Dimensionierung und Auslegung der Wechselrichter für eine PV-Anlage (2023)

Dasselbe gilt für Verschattungssituationen. Lässt es sich nicht vermeiden, dass Module im Tagesverlauf verschattet werden, so sollten auch diese Module möglichstzu einem Strang zusammengefasstwerden, während die dauerhaft unbeschatteten Module ebenfalls einen eigenen Strang bilden. Module sind zwar mit Bypass-Dioden ausgestattet, die den Strom an einem verschatteten Modul bzw. Teilen davon vorbeileiten, das funktioniert aber nicht in jedem Fall. Ist ein Modul nur teilbeschattet, wirken die Dioden evtl. noch nicht. Das hat zur Folge, dass dieses verschattete Modul den gesamten Strang leistungsmäßig nach unten zieht.

Schieflast und Blindleistung

Warum benötigt man mehrere Solar Wechselrichter, wenn die PV-Leistung mehr als 4,6 kWp beträgt? Weil die Leistungsdifferenz zwischen den einzelnen Phasen nicht größer sein darf als 4,6 kVA. Dann spricht man von Schieflast. Deshalb ist es nicht zulässig, nur einen Wechselrichter, der eine größere Nennleistung als diese 4,6 kVA an einer einzelnen Phase anzuschließen. Seit 2012 darf der Wechselrichter maximal 100% seiner Wechselrichternennleistung in das öffentliche Netz einspeisen, davor waren es 110%.

Ebenfalls seit 2012 müssen Wechselrichter zur Netzstabilität beitragen und deshalb Blindleistung einspeisen. Für Anlagengrößen bis 13,8 kWp müssen 5% Blindleistung eingespeist werden, darüber sind es 5% oder 10%. Um diesen Prozentanteil müssen der oder die Wechselrichter größer dimensioniert werden.

70% Einspeiseleistung vs. Einspeisemanagement

Um es nicht zu einfach zu machen kommt noch eine weitere Neuregelung seit April 2012 hinzu. Bei Anlagen bis 30 kWp muss man sich zwischen der Abregelung der Einspeiseleistung auf 70% der Generatorleistung oder der Teilnahme am Einspeisemenagement entscheiden. Um was es dabei geht, habe ich in diesem Beitrag genauer erläutert:Vergleich zwischen 70-Prozent-Regelung und Einspeisemanagement

Für die Wechselrichterauslegung ist das ein ganz entscheidender Punkt. Wenn man sich für die 70%-Regelung ohne Verrechnung des Eigenverbrauchs bis zum Verknüpfungspunkt entscheidet, benötigt man einen kleineren Wechselrichter und spart dadurch Kosten. Man verzichtet aber auch in den meisten Fällen auf einen Teil an eingespeisten Solarstrom.

Verhältnis der Wechselrichter-Leistung zur Generator-Leistung

Das Verhältnis sollte im Regelfall bei Anlagen unter 13,8 kWp ca. 85% bis max. 115% (optimal 95% - 100% bei Südausrichtung) und bei Anlagen mit 10% Blindleistungsanteil 90% bis max. 120% (optimal 100%-105%) betragen. Das bedeutet, dass der Wechselrichter in den meisten Fällen mit der Nennleistung ungefähr bei der Gesamtleistung der Module liegt. Ausgenommen sind hier Wechselrichter, die auf 70% der Generatorleistung gedrosselt werden. Hier liegt man dann zwischen 75% und 80%.

Aber warum wird der Wechselrichter ohne Betrachtung des Blindleistungsanteils geringer dimensioniert als die Modulleistung? Die Generatorleistung unter Normbedingungen (25°C, Einstrahlungsintensität 1.000 Watt/m²) wird nur an wenigen Tagen des Jahres erreicht. Nur im Frühjahr und im Herbst, wenn niedrige Temperaturen vorherrschen, können diese Werte an wenigen Tagen sogar überschritten werden. Weiterhin bleiben durch Systemverluste, wie Kabelwiderstände etc. auch ein paar Prozente Wirkungsgrad auf der Strecke zwischen Modulen und Wechselrichtern.

Zu allerletzt muss man sich auch darüber im Klaren sein, dass sich die Leistungsangabe der Module auf optimale Verhältnisse bezieht. Wohnen Sie im Norden Deutschlands, haben Sie eine größere Abweichung nach Osten oder Westen, haben Sie keine optimale Dachneigung? Alle diese Punkte verringern die erbrachte Leistung der Module im Vergleich zur Nennleistung und nur diese verringerte Leistung muss der Wechselrichter transformieren. Da ein leistungsstärkerer Wechselrichter auch mit höheren Anschaffungskosten verbunden ist, ist eine Überdimensionierung nicht sinnvoll. Nur wenn es keine vernünftigen Alternativen gibt sollte man in den sauren Apfel beißen.

Argumente für größer dimensionierte Wechselrichter

Stellen Sie sich folgende Frage: Wie werden Sie die Anlage betreiben? Rein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten oder sind Sie eher der Typ, der täglich die Daten im Internet mit anderen Anlagen vergleicht und sich maßlos ärgern würde, wenn an einem wolkenlosen Frühlingstag die Ertragskurve oben abgeschnitten ist und ein paar kWh am Tagesende im Vergleich zu anderen Anlagen fehlen? (Das ist dann auch bei der Abregelung auf 70% so!)

Sollten Sie zum letztgenannten Typ gehören, investieren Sie lieber ein paar hundert Euro mehr in die PV-Wechselrichter und erfreuen Sie sich an Rekorderträgen an wenigen Tagen im Jahr. Sollten Sie zum erstgenannten Typ gehören, rechnen Sie den Minderertrag, der an den wenigen Tagen im Jahr, an denen der Wechselrichter ins "Derating" (Wechselrichter geht in die Begrenzung und regelt herunter) geht aus und erfreuen Sie sich daran, dass Sie wirtschaftlich besser fahren.

Die Überdimensionierung des Wechselrichters darf aber nicht übertrieben werden, da der optimale Wirkungsgrad erst ab einer gewissen Leistung (ca. 1/3 der Nennleistung) erreicht wird! Das könnte sich dann unter Umständen als äußerst kontraproduktiv erweisen.

Auslegungshilfen verschiedener Hersteller

Um die optimale Wechselrichterauslegung zu ermitteln, haben alle namhaften Hersteller kostenlose Auslegungssoftware zum Download auf ihren Internetseiten bereitgestellt, auf die auchFachbetriebezurückgreifen bei der Anlagenplanung. Hier ein paar Links der bekanntesten Hersteller:

Anhand dieser Software kann festgestellt werden, ob eine Modul-Wechselrichterkombination zulässig bzw. vom Wirkungsgrad her in Ordnung ist. Beachten Sie aber, dass Sie bei jedem Hersteller eine optimale Konfiguration für Ihr Projekt angezeigt bekommen. Das bedeutet aber noch lange nicht, dass ein Konkurrenzprodukt nicht noch weitaus bessere Ergebnisse liefern könnte.

Aus der Praxis: Wechselrichterauslegung bei meiner Photovoltaik Anlage "High-Light"

Für die Anlage wurden zwei SMA-Wechselrichter SB 4200 TL HC und 5000 TL HC ausgewählt. DieBerechnungund das SMA-Auslegungstool sind inzwischen nach 5 Jahren natürlich veraltet. Dennoch könnte der eine oder andere hilfreiche Hinweis, vor allem was die Stringauswahl angeht dabei sein. Deshalb lasse ich die Berechnung online.

Schauen wir nach, was die Auslegungssoftware Sunny Design von SMA von der Dimensionierung hält. Folgende Daten werden benötigt:

• ModulbezeichnungIn den Berechnungsprogrammen der Wechselrichteranbieter sind die meisten Module bereits in der Datenbank enthalten. Sollten die Module extrem neu oder äußerst exotisch sein und in der Datenbank nicht enthalten sein, müssen die Kennzahlen aus dem Moduldatenblatt manuell eingegeben werden.
• Anzahl und Bezeichnung der ModuleBei der Anlage High-Light kommen insgesamt 56 Module Aleo S_16 mit 180 Watt Nennleistung zum Einsatz.

Unter Ort wird die nächstliegende Großstadt gewählt. Eine genauere Auswahl ist nicht notwendig bzw. nicht möglich. Die Temperaturen können ebenfalls so übernommen werden, wie Sunny Design sie vorschlägt. Beim Neigungswinkel muss die vorhandene Dachneigung eingegeben werden, ausgenommen man verfügt über eine Aufständerung und kann den Winkel frei wählen. Jetzt noch das richtige Modul aus der Tabelle auswählen und die Ausrichtung der Anlage, in diesem Fall 0° eingeben.

Ein Problem kann jetzt die Anzahl der Module ergeben. Sunny Design schlägt selber keine Verteilung der Module auf unterschiedliche PV-Wechselrichter vor. Andere Herstellerprogramme können das zum Teil. Hier kann man sich nur entsprechend herantasten. Bei der Anlage High-Light wissen wir bereits, dass 30 der 56 Module an den 5000er gehängt sind, also geben wir das ein. Unter PV-Generator Peakleistung wird die Summe der Nennleistung aller Module, die an dem Solarwechselrichter hängt angezeigt, in diesem Fall 30 Module à 180 Watt = Gesamt 5.400 Watt bzw. 5,40 kW. Die benötigte Fläche wird auch noch angegeben, nämlich 42 m².

Das Wichtigste erscheint in der zweiten Spalte: PV/WR kompatibel, das bedeutet, dass wir diese 30 Module an den Wechselrichter hängen dürfen. Das Nennleistungsverhältnis errechnet sich aus dem Quotienten aus max. DC-Leistung des Photovoltaik-Wechselrichters und der PV-Generator Peakleistung: 5,31 kW / 5,4 kW = 0,9833 bzw. 98%. Das Verhältnis sollte zwischen 90% und maximal 110% liegen. Bei geringeren Werten ist der Wechselrichter eher unterdimensioniert, bei höheren Werten eher überdimensioniert. Es hätte auch noch jeweils 1 Modul mehr an einen String gepasst, dann wäre das Nennleistungsverhältnis aber bis auf 92% abgesunken, was für diese Anlage bei den sehr guten Bedingungen zu wenig wäre.

Ein Klick auf den Button "Ergebnis" zeigt uns die Zusammenfassung: Interessant ist die Angabe des Wechselrichter-Nutzungsgrades mit 94,1%, sowie der geschätzte spezifische Energieertrag pro Jahr. Dieser ist mit geschätzten 991 kWh/kWp sehr nahe an den 1018 kWh/kWp, die ich mittels PVGIS für den Standort der Anlage ermittelt habe. Wobei Sunny Design sehr viel gröbere Daten verwendet, weil nur Stuttgart als nächstgelegene Stadt ausgewählt werden kann.

Dasselbe kann für den kleineren SB 4200 TL HC, nur diesmal mit den verbleibenden 26 Modulen wiederholt werden. Auch hier ist alles im grünen Bereich. Das Nennleistungsverhältnis beträgt hier nur noch 94% und der Wechselrichterwirkungsgrad geht ebenfalls etwas zurück auf 93,8%.

Die Stringaufteilung meiner Anlage "High-Light"

An jeden Wechselrichter können jeweils 2 Strings gelegt werden. Die Anzahl der Module pro String haben wir bereits ermittelt, nämlich 2 x 15 Module am 5000er und 2 x 13 Module am 4200er. Aber wie teilt man die Strings am besten auf dem Dach auf?Multistring-Wechselrichterwurden aus zweierlei Gründen ausgesucht:

• Verschattung der Module auf dem CarportHierfür müssen diese Module unbedingt an einen eigenen Strang gelegt werden, damit die Verluste so gering wie möglich gehalten werden.
• Liegenbleibender SchneeLiegenbleibender Schnee wirkt sich naturgemäß noch dramatischer aus als Schatten. Nur bei einer sehr dünnen Schneedecke aus Pulverschnee erfolgt überhaupt noch eine Einspeisung.

Die Module auf dem Carport müssen unbedingt in einen Strang, das ist von vornherein klar. Lässt man den Schnee außer acht, wäre eine Einteilung der Strings von oben nach unten am sinnvollsten, da ein Schattenverlauf der auf- oder untergehenden Sonne immer von der Seite des Daches anfangen würde und dann bis zur anderen Seite wandern würde. Das ist übrigens bei vielen anderen Schattenverursachern wie Bäumen, Masten, Nachbarhäuser etc. ähnlich. Durch die Einteilung von oben nach unten wäre also immer ein ganzer String verschattet, der oder die anderen aber noch schattenfrei. Also immer beobachten, wie ein Schatten verläuft, und die Strings immer so platzieren, dass immer nur ein String vom Schatten betroffen ist. Bei der Anlage High-Light gibt es außer dem Carportschatten keine weiteren Schattenspender

Wie man sieht, ist die Aufteilung nicht ganz aufgegangen. Von String 1 und 2 ist jeweils 1 Modul noch nach oben "gerutscht" Diese 2 Module versuche ich beim Schneeräumen möglichst noch frei zu bekommen. Module in einem Strang sollten nicht zu weit auseinander liegen, da ansonsten die Länge der vormontierten Verbindungskabel nicht mehr ausreicht. Nur wenn es gar nicht anders geht, bleibt dem Solarteur nichts anderes übrig, als das Kabel zu verlängern. Aufpassen: Keinesfalls aus Not ein Modul verkehrt herum montieren! Dann kann Wasser über das Anschlusskabel in die Anschlussdose laufen!

Da die Anlage aber auf 1.000 Metern liegt, ist im Winter mit Schneefall nicht nur zu rechnen, sondern es ist eine Tatsache, fragt sich nur wann und wie viel. Irgendwann fängt der Schnee auch wieder an zu tauen. Was passiert? Er rutscht vom Dach ab. Also was liegt näher, als die Strings so anzuordnen, das sie möglichst parallel zum First verlaufen und damit zumindest bei den Strings einzuspeisen, bei denen der Schnee bereits heruntergerutscht ist. Im Nachhinein hat sich diese Lösung mehr als bestätigt.

Der Schnee rutscht nicht nur von alleine runter, sondern ich helfe auch gerne tatkräftig nach. Da ich nur an die unteren 1-2 Modulreihen herankomme, speisen die Strings vom Carport und vom unteren Dachbereich voll ein, die Module, die an den Strings Dach oben und Dach Mitte hängen speisen gar nicht ein. Diese Lösung ist auf jeden Fall besser, als wenn Strings immer nur zum Teil einspeisen würden, das Ergebnis wäre insgesamt schlechter.