PV-Wechselrichter im Überblick - Entscheidend für den energetischen Ertrag und Wirtschaftlichkeit
Die Hauptaufgabe eines PV-Wechselrichters besteht in der Umwandlung des vom Solargenerator abgegebenen Gleichstroms in netzkonformen Wechselstrom mit einem möglichst hohen Umwandlungswirkungsgrad. Gleichzeitig ist der Wechselrichter verantwortlich für den optimalen Betrieb des Solargenerators am Punkt der maximalen Leistungsabgabe (MPP-Tracking) und die Netz- und Anlagenüberwachung. Der Wechselrichter ist daher maßgeblich für den energetischen Ertrag und damit auch die Wirtschaftlichkeit einer netzgekoppelten PV-Anlage verantwortlich.
Mit der „Powerstocc Excellent“-Wechselrichter-Serie bietet Centrosolar eine sehr gute Kombina-tion aus Leistung und Komfort in Wechselrichtergrößen von 1 kW bis 6 kW.
Der geräuscharme „PVmaster“ von LTi REEnergy wird vollständig parametriert geliefert. Ein integrierter Datenlogger protokolliert die Tagesverlaufskurven aller elektrischen Ein- und Ausgangsgrößen und der Temperatur von mindestens 30 Tagen. Diese Logbuchdateien können via Internet zugesandt werden.
Der „Powador XP350-HV TL“ von KACO new energy ist ein modularer Großwechselrichter mit 350?kW Nennleistung zur dreiphasigen Netzein-speisung. In einer Dreier-Konfiguration ist er als Megawattstation lieferbar. Sein maximaler Wirkungsgrad beträgt 98,2%. Der hohe Wirkungsgrad ist Folge einer neuartigen Ansteuerung der Leistungselektronik: Je nach anliegender Leistung kommt die jeweils beste von mehreren Methoden der Pulsweitenmodulation zum Einsatz.
Hohe Erträge mit einem Spitzenwirkungsgrad von 98%, gute Verschaltungsmöglichkeiten bis 1000 V DC-Spannung pro Strang und vielfältige Einsatzmöglichkeiten zeichnen die Strangwechselrichter der Voltwerk „VS“-Serien aus.
Der „SolarMax 330C –SV“-Wechselrichter eignet sich insbesondere für große PV-Installationen, die direkt an das Mittelspannungsnetz angeschlossen werden. Abhängig von der Größe der Anlage bietet der Hersteller eine passende Transformatorstation an, die einen oder mehrere „SolarMax 330C-SV“-Wechselrichter mit dem Mittelspannungsnetz verbindet.
Durch seine Multi-String-Technologie und größtem Eingangsspannungsbereich eignet sich der dreiphasige „Sunny Tripower“-Wechselrichter von SMA für alle denkbaren Modulkonfigurationen. Und ist dabei hoch flexibel bei der Anlagenauslegung – von 10 kW bis in den Megawattbereich. Der „Sunny Tripower“ erfüllt schon heute die Anforderungen der BDEW-Richtlinie (Mittelspannungsrichtlinie) und beteiligt sich somit zuverlässig am Netzmanagement. Ein umfassendes Sicherheitskonzept, u.a. mit String-Ausfallerkennung, elektronischer String-Sicherung und integrierbarer Blitzschutzfunktion, sorgt für hohe Verfügbarkeit und senkt die Anlagenkosten.
Wechselrichter gibt es in verschiedenen Größen, jeweils angepasst an die Leistung einer PV-Anlage. Bei der Installation der PV-Wechselrichter spielt der Faktor Zeit eine entscheidende Rolle. Insbesondere bei großen Anlagen stellt die rationelle Montage und Verdrahtung einen wichtigen Wettbewerbsvorteil dar.
Die wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung von PV-Wechselrichtern lassen sich im Wesentlichen in drei Kategorien zusammenfassen.
Technische Herausforderungen
Zu den technischen Herausforderungen gehören in erster Linie:
- optimaler Wirkungsgrad,
- Einhaltung realer Einsatzbedingungen (Umgebungstemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Schutzgrad/Interelement Protection, Schutzklasse),
- geringe Eigenverluste,
- hohe Verfügbarkeit,
- Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit,
- geräuscharmer bzw. -loser Betrieb,
- technisch und personenspezifisch sicher nach VDE 100,
- parameterstabil,
- kommunikationsfähig,
- parallel schaltbar.
Marktwirtschaftliche Herausforderungen
Auch unter marktwirtschaftlichen Gesichtpunkten sind verschiedene Herausforderungen zu meistern. Hierunter fallen u.a.:
- leichte Bedienbarkeit,
- schnelle und einfache Montage,
- guter Kundendienst, servicefreundlich,
- weiter Einspannungsbereich,
- garantierte Qualitätssicherung,
- akzeptables Preis-/Leistungsverhältnis,
- angepasste Garantie für langlebige
- Systeme,
- ansprechendes Design,
- hohe Verfügbarkeit,
- geringer Platzbedarf.
Wirtschaftliche Herausforderungen
Zu den wirtschaftlichen Kriterien bei PV-Wechselrichtern gehören u.a.:
- gleichbleibend gute Qualität der Bauelemente,
- wirtschaftliche Herstellung (preiswer-
- te Baugruppe, Bauelemente und Material),
- wenige und keine Spezialbauelemente,
- wenige oder keine Kalibrier- und Einstellarbeiten,
- Konzept mit Standardtechnologien umsetzbar,
- machbare Qualitätssicherung,
- hohe Verfügbarkeit,
- planbarer Absatz.
Intensive Forschung
Sowohl die Anzahl der Hersteller als auch die realisierten Leistungsklassen und technischen Gerätekonzepte haben sich erhöht. Die aktuellen Modelle erreichen Wirkungsgrade von 96 bis 98%. Intensiv wird aber bei Herstellern und Forschungsinstituten auch weiter an einer kontinuierlichen Steigerung der Wechselrichterfunktionalität gearbeitet.
Das Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme ISE hat erst kürzlich mit 99,03% einen neuen Weltrekord für den Wirkungsgrad von PV-Wechselrichtern aufgestellt. Mit neuen Bauelementen und Verbesserungen in der Schaltungstechnik haben die Forscher damit die Verluste gegenüber ihrer eigenen Bestleistung um ein weiteres Drittel reduziert.
„Wir verwenden jetzt Sperrschicht-Transistoren (JFETs) aus Siliciumcarbid (SiC) von der Firma SemiSouth“, erläutert Prof. Dr. Bruno Burger, Leiter der Gruppe Leistungselektronik am Fraunhofer ISE, den Hauptgrund für die Verbesserung. „Außerdem haben wir die Ansteuerung der Transistoren und viele andere Schaltungsdetails optimiert.“
Der Weltrekord wurde an einem kompletten PV-Wechselrichter gemessen, inklusive des Netzteils zur Eigenversorgung, einem digitalen Signalprozessor (DSP) zur Regelung, einem LCL Netzfilter und einem Relais zur Netzkopplung. Bei der Übertragung der Ergebnisse auf die Serienfertigung ergeben sich weitere Vorteile: Höhere Effizienz bedeutet auch weniger Verlustwärme, kleinere Kühlkörper und kompaktere Bauweise.
Diese Einsparungen helfen auch den höheren Preis der neuen Bauelemente zu kompensieren. Bruno Burger dazu: „Ich sehe ein sehr großes Potenzial für die neuen Transistoren aus SiC. Sie werden ständig besser und billiger, während die Kosten für passive Bauelemente, die insbesondere Kupfer und andere Metalle enthalten, stetig steigen.“ Die nächsten Schritte für die Anwendung in Serienprodukten sind weitere Tests der Bauelemente und die Anpassung der Schaltungen und Taktfrequenzen an die neuen Anforderungen. Feldtests sollen schließlich die Praxistauglichkeit unter Beweis stellen.
Transistoren aus SiC sind insbesondere bei höheren Sperrspannungen den heute üblichen IGBTs aus Silicium (Si) deutlich überlegen. Ausschlaggebend dafür ist die fast zehnfache Durchbruchfeldstärke und der etwa dreifache Bandabstand von SiC gegenüber Si.
Kostenreduzierung
Neben der kontinuierlichen Steigerung liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Solarwechselrichtern auf der Verringerung der leistungsspezifischen Kosten. So haben sich auch die Kosten pro Watt installierter Leistung reduziert.
Die weitere Reduzierung der Stromerzeugungskosten wird laut Einschätzung der meisten Experten eine der entscheidenden Rollen für eine positive Entwicklung der PV sein. Ein wichtiger Schritt ist dabei das Erreichen der „grid parity“ (PV-Stromkosten sind dann gegenüber konventionellem Strom ab Steckdose konkurrenzfähig) in weniger als 10 Jahren. Voraussetzung hierfür ist eine Halbierung der Anlagenkosten und damit auch der PV-Wechselrichterkosten.
So konnten beispielsweise bei einigen Herstellern durch ein ergonomisches Druckgussgehäuse die Wechselrichter um 20% leichter gemacht werden, auch das Volumen wurde reduziert. Zusammen mit weiteren Modifikationen wie ergonomische Griffmulden ermöglicht dies die leichtere Montage an schwer zugänglichen Stellen. Zudem werden auch die Transport- und Lagerkosten gesenkt. Der Hersteller konnte durch diese Produkteigenschaften und durch optimierte Fertigungs- und Logistikprozesse eine Preisreduzierung pro Gerät von ca. 10% umsetzen.
