Wechselrichter für PV-Anlage – Funktion, Arten, Kosten

In diesem Artikel dreht sich alles um Wechselrichter für Solaranlagen. Sie erfahren im Detail wozu Wechselrichter gut sind, wie hoch die Preise sind, auf was beim Kauf geachtet werden muss und vieles mehr.

Was ist ein Wechselrichter?

Der Wechselrichter ist das zentrale Element einer PV-Anlage, welches erzeugten Solarstrom von Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Die elektrische Energie wird vom Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz synchron der 50 Hz Netzfrequenz eingespeist, oder von Verbrauchern des Haushalts selbst konsumiert. Der Wechselrichter optimiert solare Erträge mithilfe von MPP-Tracker (ca. 98 % Wirkungsgrad).

Aufgaben vom Wechselrichter

Ein Wechselrichter für Photovoltaikanlagen hat diese Aufgaben:

Einphasig und dreiphasige Einspeisung

Die meisten Verbraucher im Haushalt benötigen nur eine Phase mit einer Spannung von 230 V. Zur Verfügung steht jedoch drei Phasen, auch Drehstrom genannt. Der Dreiphasenwechselstrom liefert 400 V und wird z.B. vom Herd verwendet.

Laut der VDE-AR-N 4105 Anwendungsregel darf es maximal eine Schieflast von 4,6 kVA pro Phase geben. Ein Einphasen-Wechselrichter darf also höchstens 4370 Watt (0,95 Leistungsfaktor cos phi) einspeisen. 

Bei typischen Photovoltaikanlagen, mit einer Leistung Richtung der 10 kWp-Grenze, ist das nicht ausreichend. In diesem Fall kommt ein dreiphasiger Wechselrichter ins Bild. Dieser besitzt keine Obergrenze zur Netzeinspeisung und ist für die meisten Photovoltaikanlagen über 5 kWp empfehlenswert. 

Funktion eines Wechselrichters

Der Mittelwert von einem gesamten Zyklus beträgt deshalb immer 0 V. Damit aus Gleichstrom Wechselstrom wird, werden im Schaltkreis vier Transistoren eingesetzt. Sind davon 2 Stück geöffnet fließt der Strom in die eine Richtung. 

Wenn diese geschlossen sind und die beiden anderen Paare geöffnet werden, fließt der Strom in die andere Richtung. Eine Wechselspannung ist entstanden. Im nachfolgenden Video wird dieser Prozess gut erklärt:

Die Eingangsspannung wird vom Wechselrichter gemäß MPP angepasst. Der Strom wird mithilfe der PWM-Brücke (siehe Schaltplan) in eine sinusförmige Wechselspannung transformiert. Die gesamte Steuerung funktioniert in einem Bruchteil einer Sekunde.

Besteht ein Netzanschluss, wird der Strom mit einer Ausgangsspannung von 230 V ins Netz eingespeist.

Schaltplan Wechselrichter

So ist ein Stringwechselrichter ohne Trafo aufgebaut:

MPP-Tracker

Der Maximum Power Point ist der optimale Leistungspunkt der Solarzellen bzw. Solarmodulen im String einer Photovoltaikanlage. Der MPP setzt sich aus der Kennlinie von Stromstärke und Stromspannung zusammen.

Damit der Maximum Power Point erreicht wird, muss der Wechselrichter mit dem MPP-Tracker den Lastwiderstand so ändern, dass das Produkt aus Strom und Spannung maximal groß ist. Dafür ist ein DC-DC-Wandler im Gerät integriert. Eine gute Erklärung der Funktionsweise von MPP-Trackern bietet auch dieses Video.

Verschiedene Typen von Photovoltaik Wechselrichter

Wechselrichter ist ein Oberbegriff für die grundlegende Funktionsweise. Es gibt aber, je nach Anwendungsart, unterschiedliche Typen. Diese werden nachfolgend erläutert.

String Wechselrichter

Bei einem Stringwechselrichter werden mehrere Solarmodule in Reihe zusammengeschaltet. Der Vorteil ist die Reduzierung von Missmatching-Verlusten. Diese treten auf, wenn einzelne Module unterschiedliche Gegebenheiten haben. Das kann eine unterschiedliche Dachneigung, eine andere Ausrichtung oder Schatten sein. 

Da aufgrund von steigenden Wirkungsgraden die PV-Anlagen immer größer werden, kommen heutzutage hauptsächlich Multistring-Wechselrichter zum Einsatz. 

Durch multiple MPP-Tracker können Wechselrichter auch ganz verschiedenen Teilflächen der Solaranlage verarbeiten, ohne dass dabei Verluste entstehen.

Zentralwechselrichter

Der Zentralwechselrichter wird bei gewerblichen oder industriellen Photovoltaikanlagen eingesetzt. Die Funktionsweise des Inverters unterscheidet sich etwas. Alle Strings werden parallel geschaltet und zu einem zentralen Wechselrichter geleitet. Wichtig ist, dass die PV-Module alle gleich ausgerichtet sind. 

Die Geräte vertragen extrem hohe Kurzschlussströme von tausenden Ampere. Der Aufbau von Zentralwechselrichtern ist aufgrund der Abmaße und vom hohen Gewicht sehr aufwendig. 

Praktisch werden die Wechselrichter hauptsächlich für Solarparks verwendet. Nach der Umwandlung des Gleichstroms erfolgt die Einspeisung direkt ins Mittelspannungsnetz mit bis zu 3000 kVA.

Inselwechselrichter

Bei einem Inselwechselrichter besteht kein Anschluss an das öffentliche Stromnetz. Diese Art von Wechselrichtern ist gut für abgelegene Objekte geeignet, daher stammt auch der Name Photovoltaik-Inselanlage. Bei diesem Inverter muss zwangsweise ein Stromspeicher verbaut sein. 

Der Inselwechselrichter läuft mit einer Gleichspannung, die der vom Speicher entspricht. Der Stromverbrauch muss immer im Gleichgewicht zum Verbrauch sein.

Da überschüssiger Strom nicht eingespeist werden kann, muss der Inselwechselrichter immer genau den Wechselstrom zur Verfügung stellen, der gerade benötigt wird.

Modulwechselrichter

Wie der Name schon vermuten lässt, bekommt jedes Solarmodule einen eigenen Modulwechselrichter. Statt einem, hat die Solaranlage dann mehrere Wechselrichter. 

Es gibt aber auch Nachteile von dieser Variante. Es entstehen Mehrkosten durch die aufwendige Installation und höheren Anschaffungskosten. Je mehr elektrische Teile mit der Photovoltaikanlage installiert sind, desto wahrscheinlicher kann ein Defekt auftreten, welcher repariert werden muss.

Batteriewechselrichter

Viele Betreiber einer Photovoltaik-Anlage nutzen die Möglichkeit der Speicherung von Solarstrom. Dafür wird ein Stromspeicher, in der Regel auf Basis von Lithium-Ion genutzt. Dieses Speichersystem benötigt auch einen Wechselrichter, weil gespeicherter Strom eine Gleichspannung benötigt.

Zur Umwandlung wird ein Batteriewechselrichter benötigt. Dieser ist dafür verantwortlich, Strom bei Bedarf aus dem Gerät zu holen, oder diesen bei einem Überschuss an Solarenergie in den Speicher zu schicken. Die meisten Batteriewechselrichter werden auf der Wechselstromseite (AC) angeschlossen.

Hybridwechselrichter

Beim Einsatz eines Stromspeichers kommen normalerweise zwei Wechselrichter zum Einsatz. In einem Hybridwechselrichter sind alle Funktionen in einem Gerät integriert. So werden Kosten und Platzbedarf verringert wird. Außerdem ist der reale Wirkungsgrad besser.

Ein einzelner Wechselrichter hat eine höhere Geschwindigkeit beim Umschalten von Stromflüssen, wie der Einspeisung ins Netz und in die Batterie, oder bei der Stromentnahme aus dem Speicher. Bei einer speziellen Form von Hybridwechselrichtern ist der Stromspeicher direkt mit integriert.

Was kostet ein Wechselrichter?

Der Preis für den Wechselrichter macht 10 bis 15 Prozent der Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage aus. Dementsprechend ist es sehr wichtig ein Gerät zu finden, dass:

Mehr Informationen zu den Kosten von Wechselrichtern gibt es hier.

Wo kann man Wechselrichter kaufen?

Es gibt zwei Anlaufstellen zum Kauf eines Wechselrichters. Der klassische Weg läuft über den Photovoltaik-Anbieter, welcher PV-Anlagen plant, verkauft und installiert.

Preise im Großhandel für Solarwechselrichter

Die Preisinzidenz für Wechselrichter kleiner als 5 kWp beträgt 22,5 Cent pro Watt. Zwischen 5 und 10 kWp verringern sich die Kosten auf ca. 16,5 Cent je Watt.

Größere Wechselrichter sind deutlich günstiger und haben einen durchschnittlichen Preis von 7,2 Cent/Watt. Für einen typischen 10 kW-Wechselrichter muss mit Kosten von etwa 1650 Euro ausgegangen werden.

Kosten im Einzelhandel für PV-Wechselrichter

Nach dem Vergleich von diversen Wechselrichtern im Einzelhandel sieht mein Ergebnis so aus: 

Die Preise liegen etwa 20 Prozent über dem Spotmarktpreis. Der Unterschied ist also kleiner, als zunächst angenommen. Im Vergleich dazu sind Solarmodule bei diesen Händlern fast 80 Prozent teurer, als im Großhandel.

Die richtige Dimensionierung für den Wechselrichter

Die Photovoltaikanlage liefert optimale Erträge, wenn der Wechselrichter bestmöglich auf den PV-Generator (Zusammenschluss aller Module) ausgerichtet ist. Es ist wichtig zu verstehen, dass im Teillastbereich, also wenn wenig Sonnenenergie zur Verfügung steht, der Wirkungsgrad niedrig ist.

Früher lohnte es sich, den Wechselrichter bewusst 20 Prozent kleiner zu wählen. 

Ein typischer Solargenerator-Überdimensionierungsfaktor von 1,25 führte zu einer besseren Ausbeute des Geräts. Problematisch dabei: Bei optimalen Voraussetzungen, mit viel Sonne und niedrigen Temperaturen, musste die Peak Leistung des PV-Generators begrenzt werden. 

Mittlerweile hat sich die Technik stark verbessert. Der Wechselrichter sollte einen Auslegungsfaktor von 1,0 bis 1,1 haben.

Es gibt aber auch Ausnahmen von der Regel. Bei einem Dach mit mehreren Teilflächen, z.B. bei einem Ost-West-Dach kann ein kleinerer Wechselrichter, mit 20 Prozent weniger Leistung, gewählt werden.

Jeder Inverter hat zudem bestimmte Grenzbereiche, die nicht über- oder unterschritten werden sollten. Die maximale erlaubte Spannung sollte niemals überschritten werden. Kommt es zu diesem Fall, wird eine Abschaltung oder ein Neustart erforderlich.

Damit der Wechselrichter überhaupt startet, muss eine MPP-Grundspannung vorhanden sein. Die Leerlaufspannung aller Module im String wird addiert (bei Reihenschaltung). Die Summe sollte über der unteren Grenze vom MPP-Tracker liegen. 

Das muss bei der Auslegung beachtet werden! Die Gleichstrom-Obergrenze vom String wird durch den Maximalstrom vom Wechselrichter begrenzt.

Wie lange hält ein Solar-Wechselrichter?

Ein Wechselrichter hat eine Lebensdauer von ca. 15 Jahren. Häufig kommt es zu Ausfällen nach 8 bis 12 Jahren. Eine gute Dimensionierung und Wartung der Photovoltaikanlage sorgt für eine höhere Lebensdauer von Wechselrichtern. Robuste Wechselrichtertypen halten bis zu 25 Jahre.

Garantie und Austausch bei einem Defekt

Die typische Garantiezeit eines Wechselrichters beträgt 10 Jahre. Es gibt aber auch Hersteller, die nur 5 Jahre anbieten. 

Es besteht immer die Möglichkeit eine Garantieverlängerung zu erwerben. Doch die Kosten sind oft zu hoch. Ein Austauschgerät ist grundsätzlich deutlich günstiger, als ein Neugerät. Es ist empfehlenswert von Beginn an Rücklagen für einen eventuellen Defekt zu bilden.

Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Wechselrichter

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters sollte so hoch wie möglich sein. Im Idealfall steht der gesamte Solarstrom nach der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom zur Verfügung. Doch jedes elektronische Bauteil hat nichtideale Eigenschaften, die z.B. zu Wärmeverlusten führen.

Wechselrichter mit und ohne Trafo

Moderne Wechselrichter funktionieren heute ohne Trafo. Wird ein Transformator eingesetzt, wird vom Inverter die galvanische Trennung vollzogen. Gleichstrom und Wechselstrom wird dabei getrennt behandelt. Das ist als Schutzvorrichtung gut, dafür entstehen starke Umwandlungsverluste.

Wechselrichter mit Trafo sind deutlich schwerer und benötigen eine starke Kühlung. Damit auch Trafolose-Wechselrichter ausreichend geschützt sind, gibt es eine ständige Fehlerstromüberwachung, welche auf Gleichstrom und Wechselstrom reagiert.

Die wichtigsten Wechselrichterhersteller

Die wichtigsten und größten Wechselrichterhersteller finden Sie in dieser Übersicht. 

Qualitative und langlebige Produkte bekommen sie von einem dieser Hersteller:

Wechselrichter-Test

Nachfolgend gibt es einen Vergleichstest mit den Daten von verschiedenen Wechselrichtern, damit Sie eine bessere Marktübersicht bekommen:

Welchen Wechselrichter auswählen? Tipps und Hinweise

Bei der Entscheidung für einen Wechselrichter ist die Auslegung der Photovoltaikanlage entscheidend. Solange das Modell zur Dimensionierung passt, ist alles okay. Jeder Wechselrichter macht im Endeffekt das Gleiche. 

Aber: Das Angebot ist zahlreich. Es ist empfehlenswert einen deutschen Hersteller zu wählen. Die Garantieabwicklung funktioniert im Fall der Fälle einfacher.

Die Planung wird vom Photovoltaik-Berater gemäß den Anforderungen ihrer Photovoltaikanlage gemacht. Die verwendeten Software-Werkzeuge berechnen automatisch alle passenden Wechselrichter zur Stromumwandlung.

Wo wird der Wechselrichter montiert?

Der Wechselrichter kann an verschiedenen Orten montiert werden. Am häufigsten ist die Installation im Hausanschlussraum oder Keller, so nah wie möglich am Zählerschrank. 

Das AC-Kabel, das zum PV-Zähler führt, ist aufgrund des Kabeldurchschnitts sehr starr und schwierig zu installieren. Dennoch besteht prinzipiell die Möglichkeit einen anderen Installationsort zu nutzen. Die meisten Geräte sind auch für den Außeneinsatz zugelassen.

Welche Maße hat ein Wechselrichter?

Beachtet werden sollte, dass an allen Seiten zur Kühlung immer ein Abstand von mindestens 30 cm benötigt wird.

Wie laut sind Wechselrichter?

Ein normaler Wechselrichter hat eine Lautstärke von 25  bis 60 Dezibel. Im Teillastbereich sind die Inverter leiser, oft ist der Lüfter noch nicht eingeschaltet. Bei voller Sonne erhöht sich die Lautstärke deutlich. Trafolose Wechselrichter sind im Allgemeinen leiser, als bei Verwendung eines Transformators.