Wie funktioniert ein Solar-Wechselrichter?

Wie funktioniert ein Solarwechselrichter, der Wechselstrom liefert, nachdem er den Gleichstrom einer Solaranlage aufgenommen hat? Im Folgenden finden Sie die Antwort und mehr.

Die Funktionsweise eines Solarwechselrichters in einem Diagramm dargestellt
Die Funktionsweise eines Solarwechselrichters in einem Diagramm dargestellt
Ressource: https://youtu.be/x-05gKrdg3U

Auf der Suche nach Informationen über Solarwechselrichter stellen Sie sich wahrscheinlich folgende Fragen: Wie funktioniert ein Solarwechselrichter? Funktionieren verschiedene Wechselrichter unterschiedlich? Und so weiter. Dieser Artikel soll all diese und andere Fragen zu Solarwechselrichtern beantworten - und zwar so, dass Sie sie leicht verstehen und nachvollziehen können.

Wie funktioniert ein Solar-Wechselrichter?

Ein Solar-Wechselrichtersystem besteht hauptsächlich aus einem Wechselrichter, Solarmodulen und (meistens) Akkumulatoren zusammen mit dem Laderegler. Der Wechselrichter wandelt die Gleichstromleistung in nützliche AC-Leistung. Andererseits regelt der Laderegler das Laden der Batterie.

Die Funktionsweise eines Solarwechselrichters ist recht einfach: Wenn die Solarmodule überschüssigen Strom liefern, wird die überschüssige Energie in Batterien gespeichert. Wenn die Leistung nicht ausreicht, wird die Energie aus den Batterien entnommen. Auf diese Weise sorgt der Wechselrichter für eine gleichmäßige Stromversorgung, auch wenn die Solarmodule keinen Strom erzeugen.

Verschiedene Arten von Solarwechselrichtern können jedoch unterschiedlich funktionieren - und für verschiedene Zwecke geeignet sein. Einige sind direkt an das Stromnetz angeschlossen und können mit oder ohne Batteriespeicher betrieben werden. Netzgekoppelte Solarwechselrichter können überschüssigen Strom an das Energieversorgungsunternehmen verkaufen, während netzunabhängige Wechselrichter nur Strom nutzen können, der in Batterien gespeichert ist. Lesen Sie weiter unten.

Die Funktionsweise eines Solarwechselrichters hängt von den verwendeten Komponenten und Schaltkreisen ab
Die Funktionsweise eines Solarwechselrichters hängt von den verwendeten Komponenten und Schaltkreisen ab
Ressource: https://www.mdpi.com

Arbeitsprinzip des Solarwechselrichters

Sehen wir uns nun an, wie PV-Wechselrichter einen Wechselstromausgang erzeugen, oder, anders gesagt, das Funktionsprinzip von Solarwechselrichtern. Von außen betrachtet mag ein PV-Wechselrichter wie ein einfacher Kasten aussehen. Im Inneren befinden sich jedoch mehrere elektronische Schaltungen, die zusammenarbeiten, um die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom zu ermöglichen.

Komponenten von Solarwechselrichtern

Verschiedene Arten von PV-Wechselrichtern können unterschiedliche Komponenten für die DC-AC-Umwandlung verwenden. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Komponenten von Solarwechselrichtern aufgeführt, die zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom beitragen:

  • Dioden
  • Transformatoren (in transformatorgestützten Wechselrichtern)
  • Kondensatoren und Induktivitäten
  • MOSFETs oder IGBTs
  • Software zur Überwachung

Der Solarwechselrichter arbeitet

Bei der Funktionsweise von Solarwechselrichtern, die auf den genannten Komponenten basieren, wird der Gleichstrom innerhalb eines Stromkreises schnell in Wechselstrom umgewandelt. Um dies zu erreichen, werden Hochfrequenz-Schaltgeräte verwendet. Diese sind in der Regel entweder MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (bipolare Transistoren mit isoliertem Gate).

Kondensatoren und Induktivitäten hingegen speichern Energie in Form von elektrischer Ladung und elektrischem Feld, die dann bei Bedarf freigesetzt wird, um die aus dem Schaltvorgang resultierende Leistung zu glätten. Dioden, die in der Solarwechselrichtertechnik eingesetzt werden, stellen hauptsächlich einen Pfad für induktive Lastströme zur Verfügung, während Transformatoren die Spannung auf das erforderliche Niveau ändern.

Schließlich dient die Überwachungssoftware, die heute in praktisch jedem Wechselrichter zu finden ist, der Überwachung des Wechselrichterbetriebs und der Erkennung von Fehlern, bevor (oder wenn) sie auftreten. Wie bereits erwähnt, können verschiedene Wechselrichter unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Wechselstrom verwenden.

Funktionsweise von Solar-Wechselrichtern nach Typ

Die Funktionsweise von Solarwechselrichtern hängt hauptsächlich davon ab, ob sie transformatorbasiert oder transformatorlos sind, ob es sich um reine Sinuswellen oder modifizierte Sinuswellen handelt und ob es sich um einen einphasigen oder dreiphasigen Solarwechselrichter handelt. Um diese Unterschiede zu verstehen, werfen wir einen Blick auf jede Art von Solarwechselrichter, wie er funktioniert und mehr.

Komponenten für transformatorlose Solarwechselrichter
Komponenten für transformatorlose Solarwechselrichter
Ressource: https://www.mdpi.com

Solar-Wechselrichter Transformator vs. transformatorlos

Einfach ausgedrückt, verwendet ein transformatorbasierter Solarwechselrichter einen Trenntransformator, um die Spannung nach Bedarf umzuwandeln. Ein transformatorloser Wechselrichter verwendet keinen und verlässt sich auf elektronische Komponenten. Wie zu erwarten, kann dies für jeden Typ einige Vor- und Nachteile mit sich bringen: Mehr zu diesen Wechselrichtern weiter unten.

Transformatorgestützter Solar-Wechselrichter

Dies ist der traditionelle oder Standard-Solarwechselrichter. Er verwendet einen normalen Transformator für die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom sowie mehrere elektronische Komponenten wie Kondensatoren und Transistoren. Einer seiner Hauptvorteile ist die galvanische Trennung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskreis, was zu einer höheren elektrischen Sicherheit führt.

Aber ein Solarwechselrichter mit Transformator ist teurer als ein Wechselrichter ohne Transformator. Das liegt daran, dass der Transformator selbst ein teures Bauteil ist. Darüber hinaus erhöht der Transformator das Gewicht und die Masse des Wechselrichters, wodurch er größer und weniger bequem zu installieren ist.

Ein weiterer Nachteil ist, dass der Transformator Leistungsverluste verursachen kann. Diese Verluste liegen in der Regel bei 2-3%, können aber auch bis zu 5% betragen. Das bedeutet, dass der Wechselrichter einen geringeren Wirkungsgrad hat als ein transformatorloser Wechselrichter und außerdem während des Betriebs ein charakteristisches Brummen erzeugt.

Transformatorloser Wechselrichter

Transformatorlose Solarwechselrichter sind ein neuerer Typ des Geräts. Anstelle von physischen Transformatoren verwenden diese Halbleitergeräte um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und die Spannung auf das gewünschte Niveau zu bringen. Das hat mehrere Vorteile gegenüber Wechselrichtern auf Transformatorbasis.

Erstens sind transformatorlose Wechselrichter effizienter, da sie beim Umwandlungsprozess keine Energie verlieren. Zweitens sind transformatorlose Wechselrichter kleiner und leichter als transformatorbasierte Wechselrichter, was ihre Installation erleichtert. Außerdem sind sie kostengünstiger, da sie keinen Transformator verwenden.

Die meisten TL-Wechselrichter sind heute auch mit MPPT ausgestattet, was sie in Bezug auf die Leistungsabgabe sehr effektiv macht. Transformatorlosen Solarwechselrichtern fehlt jedoch die Sicherheit der Isolierung, die Transformatoren bieten, was ein Problem darstellen kann. Moderne Modelle sind jedoch mit Technologien ausgestattet, die dieses Problem lösen.

Teil eines reinen Sinuswellen-Solarwechselrichterkreises
Teil eines reinen Sinuswellen-Solarwechselrichterkreises
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=LVstIU2l5E4

Reiner Sinus-Wechselrichter vs. modifizierte

Die Wellenform des Ausgangs eines PV-Solarwechselrichters bestimmt auch, wie er funktioniert. Die beiden häufigsten Wellenformen sind die reine Sinuswelle und die modifizierte Sinuswelle. Obwohl selten, können Sie auch auf Rechteckwellen-Wechselrichter stoßen. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die 3 Arten von Wechselrichtern und ihre Funktionsweise.

Reiner Sinus-Wechselrichter

Der Ausgang eines reinen Sinus-Wechselrichters ist ein perfekte Sinuskurve. Dies ist die gleiche Art von Wellenform, die von Versorgungsunternehmen erzeugt wird (manchmal sogar besser). Reine Sinus-Wechselrichter sind teurer als andere Arten von Wechselrichtern (und komplexer), aber sie sind auch effizienter und haben eine bessere Stromqualität.

Ein reiner Sinus-Wechselrichter für Solaranlagen ist die beste Wahl für ein Notstromsystem: Er liefert sauberen, zuverlässigen Strom für all Ihre empfindliche Elektronik. Sie eignen sich am besten für die Stromversorgung empfindlicher Geräte oder motorisierter Anlagen wie Pumpen und Ventilatoren.

Modifizierter Sinus-Wechselrichter

Der Ausgang eines modifizierten Sinus-Wechselrichters hat die Form einer Treppe. Diese Art von Wellenform ist preiswerter als ein reiner Sinuswechselrichter, aber sie ist auch weniger effizient und hat eine geringere Stromqualität. Modifizierte Sinus-Wechselrichter werden daher in der Regel für Anwendungen verwendet, bei denen die Stromqualität nicht so wichtig ist.

Der Hauptvorteil von modifizierten Sinuswechselrichtern besteht darin, dass sie in der Regel preiswerter sind als reine Sinuswechselrichter. Ihre modifizierte Wellenform kann jedoch dazu führen, dass einige elektronische Geräte weniger effizient arbeiten oder mehr Wärme erzeugen. Im Allgemeinen sind sie für Anwendungen mit geringer Leistung geeignet.

Rechteckwellen-Solarwechselrichter

Die Ausgangsspannung des Solarwechselrichters wechselt in diesem Fall abrupt von einem positiven zu einem negativen Spitzenwert, was eine rechteckige Wellenform erzeugt. Diese Art von Wellenform ist am einfachsten und am billigsten zu erzeugen. Aber genau wie die modifizierten Sinuswellen können diese Wechselrichter dazu führen, dass viele elektrische Geräte überhitzen oder weniger effizient arbeiten.

Das Innere einer dreiphasigen Solarwechselrichter-Leiterplatte
Das Innere einer dreiphasigen Solarwechselrichter-Leiterplatte
Ressource: https://www.eeworldonline.com

Einphasiger vs. dreiphasiger Solar-Wechselrichter

Ein Solarwechselrichter ist ebenfalls entweder ein einphasiges oder ein dreiphasiges Gerät. Der einphasige Solarwechselrichter hat nur eine Eingangsspannung, während ein dreiphasiger Solarwechselrichter drei hat. Einphasige Wechselrichter werden am häufigsten in Solarsystemen für Privathaushalte verwendet, da sie weniger teuer sind und für die Stromversorgung eines Hauses mehr als ausreichen. Dreiphasige Solarwechselrichter werden in der Regel in kommerziellen Solarsystemen oder sehr großen Wohnanlagen eingesetzt.

Einphasiger Solar-Wechselrichter

Ein einphasiger Solarwechselrichter ist der einfachste und gängigste Typ. Er erzeugt eine einphasige Leistung aus dem Strom der Solaranlage und eignet sich daher gut für kleine Lasten, z. B. in einem Haus oder einem kleinen Büro. Der Nachteil eines einphasigen Solarwechselrichters ist, dass er nur bestimmte Arten von Geräten versorgen kann.

Dreiphasiger Solarwechselrichter

Ein dreiphasiger Solarwechselrichter ist komplexer als ein einphasiger Solarwechselrichter und erzeugt drei verschiedene Ausgangsströme aus dem Gleichstromeingang. Sie erzeugen mehr Strom und eignen sich am besten für größere Lasten, z. B. in einem industriellen Umfeld. Wie zu erwarten, ist ein dreiphasiger Solarwechselrichter in der Regel teurer und komplexer in der Konstruktion und Ausführung.

Schlussfolgerung

Für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch Solarwechselrichter sind verschiedene Formen und Komponenten erforderlich. Im Allgemeinen werden in der heutigen Solarwechselrichtertechnologie Halbleiterbauelemente verwendet. Die verschiedenen Funktionsprinzipien von Wechselrichtern haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Diese werden in diesem Beitrag dargelegt. Nutzen Sie die Informationen, um den am besten geeigneten Wechselrichtertyp für Ihr Solarsystem zu finden.

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