschland GmbH mit seinem Ennogie-Solardach aufgezeigt werden. Hier kommt eine Kombination aus parallel verbundenen Photovoltaikmodulen und Mikrowechselrichtern zum Einsatz. Da die Wechselrichter direkt in der Dachlattungsebene angebracht werden können, ergibt sich ein weiterer Vorteil dieser Lösung: Praktisch die gesamte Elektronik der PV-Anlage ist im Dach verbaut und schafft so zusätzlich Nutzfläche im Gebäude.
Welchen Wechselrichter nutzt Ennogie beim Ennogie-Solardach?
Das Ennogie-Solardach setzt derzeit auf eine Kombination aus monokristallinen Modulen und Mikrowechselrichtern der Marke APsystems. Die Anlage kann dank einzelner Mikrowechselrichter flexibel auf Lichteinflüsse, Defekte oder Verschattung reagieren und zeichnet sich durch ein hohes Maß an Effizienz aus. Darüber hinaus kann die Ganzdachlösung für Photovoltaik von Ennogie von jedem Handwerker ohne Zusatzqualifikationen verlegt und DC-seitig verkabelt werden, da bei einer Montage im Niederspannungsbereich Risiken minimiert werden.
Wie lässt sich ein Wechselrichter möglichst effizient nutzen?
Photovoltaikmodule erreichen nur zu wenigen Zeiten im Jahr ihre absolute Spitzenleistung (kWp), daher raten Experten davon ab, die Leistung des Wechselrichters exakt auf die installierte Modulleistung der PV-Anlage anzupassen. In den meisten Fällen sind Wechselrichter, die sich zwar an der Leistung der Anlage orientieren, aber diese knapp unterschreiten, die wirtschaftlich sinnvollste Alternative. Denn die Mehrinvestition in die letzten Prozent Wechselrichtermehrleistung lässt sich in den allermeisten Fällen nicht durch einen Mehrertrag aus der Photovoltaikanlage rechtfertigen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die PV-Anlage die Spitzenleistung der Module nahezu ausschließlich unter Laborbedingungen (perfekter Neigungswinkel, ideale Ausrichtung) erreichen kann. In der Praxis sind diese Voraussetzungen faktisch nicht bzw. nur an minimalen Zeiten im Jahr zu erzielen. An allen anderen Zeiten wird die Spitzenleistung nicht erreicht, sodass auch die Wechselrichterleistung nicht an der theoretischen Spitzenleistung der Module ausgerichtet werden muss.
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