Solar-Wechselrichter-System: Ein Leitfaden für die wichtigsten Komponenten

Das "Gehirn" Ihrer Solarstromanlage

Die Welt der Solarenergie. Obwohl die Solarmodule die sichtbarste Komponente eines Systems sind, das die reine Sonnenenergie aufnimmt, ist das Solarwechselrichtersystem das Gehirn. Dies ist eine sehr wichtige Komponente der Technologie, die die eigentliche Kontroll- und Kommandozentrale ist, und die intelligenten Entscheidungen, die in jeder Millisekunde durch ihre Kontrolle, Umwandlung und optimale Nutzung der Energie getroffen werden, die Ihr Haus, Ihr Unternehmen oder sogar ein Kraftwerk von Versorgungsgröße antreibt.

Ein qualitativ hochwertiges Wechselrichtersystem wandelt nicht nur Strom in Strom um, sondern macht auch das Beste aus Ihrer Energieernte, es sorgt für ein sicheres und stabiles Netz und liefert Ihnen die wesentlichen Informationen, die Sie zur Überwachung Ihres Solarenergiesystems und der Systemleistung benötigen. Ohne ein solches System kann der von Ihren Solarzellen erzeugte Strom nicht genutzt werden.

In diesem umfassenden Leitfaden werden wir die Box öffnen, um dieses System näher zu betrachten. Wir werden sehen, was es ist, die vier häufigsten Typen, die Sie finden werden, die wichtigsten Hardware-Elemente, die darin zu finden sind, und wie es mit Batterien und dem Netz kommuniziert. Vor allem aber werden wir eines der grundlegenden Elemente kennenlernen, die häufig ignoriert werden, aber für die Leistung und Langlebigkeit von grundlegender Bedeutung sind: das Kühlsystem.

Was ist ein Solarwechselrichtersystem und wie funktioniert es?

In seiner einfachsten Form hat ein Solarwechselrichtersystem nur eine große, magisch anmutende Aufgabe zu erfüllen: Es wandelt den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um.

Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom - eine Art Stromfluss. Aber Wechselstrom ist das, was im Stromnetz und in den meisten Geräten in Ihrem Gebäude verwendet wird (Beleuchtung, Kühlschrank, Industriemaschinen usw.), es ist wie der Strom, der schnell seine Richtung ändert.

Betrachten Sie den Wechselrichter als einen schnellen, hochentwickelten Übersetzer. Er empfängt die vom Solarmodulsystem verwendete Gleichstromsprache und wandelt sie in eine Wechselstromsprache um, die Ihr Gebäude verstehen und nutzen kann.

Der Prozess sieht folgendermaßen aus:

1. Solarmodule fangen das Sonnenlicht ein und erzeugen Gleichstrom.
2. Dieser Gleichstrom wird in das Solarwechselrichtersystem eingespeist.
3. Der Wechselrichter zerlegt" mit Hilfe komplexer elektronischer Schalter das Gleichstromsignal und setzt es in ein reines Sinus-Wechselstromsignal um.
4. Dieser AC-Strom ist dann:
   • Wird direkt zu Ihnen nach Hause oder in Ihr Unternehmen geschickt, um Geräte mit Strom zu versorgen.
   • Einspeisung in ein Batteriesystem zur Speicherung.
   • Einspeisung in das öffentliche Versorgungsnetz, oft gegen Kredit.

4 Haupttypen von Solarwechselrichtersystemen

Der Wechselrichter ist kein Einheitsgerät, das für alle passt. Die Art der Wechselrichter, die Sie benötigen, hängt in hohem Maße von der Größe Ihres Projekts, Ihrem Budget und dem Zweck Ihres Projekts (z. B. Batterie-Backup oder Steuerung der Beschattung Ihres Dachs) ab.

String-Wechselrichter-Systeme

Ein String-Wechselrichter ist der klassische und häufigste Wechselrichtertyp für private und kleine gewerbliche Projekte. Das System funktioniert, indem mehrere Solarmodule in Reihe geschaltet werden, was als "String" bezeichnet wird. Der kombinierte Gleichstrom, der von diesem gesamten String erzeugt wird, wird dann zur Umwandlung in einen zentralen Wechselrichterkasten mit einem einzigen Panel eingespeist.

• Am besten geeignet für: Einfache, unverschattete Dächer, bei denen alle Paneele in die gleiche Richtung zeigen. Sie sind kostengünstig, zuverlässig und einfach zu warten.
• Wichtige Überlegung: Die Leistung des Strangs wird von der leistungsstärksten Platte verkauft. Wenn ein Paneel verschmutzt ist, sinkt die Leistung aller anderen Paneele in diesem Strang.

Mikro-Wechselrichter-Systeme

Ein Mikro-Wechselrichter ist eine neuere Entwicklung, die die Wechselrichter dezentralisiert. Es gibt keinen zentralen Wechselrichter, sondern ein kleiner Mikro-Wechselrichter ist direkt auf der Rückseite jedes Panels angebracht. Das Design impliziert, dass jedes Paneel ein einzelner AC-Stromgenerator ist.

• Am besten geeignet für: Komplexe Dächer mit mehreren Winkeln, Dachgauben oder intermittierender Beschattung (z. B. durch Bäume oder Schornsteine).
• Wichtige Überlegung: Da alle Module separat arbeiten, hat der Schattenwurf eines Moduls keinen Einfluss auf den Schatten eines anderen Moduls, wodurch die Gesamtleistung maximiert wird. Sie können auch auf der Ebene der Paneele überwacht werden, sind aber anfangs in der Regel am teuersten.

   

Hybride Wechselrichtersysteme

Hybrid-Wechselrichtersysteme werden oft als batteriebetriebene Wechselrichter bezeichnet und sind die Komplettlösung im heutigen Energiezeitalter. Ein Hybrid-Wechselrichter kann sowohl als typischer String-Wechselrichter (der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt) als auch als Batterie-Wechselrichter (der den Energiefluss in und aus einer Batterie steuert) eingesetzt werden.

• Am besten geeignet für: Hauseigentümer und Unternehmen, die Energie speichern wollen (eine Solarbatterie) jetzt oder planen, in Zukunft eines hinzuzufügen.
• Wichtige Überlegung: Es ist das Gehirn auf dem Weg zur Energieunabhängigkeit. Es ist in der Lage, die Solaranlage, die Batterie und die Netzstromversorgung gleichzeitig intelligent zu steuern. Sie kann die überschüssige Sonnenenergie in die Batterie einspeisen und diese dann entladen, um das Haus in Zeiten ohne Sonne (nachts oder wenn der Strom ausfällt) zu versorgen.

Zentrale Wechselrichter

Dies ist das Monster der Wechselrichterindustrie, die auf groß angelegte kommerzielle und kommerzielle Solarparks abzielt (die großen Felder mit Sonnenkollektoren, die Sie sehen). Hunderte von Modulen können an einen zentralen Wechselrichter angeschlossen werden, der eine Leistung von mehreren Megawatt (MW) bewältigen kann.

• Am besten geeignet für: Solarkraftwerke, große Industrieanlagen und kommunale Solarprojekte.
• Wichtige Überlegung: Das sind keine kleinen Kisten und haben in der Regel die Größe eines Schiffscontainers. Ihre Leistungsdichte ist gigantisch, und ihre Leistung darf nicht beeinträchtigt werden. Ihr Ausfall kann dazu führen, dass ein großer Teil eines Kraftwerks ausfällt, und daher ist die Zuverlässigkeit der internen Komponenten, insbesondere des Wärmemanagements, ein millionenschweres Problem.

Hier ist eine einfache Tabelle, die Ihnen den Vergleich zwischen diesen verschiedenen Typen erleichtert:

Das Innere der "Box": Die Hardwarekomponenten, die Ihr System antreiben

Werfen wir nun einen Blick unter die Haube. Obwohl sich das genaue Design ändern kann, arbeiten fast alle aktuellen Wechselrichter mit drei Hauptgruppen von Hardwarekomponenten.

Das Umwandlungsmodul (IGBTs/MOSFETs): Der "Motor"

Dies ist der Motor des Wechselrichters. Es handelt sich um eine Reihe von hochfesten, schnell reagierenden Halbleiterschaltern, die als IGBTs (Bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode) oder MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren).

Diese Schalter haben die Aufgabe, den variablen Gleichstrom in eine brauchbare konstante Sinuswelle umzuwandeln. Sie reagieren auf kontinuierliche Schwankungen, um sicherzustellen, dass sie die richtige Energiemenge abgeben, und können Tausende Male pro Sekunde feuern. Es ist ein sehr effektiver Prozess, der jedoch ein wichtiges Nebenprodukt erzeugt, nämlich eine große Menge an Abwärme.

Maximum Power Point Tracker (MPPTs): Der "Optimierer"

Die entscheidende Technologie ist der Optimierer, der Ihre Energieproduktion maximiert. Die Produktion in einem Solarmodul ist immer im Fluss, abhängig von der Sonneneinstrahlung, der Temperatur und anderen Bedingungen. Der MPPT hat die Aufgabe, die eingehende Gleichstromleistung ständig zu scannen, um den optimalen Punkt der Leistung zu finden, den so genannten Maximum Power Point, eine Kombination aus Spannung und Strom, um jederzeit das absolute Maximum an Watt aus den Modulen zu ziehen.

Die Systemsteuerung (MCU): Die "CPU"

Dies ist das Gehirn oder die eigentliche CPU der Operation. Die Microcontroller Unit (MCU) ist ein komplexer Prozessor, der alle anderen Teile steuert. Sie steuert die IGBTs, damit sie schalten und wann und wie sie schalten sollen, liest die Daten der MPPTs, prüft die Stabilität der elektrischen Netze, steuert die Speichersysteme der Batterie (in Hybridsystemen) und meldet alle zu überwachenden Betriebsdaten. Es kommuniziert auch mit dem Laderegler oder dem Solarladeregler, um die Batterieladungen zu steuern und die größtmögliche Sicherheit und Funktionalität des Systems zu gewährleisten.

Die Systemintegration verstehen: Netz, Batterien und Lasten

Ein Solarwechselrichtersystem ist nicht einfach ein Wechselrichter. Es zeichnet sich durch seine Kombination mit den drei wichtigsten Akteuren in Ihrem Energie-Ökosystem aus:

1. Das Raster: Das elektrische Versorgungsnetz, das den Austausch von Solarstrom vornimmt.
2. Die Batterien: Ihre lokalen Batteriespeichersysteme, die eine konstante Stromversorgung bei Abwesenheit der Sonne garantieren.
3. Die Ladungen: Die Beute in Ihrem Gebäude, die Strom benötigt - die Geräte und Maschinen, und sogar die strombetriebenen Technologien der Zukunft, wie Elektrofahrzeuge.

Ein moderner Hybrid-Wechselrichter trifft eine intelligente Entscheidung in Echtzeit, die von der Programmierung und den Bedingungen abhängt. Zur Veranschaulichung: An einem sonnigen Tag kann er um 14 Uhr 4 kW Solarstrom erzeugen, um das Haus (die Last) zu versorgen, 3 kW, um die Batterie zu laden, und die restlichen 2 kW ins Netz einspeisen. Um 20 Uhr wird sie dann von der Batterie abgeschaltet und für den Betrieb des Hauses verwendet, ohne auf das Netz zu achten, um Geld zu sparen.

Integration von Solarwechselrichtersystemen in das Stromnetz

Bei den meisten PV-Anlagen ist die Beziehung zum Stromnetz die wichtigste. Diese Integration bestimmt nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch die Gesamtleistung und wird durch bestimmte Vorschriften und finanzielle Anreize geregelt.

Net Metering und Verkauf von überschüssiger Energie

Die Nettomessung ist eine Abrechnungsmethode, die bei der netzgekoppelten Solarenergie ein finanzieller Anreiz ist, der die Hauptmotivation darstellt. Sobald Ihre Anlage mehr Solarstrom erzeugt, als Sie verbrauchen, wird der zusätzliche Solarstrom in das Netz eingespeist, und Ihr Stromzähler dreht sich rückwärts. Sie erhalten eine Gutschrift für diesen Energieertrag, die Sie nachts oder an bewölkten Tagen nutzen können, wenn Sie Strom aus dem Netz beziehen.

Die direkte Veranschaulichung der Arbeit von Solarwechselrichtern ist, dass sie einen effizienten Energiefluss zwischen Ihrem Haus und dem Versorgungsnetz garantieren.

Einhaltung der Vorschriften für Versorgungsunternehmen in den USA

Ein Solarwechselrichtersystem kann nicht an das Stromnetz angeschlossen werden. Da Wechselrichter sehr leistungsfähig sind, müssen sie ordnungsgemäß konstruiert sein und hohe Sicherheitsstandards erfüllen, um die Sicherheit der Mitarbeiter des Versorgungsunternehmens und des Netzes zu gewährleisten. Dies bedeutet vor allem in den USA, dass sie den Vorschriften entsprechen müssen:

• UL 1741: Dieser Standard für die Zertifizierung und Sicherheit von Wechselrichtern und Geräten, die mit dem Stromnetz interagieren.
• IEEE 1547: Technische Norm, die das erforderliche Verhalten von dezentralen Energiequellen (wie z. B. Ihrem Wechselrichter) beschreibt, wenn sie an das Netz angeschlossen sind, einschließlich des so genannten Anti-Insellösens, d. h. des automatischen Abschaltens, wenn der Strom ausfällt.

Die korrekte Einhaltung der Vorschriften ist wichtig, weil sie nicht nur zur Sicherheit des Stromnetzes beiträgt, sondern auch sicherstellt, dass Ihre PV-Anlage trotz der Anzahl der zusammengeschalteten Module und der Endlast stabil und effektiv ist.

Warum aktive Kühlung eine zentrale Leistungskomponente ist

Wir haben bereits über den großen Motor (IGBTs) und das Gehirn (MCU) im Wechselrichter gesprochen. In einer so dichten Anordnung erzeugt all diese Hochleistungselektronik eine riesige Menge an Abwärme.

An dieser Stelle sollten wir über eines der Elemente sprechen, das allzu leicht übersehen wird: das Wärmemanagementsystem. Die Fähigkeit eines Wechselrichters, die Wärme zu kontrollieren, bestimmt seine Leistung, Zuverlässigkeit und Gesamtlebensdauer.

Eine allgemeine leistungselektronische Faustregel, die auf dem Arrhenius-Gesetz beruht, besagt, dass sich die langfristige Lebensdauer von elektrischen Elementen halbiert alle 10 °C (18°F) Anstieg der Betriebstemperatur. In diesem Fall führt die Optimierung der Arbeit des Solarwechselrichters zu einer stabilen Leistungsabgabe und Systemstabilität.

Passive vs. aktive Kühlung: Warum Hochleistungssysteme Lüfter brauchen

1. Passive Kühlung: Es gibt keine Bewegung durch irgendwelche beweglichen Teile. Hängt ausschließlich von riesigen, gerippten Metallkühlkörpern ab, um sich an der Luft abzukühlen. Dies ist typisch für kleinere Mikro-Wechselrichter und die String-Wechselrichter einiger anderer Modelle für Wohngebäude. Er ist geräuschlos und hat eine Gehäusebegrenzung.
2. Aktive Kühlung: Setzt Lüfter ein, um eine große Menge Luft über die Kühlkörper zu drücken und die Wärme aktiv von den Komponenten abzuführen.

Passive Kühlung kann bei kleinen Heimsystemen ausreichen. Aktive Kühlung ist jedoch keine Option; sie ist ein Muss bei Hochleistungs-Hybridwechselrichtern (insbesondere beim Laden/Entladen von Batterien) und allen großen Zentralwechselrichtern. Die Dichte und die Anforderungen an das Energiemanagement moderner PV-Anlagen machen eine effiziente Kühlung von PV-Anlagen sehr wichtig, um eine zuverlässige und netzsichere Leistung zu gewährleisten.

Der ACDCFAN-Vorteil: Zuverlässige Kühlung für eine klügere Investition

Ein Wechselrichtersystem ist eine Solaranlage von 10-15 Jahren. Aber sie hat eine so kurze Lebensdauer wie ihr empfindlichster Bestandteil. Selbst in einem stark gekühlten System ist ein billiger, minderwertiger Gleitlagerlüfter, der sich aufgrund von Staub festfrisst oder aufgrund von Lagerschäden ausfällt, die Nummer 1 der mechanischen Ausfälle.

Aus diesem Grund ist die Angabe eines Thermal-Management-Lösung von Industriequalität ist kein Zusatz, sondern ein grundlegender Ansatz zum Schutz Ihrer Investition. Wir bei ACDCFAN sind auf die Herstellung von Kühlkomponenten spezialisiert, die für den Einsatz bei extremer Zuverlässigkeit mit leistungsstarke Systeme.

• Für eine lange Lebensdauer konzipiert: Standardlüfter sind ein großer Schwachpunkt. Bei unseren Lösungen kommen Hightech-Kugellager zum Einsatz, damit die Lösung eine MTBF (Mean Time Between Failure) von mehr als 70.000 Stunden. Das sind fast 8 Jahre im 24/7-Betrieb, was garantiert, dass der Lüfter genauso lange hält wie der Wechselrichter selbst.
• Intelligente, sofortige Leistung: PWM (Pulsbreitenmodulation) Die intelligente Steuerung wird von unseren Lüftern unterstützt. Sie sind direkt mit der MCU (der erwähnten CPU) des Wechselrichters verbunden, um eine intelligente, bedarfsgerechte thermische Reaktion zu ermöglichen. Ihr Betrieb ist geräuschlos und verbraucht im Leerlauf nur wenig Strom. Bei Produktionsspitzen oder beim Aufladen der Batterien erhöhen sie ihre Leistung auf volle Leistung, um die Teile zu schützen.
• Umgebungen der realen Welt: Widerstandsfähigkeit Große Zentralwechselrichter arbeiten nicht in sauberen, klimatisierten Räumen. Sie befinden sich in Wüsten, auf hohen Feldern oder in Küstenregionen, in denen eine hohe Luftfeuchtigkeit herrscht. Unser IP68-zertifiziert Lüfter sind vollständig abgedichtet, um das Eindringen von Staub und Wasser zu verhindern, und bieten so eine optimale Kühlleistung und Langlebigkeit auch unter extremen Bedingungen.

Das Wärmemanagement ist für Systemingenieure und Beschaffungsmanager, die die nächste Generation von Wechselrichtern entwickeln, von größter Bedeutung. Unsere Produkte sind vollständig RoHS 2.0 und UL-, CE- und TUV-zertifiziertDas macht es sehr einfach, unsere Produkte zu entwerfen und einzuhalten. Wir sind sogar in der Lage, F&E-Teams innerhalb von 12 Stunden mit einem ersten thermischen Layout-Vorschlag zu unterstützen.

Die wichtigsten Leistungskennzahlen von Solarwechselrichtern: Was bedeuten Wirkungsgrad und Leistung?

Wenn Sie Wechselrichtersysteme vergleichen, werden Sie sich in den technischen Spezifikationen verlieren. Dies sind die beiden wichtigsten, auf die man achten sollte.

Wie man das richtige Solar-Wechselrichter-System auswählt

Die wichtigste Entscheidung, die sich auf die langfristige Leistung Ihres Projekts auswirkt, ist die Wahl des Solarwechselrichtersystems. Zunächst müssen Sie feststellen, welche Größe Sie haben, denn sie bestimmt, was Sie tun können.

• Unter WohnprojekteEs gibt drei Typen, aus denen Sie wählen können. Ein String-Wechselrichter ist die beste Wahl, wenn es um einfache und unbeschattete Dächer geht. Bei komplizierteren Winkeln oder Verschattungen auf Ihrem Dach können Mikro-Wechselrichter die maximale Energiemenge gewinnen, allerdings zu höheren Kosten. Ein Hybrid-Wechselrichter ist die Komplettlösung, wenn Sie energieunabhängig sein wollen, einschließlich eines Batterie-Backups.
• Im Fall von Gewerbliche (C&I) und versorgungsspezifischewird die Wahl auf große dreiphasige String-Wechselrichter oder große Zentralwechselrichter verlagert. In diesem Fall liegt das Augenmerk nicht auf den Anschaffungskosten, sondern auf den Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO). Bei diesen Systemen mit hoher Leistung ist die Zuverlässigkeit der wichtigste Faktor. Prüfen Sie die CEC-Wirkungsgradeinstufung des Wechselrichters, seine IP-Einstufung zum Schutz der Umwelt und sein Wärmebehandlungssystem. Es wird ein leistungsfähiger aktiver Kühlmechanismus entwickelt, der jahrelang hohen Belastungen standhalten kann, damit Ihre langfristige Investition nicht gefährdet wird.

Wie hoch ist der CEC-Wirkungsgrad (nicht der Spitzenwert) Ihres Anbieters? Zwei Fragen, die Sie ihm vor dem Kauf stellen sollten, sind: "Wie hoch ist die Garantie und die voraussichtliche Lebensdauer der Komponenten bei Spitzenlast?

Schlussfolgerung

Das Solarwechselrichtersystem ist nicht nur eine bloße Umwandlungsbox, sondern das lebendige, atmende Gehirn des gesamten Energieplans. Es bestimmt die Höhe der Energie, die Sie gewinnen, wie Sie diese Energie nutzen und die Langlebigkeit Ihrer Solarwechselrichter in den nächsten 20 Jahren.

Sie sind ein Hausbesitzer, der sich für einen Mikro-Wechselrichter entschieden hat, oder ein Unternehmen, das ein Hybridsystem mit Batteriebänken installiert hat, oder ein Ingenieur, der sich für die Planung einer Photovoltaikanlage mit Megawatt entschieden hat. Jetzt wissen Sie, dass die Leistung des Systems so stark ist wie seine Hauptbestandteile.

Alle Teile sollten gut aufeinander abgestimmt sein, angefangen beim komplizierten "Motor" der IGBTs bis hin zum "Gehirn" der MCU. Und der so genannte unbesungene Held ist das Wärmemanagementsystem, das sie alle schützt. Die beste Investition in eine solide und lukrative Zukunft mit sauberer Energie ist die Wahl eines Systems mit hochwertigen und langlebigen Komponenten, bis hin zu den Kugellagern in den Lüftern.