Wozu wir einen Wechselrichter brauchen
Unsere Solarmodule auf dem Dach erzeugen Gleichspannung. Im Haus benötigen wir aber Wechselspannung. Der PV Wechselrichter formt die Gleichspannung in genau die richtige Wechselspannung für unsere Haushaltgeräte um – nämlich 230 V und 50 Hz.
Ein Wechselrichter wird in der Fachliteratur auch als “Inverter” bezeichnet. Im Prinzip ist ein Inverter ein umgedrehter (invertierter) Transformator. Oben fließt Gleichstrom hinein, und unten kommt Wechselstrom heraus. In den vorausgegangenen Beispielen hatten wir ein Solardach mit 8 in Reihe geschalteten Solarmodulen, und einer Gleichspannung von 320 V. Der Wechselrichter formt daraus eine haushaltsgerechte Wechselspannung von 230 V und 50 Hz.
Mehr über “Strom aus der Steckdose” erfährst du im gleichnamigen Kapitel auf dieser Seite.
Ein Wechselrichter kann aber noch mehr als nur “wechselrichten”. Er ist gewissermaßen Kompass und Steuerzentrum unserer Solaranlage. Die Fähigkeiten des Wechselrichters sind abhängig vom verwendeten Typ und Modell. Wir gehen im Beispiel von einem Insel-System mit Netzunterstützung, und einem Off-Grid Hybrid-Inverter aus.
Der Wechselrichter als Strom-Kompass
Stellen wir uns den Wechselrichter als Kompass mit 4 Himmelsrichtungen vor.
- Ganz oben im Norden sind die Solarmodule angeschlossen. Im Beispiel haben wir einem String aus 8 Solarmodulen mit 320 V Gleichspannung.
- Gegenüber im Süden ist die Solarbatterie angeschlossen. Wir gehen von einer LiFePO4 Batterie mit 16 Zellen und einer Nennspannung von 51,2 V aus. Hier fließt ebenfalls Gleichstrom.
- Auf der rechten Seite im Osten ist das Hausnetz mit seinen Verbrauchern angeschlossen. Hier fließt 230 V Wechselstrom
- Auf der linken Seite im Westen ist das öffentliche Netz mit ebenfalls 230 V Wechselstrom angeschlossen.
Der Wechselrichter agiert als intelligenter Strom-Kompass. Je nach Situation werden jeweils 2 oder 3 Pole miteinander verbunden. Schauen wir uns die möglichen Szenarien an:
Solar First
Solar hat Vorrang. In diesem Modus leitet der Wechselrichter den Solarstrom aus den Solarmodulen als 230 V Wechselstrom ins Hausnetz. Steht genug Solarenergie zur Verfügung wird in Abhängigkeit der Inverter-Konfiguration zusätzlich die Solarbatterie aufgeladen. Es wird keine Energie aus dem öffentlichen Netz benötigt. Da wir im Beispiel einen Off-Grid Wechselrichter haben, wird kein Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Der Zähler steht still.
Batteriebetrieb
Steht keine Sonnenenergie mehr zur Verfügung, schaltet der Wechselrichter auf Batteriebetrieb um. In diesem Modus versorgt der Wechselrichter das Haus mit dem in der Batterie gespeicherten Solarstrom. Ist der Solarspeicher groß genug, reicht die darin gespeicherte Energie über den Abend und sogar über die Nacht. Im Idealfall wird kein Strom aus dem öffentlichen Netz benötigt.
Netzunterstützung
Reicht die Solarenergie nicht aus, und die Batterie ist leer, wird automatisch mit Strom aus dem öffentlichen Netz unterstützt. Dieser Modus wird als “Netzunterstützung” bezeichnet. Der Wechselrichter leitet in diesem Modus den Strom aus dem öffentlichen Netz in das Hausnetz. Um Strom zu sparen, wird die Batterie hierbei nicht aufgeladen.
Übrigens: Hast du bemerkt, dass der grüne Pfeil niemals in Richtung “öffentliches Netz” zeigt? Hintergrund ist, dass ein Off-Grid Hybrid Inverter keinen Strom ins öffentliche Netz einspeist. Das ist auch die Erklärung, weshalb eine solche PV-Anlage unbürokratisch ohne Anmeldung errichtet werden kann.
Blackout – oder Notstrom Modus
Off-Grid-Inverter unterstützen auch den sog. Blackout- oder Notstrom Modus – auch USV-Modus (*1) , bei dem die Batterie sowohl mit Solarstrom, aber auch mit Netzunterstützung aufgeladen wird. In diesem Modus sorgt der Wechselrichter für eine ständig aufgeladene Batterie, was bei drohendem Stromausfall nützlich ist. Im Unterschied zu einfachen On-Grid-Systemen benötigt der Off-Grid Inverter das öffentliche Netz nicht zum Funktionieren. Fällt der Strom aus, bleibt das Licht im Haus an.
Der Notstrommodus ist ein cleveres Feature von Off-Grid Hybrid Wechselrichtern – erlaubt er doch die unterbrechungsfreie Stromversorgung des gesamten Hauses. Man kann den Wechselrichter in diesem Betriebsmodus auch als “umweltfreundliche Notstromanlage mit Solar-Unterstützung” verstehen. Im Übrigen ist der Betrieb von Notstromanlagen unter einem Megawatt nicht anmeldepflichtig.
Das MPPT Rätsel
Immer wieder liest man im Zusammenhang mit Solar von “MPPT Trackern”. Wofür steht “MPPT” und wofür braucht man das? Werden unsere Solaraktivitäten gar von dubiosen Mächten “getrackt” ?
Bisher gingen wir davon aus, dass die Solarmodule “irgendwie” Strom liefern, wenn die Sonne scheint. Aufgrund der Eigenheiten der Solarzellen, ist das jedoch nicht so einfach wie gedacht. Scheint die Sonne nämlich nicht mit voller Leistung, ist es für die Solarzellen schwierig, den produzierten Solarstrom optimal in die PV-Anlage “einzubringen”. Der Grund hat wieder etwas mit dem berühmten Ohm’schen Gesetz zu tun – weitergehende Erklärungen findest Du im Infokasten.
- Die Solarzelle funktioniert im Prinzip wie eine Haushaltbatterie – sie erzeugt Energie, bestehend aus einer kleinen Spannung, und einem Strom, der fließt, sobald man einen Verbraucher – z.B. eine Glühlampe anschließt.
- Scheint die Sonne stark, verhält sich die Solarzelle wie eine vollgeladene Batterie. Produziert die Solarzelle jedoch infolge bedeckten Himmels nur die halbe Leistung, verhält sich die Solarzelle wie eine halb leere Batterie: Die Glühlampe leuchtet nicht etwa mit halber Helligkeit, sondern sie bleibt komplett dunkel, weil die Spannung infolge der inkompatiblen Innenwiderstände von Stromquelle und Verbraucher komplett zusammenbricht. Trotz der Tatsache, dass ja immerhin noch die halbe Leistung zur Verfügung steht, bleibt die Lampe dunkel oder glimmt nur vor sich hin.
- Ursache ist der sich je nach Sonneneinstrahlung verändernde Innenwiderstand der Solarzelle. Im Falle der Haushaltbatterie ist die Lösung einfach: Man wechselt die halbleere Batterie gegen eine volle Batterie. Bei der Solarzelle ist das nicht sinnvoll, da ja die Ursache nicht die Solarzelle, sondern die Sonne ist, deren Solarleistung je nach Wetter ständig wechselt.
- Die technische Erklärung ist das Ohm’sche Gesetz, welches die proportionalen Abhängigkeiten zwischen Spannung, Widerstand, Strom, und Leistung beschreibt: Die Sonne scheint mit halber Kraft –> die Solarzelle produziert die halbe Leistung –> das führt zu einem höheren Innenwiderstand der Solarzelle –> Das wiederum führt zu einem unausgewogenen Verhältnis der anfallenden Spannung am Verbraucher (der Laie würde von einem Kurzschluss sprechen) –> die Spannung am Verbraucher bricht zusammen –> hierdurch sinkt proportional der Stromfluss durch den Verbraucher –> die Glühlampe glimmt nur noch, anstatt hell zu leuchten.
- Es gibt aber einen Behelf aus der Trickkiste der Elektroingenieure: Man passt den Innenwiderstand des Verbrauchers an die veränderten Bedingungen an. Im Falle unserer Glühlampe schließt man einfach eine Glühlampe mit einem dünneren Glühwendel an. Jetzt passen Stromquelle und Verbraucher optimal zusammen, und die Lampe leuchtet trotz halber Leistung ausreichend hell. Dieser Trick ermöglicht die optimale Ausnutzung der produzierten Energie.
- Im Falle der Solarzelle ist die technische Lösung nicht ganz so einfach, denn die Sonne scheint ja mit ständig wechselnder Kraft auf die Solarzelle. Der für die Leistungsabgabe optimale Innenwiderstand des Verbrauchers ändert sich demzufolge ständig. Man müsste also den Innenwiderstand des Verbrauchers mit einem intelligenten Gerät automatisch an die jeweiligen Bedingungen anpassen. Und genau das macht MPPT. Die Abkürzung steht für “Maximum Power Point Tracking” – sinngemäß übersetzt “Ermittlung des Punktes maximaler Leistungsabgabe”. Der “MPPT Tracker” sorgt also dafür, dass die erzeugte Solarleistung optimal in unserer PV-Anlage genutzt werden kann.
Ein “MPPT Tracker” sorgt dafür, dass die erzeugte Solarenergie optimal genutzt werden kann. Oft kommt ein solcher Tracker in Form eines an die Wand geschraubten Kastens daher. Oben geht das rot-schwarze Kabel vom Solarmodul hinein – unten kommt das rot-schwarze Kabel in Richtung Batterie heraus. Das Gerät ist demzufolge ein Mittler zwischen Solarmodul und Batterie. Aus diesem Grund ist ein MPPT-Tracker meistens mit einem sog. Laderegler kombiniert, der das Aufladen des Solar-Akkus steuert.
Der Laderegler
Obwohl Laderegler und MPPT Tracker wie oben beschrieben oft in einem gemeinsamen Gerät kombiniert sind, soll an dieser Stelle noch einmal separat auf das Thema “Aufladen und Entladen des Akkus” eingegangen werden.
Zunächst könnte man meinen, dass ein Solar-Akku separate Ein- und Ausgänge für Laden und Entladen besitzen sollte. Schaut man sich jedoch das Bild einer PV-Anlage mit Solarspeicher an, erkennt man, dass der Solar-Akku nur einen einzigen Eingang besitzt, der gleichzeitig auch der Ausgang ist (technisch gesehen sind es natürlich 2 einzelne Kabel – nämlich Plus und Minus). Diese Tatsache könnte uns Kopfzerbrechen bereiten, denn wie kann ein Eingang gleichzeitig auch ein Ausgang sein – und wie kann die PV-Anlage dann zwischen Aufladen und Entladen umschalten?
Die Antwort darauf liefert der Blick auf das vereinfachte Schaltbild eines Solar-Stromkreises mit Solarpanel, Laderegler, Akku, und Verbraucher. Das Konzept des Ladens und Entladens besteht in folgender Überlegung:
- Jeder Akku hat eine Nennspannung. Eine Lithiumzelle hat z.B. eine Nennspannung von ca. 3,2 V.
- Schließt man eine passende Lampe an den Akku an, leuchtet die Lampe. Soweit klar.
- Schließt man am Akku zusätzlich einen Stromerzeuger – z.B. eine Solarzelle – an, so kann man die Spannung am Akku “künstlich” über die Nennspannung hinaus erhöhen – einfach weil die Solarspannung höher als die Akku Spannung ist. Nehmen wir z.B. an, dass wir die Spannung am Akku auf 3,3 V erhöhen.
- Sobald die Spannung am Akku höher als die Nennspannung ist, kehrt sich die Stromrichtung am Akku um: Der Akku wird aufgeladen. Die Lampe wird von der Solarzelle angetrieben.
- Sinkt die Spannung am Akku unter die Nennspannung – z.B. auf 3,1 V, kehrt sich die Situation wieder um: Die Lampe wird vom Akku angetrieben – der Akku entlädt sich.
- Dieser kurze Faktencheck ist natürlich nur ein erster Überblick. Mehr interessante Details zu den beschriebenen Vorgängen findest du im Infokasten.
- Jeder Akku hat eine Nennspannung. Das ist die Spannung, die man an dem voll aufgeladenen Akku messen kann. Eine einfache Lithium Akkuzelle hat z.B. eine Nennspannung von etwa 3,2 V. Die genaue Spannung kann abhängig vom Ladezustand der Zelle um wenige Zehntel Volt schwanken.
- Schließt man eine Lampe an den Akku an, leuchtet die Lampe. Dabei ist es der Lampe egal, ob die Spannung 3,1 V oder 3,3 V beträgt – sie leuchtet gefühlt immer gleich hell.
- Dem Akku ist die exakte Spannung jedoch keineswegs egal. Schließt man nämlich am Akku zusätzlich einen Stromerzeuger – z.B. eine Solarzelle – an, so kann man die Spannung am Akku “künstlich” über die Nennspannung von 3,2 V ‘hochdrehen’. Erhöht man die Spannung z.B. auf 3,3 V, so kehrt sich die Stromrichtung am Akku um: Der Akku wird aufgeladen. Sinkt die Spannung unter die Nennspannung – z.B. auf 3,1 V – passiert das Gegenteil – der Akku wird entladen.
- Interessant hierbei ist, dass Laden und Entladen nicht per Schalt-Relais und komplexer Verdrahtung gesteuert werden, sondern schlicht und einfach durch Regulierung der Spannung am Akku. Mit wenigen Zehntel oder gar Hundertstel Volt Spannungsdifferenz wird über Aufladen oder Entladen entschieden.
- Hätte man keinen Laderegler, würde die Stromrichtung den technischen Eigenschaften der beteiligten Bauteile, sowie der Sonnenintensität, und damit quasi dem Zufall obliegen. Das wäre kontraproduktiv, denn wir möchten ja unsere Verbraucher mit Solarstrom betreiben, und dabei den Akku aufladen, sobald die Sonne scheint.
- Wie wir nun wissen, können Abweichungen von einem Zehntel Volt über Erfolg oder Misserfolg unseres Solarprojekts entscheiden. Hier kommt der Laderegler ins Spiel. Er wird zwischen Solarmodul und Akku eingefügt, und sorgt durch einen eingebauten Mini-Computer dafür, dass die Spannung am Akku auf das Hundertstel Volt exakt den benötigten Wert hat.
- Der exakte Wert der benötigten Spannung hängt vom Ladezustand des Akkus ab. Ein leerer Akku benötigt mehr Spannung als ein fast vollständig geladener Akku. Es darf aber auch nicht zu viel sein, denn dann könnte der Akku überladen und zerstört werden. Zu wenig ist auch schlecht, denn dann funktioniert das Aufladen nicht. Es ist also wichtig, dass die Spannung exakt eingeregelt wird. Und genau das tut der Laderegler.
- Allerdings muss der Laderegler zum Akku passen. Der Laderegler muss wissen, welcher Akku-Typ verwendet wird. Das wird dem Laderegler bei der Einrichtung des PV-Systems durch eine Grundinitialisierung “einprogrammiert”.
Plug & Play – Alle Komponenten zusammen
Die ganze Elektronik (MPPT, Laderegler, invertierende und nicht-invertierende Schaltnetzteile, Steuerelektronik, usw.) zusammenzubringen kann teuer und nervenaufreibend sein. Wie gut, dass es “All In One” Geräte gibt, die alle Komponenten bereits beinhalten. Ein vorbildlicher Vertreter dieser Gerätekategorie ist der Off-Grid Hybrid Wechselrichter. MPPT Tracker, Laderegler, Transformatoren, sowie die hochkomplexe Steuer-Logik sind bereits im Gerät integriert. Darüber hinaus bieten die meisten dieser Geräte interessante Anschluss-Optionen wie CAN-Bus, WLAN, oder Parallel-Kit. Mehr über Off-Grid Inverter und deren Optionen erfährst Du im Infokasten.
- Die oben beschriebenen Basisfunktionen erfüllen die meisten der am Markt gehandelten All-In-One Geräte. Die Unterschiede liegen im Detail. Hier erfährst du alles Wichtige, um das optimale Gerät für Dein Projekt zu finden:
- Akku Nennspannung: Das Gerät sollte zu deinem Solar-Akku passen. Hybrid Wechselrichter gibt es für 12 V, 24 V und 48 V (51,2 V). Hast du zum Beispiel eine LiFePO4 Solar Batterie mit 16 Zellen benötigst du einen Inverter der 48 V (51,2 V) Kategorie. Die beiden unterschiedlichen Werte (48 / 51,2) kommen daher, dass Akkus dieser Kategorie mit 15 oder mit 16 Zellen hergestellt werden. Die korrekten Nennspannung wird dann im Setup des Inverters konfiguriert. Oberhalb der 48 V Kategorie werden auch Inverter für sog. Hochvolt Akkus angeboten – diese Geräte spielen für den Heimbedarf jedoch eine untergeordnete Rolle
- Leistung: Eine PV Anlage sollte in der Lage sein, den Strombedarf deines Haushalts zu decken. Wichtig ist deshalb die korrekte Dimensionierung aller Komponenten. Möchtest du zum Beispiel mit Deiner PV-Anlage Haushaltgeräte mit einer Gesamtleistung von 5000 Watt betreiben, sollte der Inverter ebenfalls über eine Leistung von 5 kW verfügen. Übliche Leistungskategorien solcher All-In-One Geräte sind 1 kW, 3 kW, und 5 kW. Mehr als 5 kW pro Gerät und Phase sind in Deutschland nicht sinnvoll, da die Leistung der einzelnen Phasen begrenzt sind. Soll die Solaranlage mehr als 5 kW erzeugen, ist eine Parallel-Kombination von 3 identischen 5 kW Geräten in einem 3 Phasenbetrieb sinnvoll. Alternativ kannst du auch einen 3 Phasen-Inverter mit entsprechender Leistung einsetzen.
- Sinuswelle: Man muss sich vor Augen führen, dass Wechselrichter die Sinuswelle des Ausgangs-Wechselstroms digital “künstlich” erzeugt. Wenn man weiter bedenkt, dass es hier um Ströme mit bis zu 20A und mehr geht, ist das technisch gesehen eine echte Herausforderung. Manche Geräte der unteren Preisklasse “erleichtern” sich deshalb die Arbeit, indem sie die Form der Sinuswelle nur treppenförmig annähern. Das ist jedoch keine gute Lösung, denn das Resultat solcher Billig-Geräte sind massive Funkstörungen durch Oberwellen, sowie Probleme mit empfindlichen elektronischen Geräten, die mit solchen verzerrten Sinuswellen nicht zurechtkommen. Man sollte deshalb darauf achten, dass der Wechselrichter eine echte Sinuswelle erzeugt. Stichwort: “Reine Sinuswelle”
- MPPT: Vorteil eines All-In-One Off-Grid-Hybrid Inverters ist, dass das Gerät über einen eingebauten MPPT Tracker verfügt. Der Kauf eines separaten Geräts ist also nicht nötig. Allerdings ist MPPT nicht gleich MPPT. Daher solltest du auf die Solar-Eingangsparameter des Inverters achten. MPPT Eingänge haben einen Bereich, in dem sie korrekt arbeiten. Der MPPT Arbeitsbereich sollte also zu der Installation deiner Solaranlage passen. Beispiel: Du hast 8 Solar-Panels zu einen String in Reihe geschaltet. Dieser String wird bei Sonnenschein etwa 320 V Gleichstrom liefern. Wenn der Inverter eine MPPT Range zwischen 120 – 450 V besitzt, ist dieser Inverter ideal für deine Zwecke. Hast du jedoch einen Inverter mit MPTT Niedrigvolt-Eingang (z.B. 60 – 120 V), wird dieses Gerät in dieser Installation nicht funktionieren. Anders herum würde ein Inverter im MPPT Bereich von 120 – 450 V in einer 2er-Modul-Reihenschaltung nicht funktionieren, weil die Solar Gesamtspannung in diesem Fall nicht mehr als 80 V betragen würde. Die Auswahl des Inverters hängt also von der konkreten Verschaltung der Solarmodule ab.
- Laderegler und Ladeverhalten: Ein weiterer Vorteil von All-In-One Geräten ist, dass im Gerät bereits ein leistungsfähiger Laderegler integriert ist. Du benötigst deshalb kein separates Gerät. Der Laderegler deines Inverters sollte allerdings in der Lage sein, den Solar Akku der PV-Anlage mit der erforderlichen Power zu laden. Hast du zum Beispiel einen LiFePO4 Akku mit einem erlaubten Ladestrom von 80 A, sollte der Inverter ebenfalls 80 A Ladestrom bieten. Denn ist der Inverter unterdimensioniert, verschenkst du Solarenergie, weil der Solar-Akku während der kostbaren Sonnenzeiten nicht schnell genug aufgeladen werden kann.
- AC-IN: Der AC-IN Anschluss ist ein wichtiges Merkmal des “Insel-Wechselrichters mit Netzunterstützung”. Der AC-IN Anschluss dieses Inverter-Typs garantiert die sichere Trennung des öffentlichen Netzes vom Hausnetz. Stichwort: “Keine Netzkopplung”. Konstruktionsbedingt speist dieser Inverter-Typ keine Energie in das öffentliche Netz ein, und kann deshalb ohne spezielle Genehmigung des Netzbetreibers installiert werden. Wenn du unbürokratisch deinen eigenen Solarstrom erzeugen und nutzen möchtest, ist ein Off-Grid Hybrid Inverter mit AC-IN Anschluss die beste Wahl.
- WLAN Modul: Eine Reihe von Herstellern bieten für ihre Inverter optional ein WLAN Modul an. Es ist empfehlenswert, diese Option zu nutzen, denn damit hast du per App alle wichtigen Daten wie Verbrauch oder eingesparte Energie im Überblick.
- Parallel-Kit: Eine ebenso sinnvolle Option ist die Möglichkeit, mehrere Inverter per Parallel-Kit zu einem Gesamtsystem zu verbinden. Zum Beispiel kannst du 3 Single-Phase Einzelgeräte per Parallel-Kit zu einem 3-Phasen System verbinden. Herstellungsbedingt liegt der Gesamtpreis einer solchen Dreierkombination oftmals unter dem Preis eines 3-Phasen-Inverters. Das klingt zunächst paradox – erklärt sich jedoch aus der Tatsache, dass Single-Phasen Inverter für den Massenmarkt konzipiert sind – 3-Phasen-Inverter aber nicht. Ein weiterer Nutzen dieser Dreierkombination besteht darin, dass jedes Einzelgerät einen MPPT Eingang besitzt. Die Kombination bietet damit 3 MPPT Eingänge, an die man z.B. 3 unterschiedliche Solarstränge anschließen kann. Zusätzlich bietet eine Dreierkombination mehr Ausfallsicherheit – bei Ausfall eines Inverters funktionieren die beiden anderen Phasen weiter. Mehr Informationen findest du unten im Kapitel “Solaranlage für 3-Phasen”.
Strom aus der Steckdose
Wie wir wissen, benötigen unsere Haushaltgeräte 230 V Wechselstrom. Das ist der bekannte 230 V Haushaltstrom, der aus der Steckdose kommt. Aber wie kommt er überhaupt in die Steckdose? Und liefern alle Steckdosen im Haus denselben identischen Strom? Diese Fragen sind gar nicht so naiv, wie sie zunächst klingen mögen. Denn die Steckdosen im Haus liefern mitnichten identischen Strom. Wie kann das sein?
Zunächst kommt der Strom im Hausanschlusskasten an. Und zwar als sog. Kraftstrom oder Drehstrom. Genaugenommen ist es nicht 1 Kabel, sondern es sind 3 Kabel – auch als 3 Phasen bezeichnet. Jede dieser Phasen liefert eine andere Sinuswelle. Der Name “Phase” kommt daher, dass die Sinuskurven zeitlich in 3 Phasen (Phasen im Sinne von Zeitabschnitten) gegeneinander versetzt sind. Diese 3 Phasen verteilen sich auf unterschiedliche Stromkreise im Haus. Das ist der Grund, weshalb nicht alle Steckdosen identischen Strom liefern.
Wenn du mehr interessante Fakten über Strom aus der Steckdose wissen willst, schau in den Infokasten.
Weshalb aber ist das Wissen über unseren Haushaltstrom überhaupt wichtig für den Aufbau einer Solaranlage? Das liegt daran, dass der Wechselrichter der Solaranlage direkt mit den Stromkreisen im Haus verbunden wird. Du musst dir nämlich überlegen, welche Geräte in deinem Haus mit Solarstrom versorgt werden sollen:
- Nur bestimmte Geräte:
- Dafür genügt ein einfacher Single-Phasen-Inverter.
- Allerdings musst du dich dann für eine der drei Phasen entscheiden.
- Nimm am besten die Phase, welche die stromhungrigsten Geräte im Haus wie Waschmaschine oder Kühlschrank versorgt. Auf diese Weise kannst du viel Energie sparen.
- Ein Elektriker hilft dir, die richtigen Stromkreise zu finden – oder ggf. die Stromkreise für den Solar-Eigenverbrauch zu optimieren.
- Die benötigte Leistung der PV-Anlage sollte dem Stromverbrauch der von dir ausgewählten Phase entsprechen.
- Alle Geräte:
- In dem Fall brauchst du einen 3-Phasen-Inverter
- Möglich und sinnvoll sind alternativ 3 Single-Phasen-Inverter mit einem sog. Parallel-Kit
- Alle 3 Phasen der Hauselektrik werden mit Solarstrom versorgt. Das ist die Variante, mit der du die meiste Energie einsparst.
- Die benötigte Leistung der PV-Anlage sollte sich am Gesamtstromverbrauch Deines Hauses orientieren.
Du kannst auch kleiner anfangen, und Dich dann steigern. Zum Beispiel beginnst du mit einem Single-Inverter für eine ausgewählte Phase. Später fügst du zwei weitere Inverter der gleichen Bauart zu einem 3-Phasen Gesamtsystem hinzu.
- “Schuld” daran ist Thomas Alva Edison. Er schaffte ab den 1870’er Jahren in den USA wichtige Voraussetzungen zur industriellen Elektrifizierung. Darunter bahnbrechende Erfindungen wie die elektrische Glühlampe, und wegweisende Standards wie die Netzspannung von 110 V. Die Festlegung auf 110 V war keine Willkür, sondern basierte auf technischen Überlegungen zum Betrieb von Lichtbogenlampen.
- Damals wurde noch Gleichspannung in die Häuser geleitet, was vorteilhaft für den Betrieb von Lichtbogenlampen war. Später wurde dieser veraltete Lampentyp durch die bekannten Glühfaden-Lampen ersetzt, welche gleichermaßen mit Gleich- und Wechselspannung betrieben werden konnten.
- Eine interessante Anekdote im Zusammenhang mit Glühlampen ist, dass die heute noch allgegenwärtige E-27 Fassung (das ist die größere der verbreiteten Schraubfassungen) auf das Edison Patent US251554A zurückgeht. Das E in E-27 oder E-14 steht nicht etwa für Euro, sondern für Edison.
- Mit dem Aufkommen elektrischer Motoren und Transformatoren zeigte sich bald, dass Wechselspannung geeigneter für den Betrieb dieser neuen Gerätegeneration war. In den USA wurden 60 Herz zum Standard – in Europa 50 Herz. Herz ist die Einheit der Frequenz, und bedeutet im Fall der Netzfrequenz, dass Plus und Minus sich 60 mal (USA) bzw. 50 mal (Europa) pro Sekunde abwechseln. Daher kommt übrigens das berüchtigte Brummen, wenn man die Eingänge der Hi-Fi Anlage nicht korrekt angeschlossen hat.
- In Europa besannen sich die Ingenieure darüber hinaus auf das vielbeschworene Ohm’sche Gesetz, und verdoppelten die Spannung auf 220 V, was eine kluge Entscheidung war. Brachte das doch signifikante Vorteile bei der Nutzung und Verteilung des elektrischen Stroms mit sich.
- Ab 1987 wurde die Netzspannung dann aus Gründen der europäischen Harmonisierung schrittweise auf 230 V angehoben. Das ist die heute gültige Norm in Europa und vielen anderen Ländern der Welt.
- Misst man die Spannung an der Steckdose mit einem Multimeter, stellt sich oftmals heraus, dass die Spannung höher als 230 V ist – z.B. 240 V. Solche Abweichungen sind erlaubt – die maximal erlaubte Abweichung beträgt 10% nach oben und unten. Abweichungen nach oben resultieren oft aus Einspeise-Effekten im Zusammenhang mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien. Das ist im Übrigen auch der Grund, weshalb eine On-Grid Einspeiseanlage anmelde- und genehmigungspflichtig ist, und ausschließlich von zertifizierten Firmen installiert werden darf. Siehe hierzu auch das Wasserexperiment
- Ein interessanter Aspekt der Geschichte der globalen Elektrifizierung ist, dass es nicht nur von Vorteil ist, immer und überall der Erste zu sein. Obwohl die Netzspannung der USA mit 110 V alles andere als optimal ist, war eine Verdopplung wie in Europa nach dem Aufbau des öffentlichen Netzes mit Millionen Verbrauchern aus praktischen Gründen nicht mehr möglich. Wer an der Schwierigkeit der praktischen Umsetzung zweifelt, sollte einfach einen amerikanischen Föhn mit einem Reiseadapter an seine europäische Steckdose anschließen, und aus sicherer Entfernung das Resultat dieses Experiments beobachten.
- Kaum zu glauben, aber wahr ist der Fakt, dass sich ALLE Generatoren ALLER Kraftwerke eines Verbundnetzes (z.B. dem europäischen Verbundnetz) synchron im Takt drehen. Würde man alle Rotorwellen bei dem Drehwinkel 0 Grad mit einem roten Punkt markieren, könnte man beobachten, dass alle Punkte im selben Moment in dieselbe Richtung zeigen. Käme es hierbei auch nur zu minimalen Abweichungen, wären drastische Störungen, Notabschaltungen oder sogar Blackouts die zwingende Folge. Das kommt in seltenen Fällen trotz aller technischen Maßnahmen auch heute noch vor – z.B. 2018 im europäischen Netz infolge politischer Unstimmigkeiten im Balkan.
- Drehstrom: Beim Strom aus dem öffentlichen Netz handelt es sich nicht einfach nur um Wechselstrom, sondern um Drehstrom oder auch Kraftstrom. Es kommt nämlich nicht nur ein Kabel in Deinem Zählerkasten an, sondern gleich drei Kabel. Die 3 Kabel werden auch als 3 Phasen bezeichnet: L1, L2, und L3. Der Name “Drehstrom” kommt daher, dass der Strom in den 3 Phasen eine Drehbewegung ausführt. Natürlich nicht im mechanischen Sinn – das wäre ja furchtbar, denn dann würden sich die Kabel zu einem unentwirrbaren Knäuel verdrillen. Gemeint ist, dass die Sinuswellen der 3 Phasen zeitlich gegeneinander versetzt sind – und zwar genau um 120 Grad. Schließt man ein geeignetes Messgerät an, kann man die Drehbewegung sogar sichtbar machen – der Strom “dreht” sich nämlich exakt 50 mal pro Sekunde (50 Hz). Der Name “Kraftstrom” kommt daher, dass zwischen den Phasen L1, L2, L3 nicht “nur” 230 V herrschen, sondern 380 V. Das ist auch der Grund, weshalb man unter keinen Umständen an Kraftstromkabeln “herumbasteln” sollte. Ein Stromschlag von 380 V erhält man in der Regel nur einmal. Deshalb: Finger weg!!!
Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit elektrischem Strom
Bevor es mit der detaillierten Anleitung zum Aufbau deiner Solaranlage weitergeht , widmen wir uns dem obligatorischen Hinweis über den Umgang mit elektrischem Strom: .
- Die im Folgenden beschriebenen Schritte zum Anschluss des Inverters sollten ausschließlich von einem Fachmann durchgeführt werden
- Wir haben es hier nicht mit den üblichen Steckdosen-Renovierungsarbeiten zu tun, sondern mit 380 V Kraftstrom
- Ein Stromschlag in dieser “Gewichtsklasse” endet absolut unschön, und ist in der Regel ein einmaliges “Erlebnis”.
Also BITTE: Denkt an eure Lieben, und lasst die Finger weg vom Sicherungskasten. Solarbringer hilft Euch beim Aufbau eurer Solaranlage mit einem Netzwerk professioneller Fachleute.
Solltet Ihr doch selber Hand anlegen wollen, weil Ihr ausgebildeter Elektriker seid, oder unfassbar viel Selbstvertrauen besitzt, so gibt es einige überlebenswichtige Regeln, die ihr beachten solltet:
- Stromlos arbeiten: Die gesamte Basisinstallation der Anlage sollte stromlos erfolgen. Der Sicherungskasten besitzt in den meisten Hausinstallationen einen 3-Phasen Trennschalter. Ansonsten die Hauptsicherung deaktivieren. Wichtig: Hauselektrik in jedem Fall abschalten.
- Prüfen, ob die Anlage wirklich stromlos ist: Man sollte sich niemals auf Binsenwahrheiten verlassen (Rechts ist frei, waren bekanntlich die letzten Worte des Beifahrers). Vor dem Arbeiten an elektrischen Anlagen, immer einen Double-Check mit einem geeigneten Prüfgerät durchführen.
- Handschuhe: Beim Arbeiten an elektrischen Anlagen sollte man immer Handschuhe tragen. Ideal sind dünne sog. Montagehandschuhe mit gummierter Beschichtung. Die Handschuhe sind dünn genug, um auch mit Kleinteilen gut arbeiten zu können – isolieren aber zuverlässig bei versehentlicher Berührung stromführender Teile. Wichtig ist, dass die Handschuhe trocken sind. Trotz Handschuhe gelten immer die Regeln 1 + 2.
- Don’t work naked: Keinesfalls solltest du nackt an elektrischen Anlagen arbeiten, und dabei auf einer geerdeten nassen Kupferplatte stehen. Spaß beiseite – das ist natürlich ein Scherz. Niemand würde – schon aus Gründen des Anstandes – nackt eine Elektroinstallation durchführen. Vergessen wir also die Nonsens-Regel, und beachten statt dessen die viel sinnvolleren Regeln 1 bis 3.
Solaranalage für 1 Phase
Wie bereits oben angesprochen, musst du dich im Fall einer Single-Phase Installation für eine der drei Phasen der Hauselektrik entscheiden. Sinnvoll ist es in diesem Fall, die elektrischen Geräte so zu organisieren, dass die stromhungrigsten Verbraucher wie Waschmaschine, oder Kühlschrank & Co. , mit Solarstrom versorgt werden. Das Bild rechts zeigt Phase L1 der Hauselektrik im Original ohne Inverter. Das Kabel geht vom Stromzähler ohne Umwege in den Sicherungskasten. Von dort verteilt sich der Strom zu verschiedenen Stromkreisen im Haus.
Der Inverter wird nun zwischen Stromzähler und Sicherungskasten “eingefügt”. Konkret bedeutet das:
- Zunächst wird das schwarze Kabel der Phase L1 des Sicherungskastens vom Stromzähler getrennt.
- Vom Zähler kommend wird das schwarze L1 Kabel am Eingang “AC-IN” des Inverters angeklemmt.
- Das schwarze L1 Kabel vom Sicherungskasten wird am Ausgang “AC-OUT” des Inverters angeklemmt.
Der Inverter ist jetzt zwischen Stromzähler und Sicherungskasten der Hauselektrik eingefügt.
Jetzt kann die Installation komplettiert werden:
- Plus- und Minuspol von den Solarmodulen kommend werden am MPPT Eingang des Inverters angeschlossen.
- Plus- und Minuspol der Batterie werden an den Batterieklemmen des Inverters angeschlossen. Es ist zu beachten, dass das Kabel zwischen Inverter und Akku ausreichend dimensioniert ist. Je nach Gerätepark fließen Ströme bis zu mehreren hundert Ampere. 16 qmm Kupfer ist hier das Minimum. Die Verbinder sind mit Pol Fett zu behandeln und fest anzuziehen. Aber Vorsicht: Nach fest kommt ab 😉
- Ein optionales WLAN Modul wird am Inverter angeschlossen. Das WLAN Modul am Inverter bietet dir zusätzlichen Komfort. Per App hast du alle Daten wie Verbrauch oder eingesparte Energie im Blick.
Das Bild oben zeigt die fertige Installation: Der Inverter befindet sich zwischen Stromzähler und Sicherungskasten. Solarmodule, Batterie und optionales WLAN sind angeschlossen. Jetzt kann der Inverter seiner Funktion als Strom-Kompass gerecht werden: Je nach Situation versorgt er das Hausnetzt mit Solarstrom, trennt das Hausnetz vom Zähler, lädt den Akku, oder unterstützt die Hauselektrik bei Bedarf mit Strom aus dem öffentlichen Netz.
Solaranlage für 3 Phasen
Diese Installationsvariante ist die “Königsklasse” der PV-Anlagen. Nur mit der 3-Phasen Solaranlage kann dein gesamtes Haus mit Solarstrom versorgt werden. Auch bietet dir nur diese Variante eine echte Absicherung im Blackout-Fall. Und last but not least, ermöglicht dir nur diese Installationsvariante die maximale Energie-Einsparung. Deshalb nehmen wir die 3-Phasen Installation gemeinsam Schritt für Schritt unter die Lupe:
Es gibt grundsätzlich 2 Möglichkeiten der Realisierung:
- Installation eines 3-Phasen Inverters
- Kombination von 3 Einzelgeräten zu einem 3-Phasen-System per Parallel-Kit
Im Infokasten weiter oben, haben wir bereits die Vorteile einer Kombination von Einzelgeräten diskutiert: 3 Einzelgeräte sind oft preiswerter als ein 3-Phasen-Inverter mit 3-facher Leistung. Darüber hinaus bietet die Kombi-Variante 3 MPPT Eingänge, sowie ein höheres Maß an Ausfallsicherheit. Immerhin funktionieren bei Ausfall eines Geräts noch 2 Phasen im Haus. Wir werden uns in diesem Kapitel also der Installation der Kombi-Variante widmen. Die Installation der Einzelgerät-Variante funktioniert im Prinzip genauso – nur dass sich alle benötigten Anschlüsse am selben Gerät befinden.
Zunächst schauen wir uns die Installation einer einzelnen Phase an. Wichtig ist, zuerst die Elektrik stromlos zu schalten.
Gerät 1 wird in die Phase L1 zwischen Stromzähler und Sicherungskasten geschaltet. Solarmodule, Akku und WLAN Modul werden mit dem Inverter verbunden. Bis hier ist die Installation identisch zur zum 1-Phasen System aus dem vorherigen Beispiel.
Nun wiederholen wir die Installationsprozedur für Inverter2 und 3.
Interessant ist, dass es in der Kombi-Variante zwar 3 Inverter gibt – aber nur einen Akku. Dabei spielt es keine Rolle, ob man tatsächlich nur einen physischen Akku besitzt, oder ein Rack aus mehreren Geräten. Aus Inverter-Sicht ist der Akku ein einziges Gerät. Der Solar-Akku wird mit allen Invertern parallel verbunden. D.h. – alle Batterie-Plus Klemmen aller Inverter werden miteinander verbunden – desgleichen alle Batterie Minus-Klemmen – daran wird der Akku angeklemmt. Zu beachten ist, dass der Kabelquerschnitt der Batteriekabel mindestens 16 qmm oder mehr sein sollte. Für die Klemmen ist Pol Fett zu verwenden, die Klemmen sind fest anzuziehen.
Sind alle Inverter korrekt installiert, folgt die Verbindung der Inverter untereinander per Parallel-Kit. Hierzu liefert der Hersteller des Inverters ein optionales Parallel-Kit. Im Normalfall ist das ein spezielles Kabel pro Gerät, welches die Inverter miteinander verbindet. Die konkrete Verkabelung ist in der Installationsanleitung des Inverters beschrieben.
Wichtig: Vor dem Einschalten des Hauptschalters müssen die Inverter konfiguriert werden. Da die Inverter mit der Batterie verbunden sind, können sie deshalb ohne anliegende Netzspannung eingeschaltet werden. Jeder Inverter ist per Konfiguration in den 3-Phasen Parallel-Modus zu versetzen. Erst dann darf der Hauptschalter eingeschaltet werden.
1) USV bedeutet Unterbrechungsfreie Stromversorgung. Der USV Modus ist also ein Betriebsmodus, in dem vorrangig Wert auf einen unterbrechungsfreien Betrieb gelegt wird. Ein typischer Anwendungsfall ist die Stromversorgung von Rechenzentren oder medizinischer Einrichtungen.
Wie geht es weiter?
Nachdem wir Solarmodule und Inverter konzipiert haben, geht es weiter mit wichtigen Infos zum Solarspeicher.
Wirf auch einen Blick in unseren Shop. Hier findest du leistungsfähige Off-Grid Hybrid Inverter für den Aufbau einer Inselanlage mit Netzunterstützung.
Kennst du schon die anderen interessanten Beiträge in unserem Solar-Wiki ?
- Solar Wiki
- Grundlagen: Wie funktioniert eine Solaranlage?
- Grundlagen: Das Solarproblem
- Grundlagen: Wo bleibt der Solarspeicher?
- Grundlagen: PV-Anlage mit Solarspeicher
- Einspeisen und Eigenbedarf
- Einspeisen: Die klassische On-Grid Anlage
- Einspeisen: Das “Wasserexperiment” mit der On-Grid Anlage
- Eigenbedarf: Die Inselanlage (Off-Grid System)
- Eigenbedarf: Die Inselanlage mit Netzunterstützung