Dimensionierung und Auslegung eines Wechselrichters

Wechselrichter wandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Erst danach ist der Solarstrom im Haushalt nutzbar. Doch wie wählt man den passenden Wechselrichter aus? In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die Wechselrichter-Leistung berechnen.

Welche Größe sollte ein Wechselrichter haben? 

Die Leistung des Wechselrichters muss zur tatsächlichen Leistung der Solarmodule passen. Als Faustregel gilt: Pro kWp installierter Leistung wird ein Wechselrichter mit einer Nennleistung von etwa 1 kVA (Kilovoltampere) benötigt. In der Praxis ist dieses Verhältnis jedoch selten exakt 1:1. 

Sie können die Wechselrichterleistung (in kVA) und Modulleistung (in kWp) in der Praxis gleichsetzen, weil beide Werte die maximale Wirkleistung in typischen Wohnhausanlagen nahezu identisch abbilden. Einphasige und dreiphasige Wechselrichter arbeiten in Haushalten mit einem Leistungsfaktor (cos φ) von etwa 0,95 bis 1,0. Das bedeutet, dass die Scheinleistung in kVA fast der real nutzbaren Wirkleistung in kW entspricht.

Was passiert bei einem überdimensionierten Wechselrichter?

Ein überdimensionierter Wechselrichter arbeitet einen Großteil des Jahres im Teillastbereich und läuft dadurch etwas weniger effizient als möglich. Moderne Geräte erzielen zwar auch bei Teillast hohe Wirkungsgrade, trotzdem lohnt sich eine deutliche Überdimensionierung selten. Sie zahlen mehr für die Anschaffung, gewinnen aber kaum zusätzlichen Ertrag, weil Solarmodule ihre Nennleistung nur selten vollständig erreichen.

Was passiert bei einem unterdimensionierten Wechselrichter? 

Ein unterdimensionierter Wechselrichter begrenzt die maximale Leistung Ihrer PV-Anlage, weil er Leistungsspitzen nicht vollständig verarbeiten kann. Dieser Effekt tritt jedoch nur an wenigen, sehr sonnigen Stunden im Jahr auf. Der Ertragsverlust ist daher überschaubar und fällt wirtschaftlich kaum ins Gewicht.

Eine leichte Unterdimensionierung ist heute Standard, denn Solarmodule erreichen nur selten ihre STC-Nennleistung. Zudem arbeiten moderne Wechselrichter auch nahe ihrer Maximalleistung sehr effizient. Sie sparen Anschaffungskosten und nutzen das Gerät im täglichen Betrieb optimal aus.

Wie berechne ich die richtige Dimensionierung und Auslegung?

Im Folgenden zeigen wir Ihnen, wie Sie einen Wechselrichter auslegen und dimensionieren. 

Schritt 1: Leistungsdimensionierung

Ihre Photovoltaikanlage hat eine Nennleistung in Kilowattpeak, die unter STC-Bedingungen (Standard Test Conditions) ermittelt wird. Diese Laborbedingungen treten im realen Betrieb jedoch kaum auf. Daher müssen Sie folgende Werte für die Berechnung berücksichtigen:

• Momentanwert: Die Leistung, die die PV-Anlage im aktuellen Augenblick erzeugt. Dieser Wert ist für die Auslegung irrelevant, weil er stark schwankt.
• Minutenmittelwert: Durchschnitt über eine Minute. Dieser Wert eignet sich gut zur Dimensionierung, weil Wechselrichter kurze Leistungsspitzen ohnehin glätten.
• Stundenmittelwert: Durchschnitt über eine Stunde. Dieser Wert ist zu grob, weil echte Leistungsspitzen nicht abgebildet werden.

Für die Wechselrichter-Dimensionierung orientieren Sie sich daher am Minutenmittelwert. Er bildet reale Spitzen ab und wird nicht von Sekunden-Peaks verzerrt.

Mit der SRAC-Formel (System Rating Adjusted for Conditions) können Sie die reale Spitzenleistung der PV-Module abschätzen:

SRAC = Nennleistung der Solarmodule unter Standard-Testbedingungen × Temperaturfaktor × Ausrichtung bzw. Neigung × Verschmutzung × Alterung

Typische Werte sind:

• Temperaturfaktor: 0,85–0,92
• Ausrichtung/Neigung: 0,95–1,00
• Verschmutzung: 0,97–0,99
• Alterung: 0,98–1,00

Für eine Beispielrechnung nehmen wir eine PV-Anlage mit 10 kWp Nennleistung mit Ausrichtung nach Südost und eine Neigung von 30° an. Unter diesen Bedingungen sind folgende Werte realistisch:

• Temperaturfaktor = 0,90
• Ausrichtung/Neigung= 0,98
• Verschmutzung = 0,98
• Alterung = 0,99

Somit würde die Spitzenleistung der PV-Module ca. 8,5 kW betragen:

SRAC = 10 kWp × 0,90 × 0,98 × 0,98 × 0,99 ≈ 8,5 kW

Das bedeutet: Die PV-Anlage in unserem Beispiel liefert unter optimalem realen Betrieb etwa 8,5 Kilowatt als realistische Spitzenleistung im Minutenmittelwert. Somit wäre ein Wechselrichter mit 8 oder 9 Kilovoltampere empfehlenswert.

Schritt 2: Spannungsdimensionierung

Die Spannung des Wechselrichters dimensionieren Sie, indem Sie sicherstellen, dass die Strings (in Reihe geschaltete Solarmodule) Ihrer PV-Module sowohl bei tiefsten winterlichen Temperaturen als auch bei sommerlicher Betriebstemperatur unter Last immer im zulässigen Spannungsbereich des Wechselrichters liegen. Ein pauschaler Spannungspuffer von +100 Volt oder −100 Volt ist dafür nicht ausreichend, weil reale Spannungswerte stark von Temperatur und Modultyp abhängen.

Für die Berechnung benötigen Sie nur wenige Werte aus dem Modul-Datenblatt:

• Leerlaufspannung (Voc): größter Spannungswert eines Moduls
• MPP-Spannung (Vmp): typische Spannung im Betrieb
• Temperaturkoeffizient: gibt an, wie stark Voc und Vmp sich pro Grad Temperatur ändern

Beachten Sie, dass Module bei Kälte eine höhere Spannung erzeugen. Sie berechnen diese Spannung, indem Sie die Leerlaufspannung um den Temperaturanstieg bei Frost erhöhen. 

Zum Beispiel: Beträgt der Voc = 50 V und erhöht sich die Spannung durch die Kälte um ca. 10%, müssen Sie mit einem Voc = 55 V pro Modul rechnen. Lässt Ihr Wechselrichter maximal 1000 V zu, dann können Sie maximal 18 Module pro String schalten.

• Obergrenze bei Kälte: 1000 V / 55 V = 18 Module pro String

Bei Hitze wiederum sinkt die Spannung vergleichsweise zum Normalbetrieb. Hier ist die MPP-Spannung im realen Betrieb entscheidend.

Zum Beispiel: Beträgt der Vmp = 41 V und sinkt die Spannung durch die Hitze um ca. 15%, müssen Sie mit einem Vmp = 35 V pro Modul rechnen. Bei 18 Modulen bedeutet das eine Untergrenze von 630 V. Der Wert muss im MPP-Bereich des Wechselrichters liegen (z. B. 150–850 V). Unser Beispiel zeigt, dass sich die Spannung von 18 Modulen pro String sowohl bei Kälte als auch bei Hitze sicher innerhalb der Vorgaben des Wechselrichters bewegt.

Eine pauschale Volt-Angabe ist zu grob, weil Module je nach Temperatur, Modultyp und Dachbedingungen sehr unterschiedliche Spannungswerte erreichen. Nur die Berechnung mit Voc im Winter und Vmp im Sommer liefert eine verlässliche Dimensionierung.

Schritt 3: Temperaturkoeffizient beachten

Die Temperatur beeinflusst die Spannung der Solarmodule direkt. Bei steigenden Temperaturen sinkt die Spannung. Der Temperaturkoeffizient hilft Ihnen beim Festlegen des passenden Spannungsbereichs für Ihre Anlage. So passen Sie den Wechselrichter optimal an die klimatischen Bedingungen Ihres Standortes an. Den Temperaturkoeffizienten finden Sie auf den Datenblättern vom Hersteller.

Beispiel: Wenn der Temperaturkoeffizient Ihrer Module bei −0,3% pro °C liegt, bedeutet das, dass die Spannung pro Grad über 25 °C um 0,3% sinkt. Erreicht die Temperatur an einem heißen Tag 50 °C, verringert sich die Spannung der Module um 7,5%. 

Wenn Sie in einer sonnenreichen Region wohnen, können Sie die Nennleistung des Wechselrichters entsprechend reduzieren. Es ist vorhersehbar, dass die PV-Anlage aufgrund hoher Zelltemperaturen nie die gesamte Nennleistung erreicht.

Schritt 4: Wirkungsgrad vom Wechselrichter beachten

Ein weiterer entscheidender Faktor ist der Wirkungsgrad des Wechselrichters. Dieser gibt an, wie viel der erzeugten Energie der Wechselrichter tatsächlich in nutzbaren Wechselstrom umwandelt. 

Beispielsweise erzeugt ein Wechselrichter bei einem Wirkungsgrad von 96% aus 1000 Watt Gleichstrom nur 960 Watt Wechselstrom. Diesen Verlust sollten Sie bei der Dimensionierung berücksichtigen. 

Auslegungstools der Hersteller nutzen

Mehrere Hersteller und Softwareanbieter stellen kostenlose oder professionelle Online-Tools bereit, die eine Berechnung online ermöglichen. Sie können die Auslegung Ihrer PV-Anlage und des Wechselrichters komfortabel prüfen.

Die wichtigsten und aktuellsten Tools sind:

• Sunny Design: Tool zur kompletten Anlagenplanung. Sie prüfen Strings, Ertrag, Verschattung und den passenden Wechselrichter für unterschiedliche Szenarien.
• SolarEdge Designer: Auslegungstool speziell für optimierte SolarEdge-Systeme. Ideal, wenn Sie Moduloptimierer oder Leistungsoptimierung an komplexen Dächern benötigen.
• KACO String Sizing Tool: Einfaches Online-Werkzeug zur Ermittlung der maximalen und minimalen Modulanzahl pro String. Es zeigt schnell, ob ein String die Spannungsgrenzen des Wechselrichters einhält.
• FIMER String Sizing Tool: Eignet sich zur schnellen Überprüfung der zulässigen Stringlängen und zur Berechnung von Spannungen bei Mindest- und Höchsttemperaturen.
• HUAWEI FusionSolar Design Tool: Cloud-basiertes Planungstool zur Auslegung von HUAWEI Hybrid-, String- und Speichersystemen. Unterstützt komplexe Dachkonfigurationen und Batterieplanung.
• GoodWe PV Designer: Webbasiertes Planungstool, das Wechselrichter, Batterie und Strings in einem Schritt berechnet. Unterstützt auch Szenarien für Eigenverbrauch und Notstrom.
• Growatt Solar Design: Schnelles Auslegungstool für private Anlagen. Berechnet automatisch Stringlängen und prüft die kompatiblen Wechselrichtermodelle.
• PV*SOL online: Simulationsbasiertes Auslegungstool für Module und Wechselrichter. Hilfreich, wenn Sie reale Ertragsprognosen und Eigenverbrauchsberechnungen erstellen möchten.

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