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Wechselrichter für Balkonkraftwerke: Sicherheitsrelevante Bauteile zur Stromversorgung

Der Vorteil eines Balkonkraftwerks liegt in der Erzeugung von Strom aus regenerativen Energien. Unter Verwendung von PV Modulen entsteht ein Mini Kraftwerk, das einfach zu installieren ist und bares Geld spart. Aktuell stehen derartige Anlagen jedoch unter genauer Beobachtung, da ein vorgeschriebener Sicherheitsmechanismus fehlt.

Wechselrichter als Sicherheitsrisiko

Als „Balkonsolar“ wird eine Balkonsolaranlage bezeichnet, die für günstigen und umweltfreundlichen Strom sorgen soll. Derzeit gibt es einen großen Skandal um ein fehlendes Relais, das im Falle eines Stromausfalls oder einer Netztrennung die Verbindung kappt. Damit wird verhindert, dass plötzlich der gesamte Stecker unter Strom steht. Herausgekommen ist dies bei einer eher zufälligen Untersuchung des 600er-Wechselrichters von Deye. Weitere Nachforschungen haben ergeben, dass auch andere Modelle davon betroffen sind. Sie erfüllen nicht mehr die für Deutschland festgesetzten Sicherheitsregelungen, das Zulassungszertifikat ist nicht gültig. Allerdings gibt es noch weitere Sicherheitsmechanismen im Wechselrichter, sodass dieser auch ohne das Relais zuverlässig abgeschaltet wird.

Mikrowechselrichter von Deye
Mikrowechselrichter von Deye (Bild: Deye)

Funktionsweise eines Wechselrichters

Der Wechselrichter wird auch als Inverter bezeichnet und gehört zu einer Photovoltaikanlage. Damit auch zur Balkon PV, bei der über die installierten Module Gleichstrom erzeugt wird. Der Wechselrichter gilt hier als zentrales Element, denn er wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Nur so kann der über die Mini PV erzeugte Strom überhaupt nutzbar werden. Vom Wechselrichter aus wird der erzeugte Strom in das öffentliche Netz eingespeist oder kann von den Verbrauchern, die direkt angeschlossen sind, selbst verbraucht werden. Das Einspeisen des Stroms ins Netz wird über einen Schuko Stecker in die übliche Steckdose vorgenommen. Wird der jeweilige Verbraucher vom Netz getrennt, muss der Wechselrichter dies sofort erkennen und den Strom abstellen. Ohne diese Funktion würden am Stecker 230 Volt anliegen. Eine fehlende Abschaltung kann damit lebensgefährlich sein.

Der sogenannte Netz- und Anlagenschutz ist in allen netzsynchronen Wechselrichtern verbaut, wobei durch die VDE-Norm VDE-AR-N 4105 noch weitere Schutzmechanismen für die galvanische Trennung vorgeschrieben sind. Die Abschaltung muss innerhalb von höchstens 0,2 Sekunden erfolgen. Holger Laudeley, der als Erfinder des Balkonkraftwerks gilt, hat nun mehrere Wechselrichter des chinesischen Herstellers Deye zerlegt und festgestellt, dass das zur Abschaltung nötige Relais nicht vorhanden ist. Paradox: Auf der Platine befindet sich ein freier Platz für eben dieses Relais, nur verbaut wurde es scheinbar lediglich in den Wechselrichtern, die zur Zertifizierung vorgelegt werden mussten.

https://youtu.be/eqc3rSYAU7k

Wechselrichter als Herzstück des Balkonkraftwerks

Gleichstrom hat eine zeitlich konstante Polarität, bei Wechselstrom verändert sich diese in immer gleichen Abständen. Die übliche Wechselstromfrequenz wird mit 50 Hz angegeben, was bedeutet, dass die Polarität innerhalb einer Sekunde 50 Mal wechselt. Die üblichen Stromleitungen, Stromnetze und Verbraucher arbeiten nur mit Wechselstrom, daher ist die Umwandlung des über die Balkonsolaranlage gewonnenen Gleichstroms zwingend notwendig. Erst nach der Umwandlung kann die Einspeisung des Stroms in das öffentliche oder hausinterne Netz erfolgen. Aber warum arbeitet das Stromnetz überhaupt mit Wechselstrom? Der Grund ist einfach: Nur Wechselstrom ermöglicht den Stromtransport auf einem hohen Spannungsniveau, der mit geringen Transportverlusten verbunden ist. Noch vergleichsweise neu sind Hochspannungsgleichstromübertragungen, die jedoch für das Stromnetz nicht nutzbar sind. Hier sind und bleiben Wechselrichter notwendig und gelten als unverzichtbare Bauteile einer PV-Anlage.

So entsteht Strom in der Solaranlage

Die PV Module nehmen Photonen (Lichtteilchen) auf, die durch die Einstrahlung der Sonne gewonnen werden. Negative und positive Teilchen werden zu Ladungsträgern verbunden, deren Trennung im pn-Übergang innerhalb der Solarzelle erfolgt. Im Rahmen dieser Trennung entsteht eine Spannung. Die Teilchen kennen jetzt nur ein Ziel: Sie müssen sich wieder ausgleichen! Um die Spannung auszugleichen, müssen sich die Elektronen in Plus-Richtung bewegen, was geschieht, sobald die Solaranlage ans Stromnetz angeschlossen wird. Der Strom kann nun fließen, bis die Verbindung wieder gekappt wird. Der in der Solaranlage erzeugte Gleichstrom wird zudem vor der Einspeisung über den Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dafür gibt es verschiedene Arten von Wechselrichtern, die sich je nach Einsatzbereich unterscheiden.

Freistehende Photovoltaikanlagen für Wohngebäude
Freistehende Photovoltaikanlagen für Wohngebäude (Bild: Agentur für Erneuerbare Energien)

Arten von Wechselrichtern

  • Stringwechselrichter: Die am häufigsten verbaute Wechselrichterart bietet eine Reihenschaltung der Module, deren Ausrichtung kaum einen Einfluss hat.
  • Multistring-Wechselrichter: Diese Wechselrichter werden vorrangig bei großen PV-Anlagen eingesetzt und nutzen verschiedene MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker) zur Ermittlung der passenden Arbeitspunkte.
  • Modulwechselrichter: Hierbei verfügt jedes Solarmodul über einen eigenen Wechselrichter. Um die Kosten für Balkonsolar gering zu halten, werden meist diese Wechselrichter verbaut (Kosten für die Anlagen liegen um 500 Euro).
  • Zentralwechselrichter: Sie kommen in Großanlagen ab 30 kW Peak zur Anwendung, Neigung und Ausrichtung der Solarmodule sind gleich. Hohe Wirkungsgrade werden erzielt, bei Störungen fallen in der Regel die kompletten Anlagen aus.
  • Hybridwechselrichter: Die sogenannten Batteriewechselrichter können den erzeugten Solarstrom zwischenspeichern, sodass die weitere Versorgung der Verbraucher mit Solarstrom über das Notstromsystem möglich ist.

Installation des Wechselrichters in der Nähe der PV-Module

Lange Kabelstrecken führen zu hohen Leistungsverlusten. Durch die Positionierung der Wechselrichter in der Nähe der Photovoltaik-Module ist es möglich, diese Leistungsverluste zu verringern. Dafür wird der Wechselrichter meist an einer Kellerwand montiert, teilweise erfolgt eine Aufstellung auf dem Boden. Der Wechselrichter sollte stets leicht zu erreichen sein, jedoch aufgrund der Lautstärkeentwicklung im Betrieb nicht in Wohnraumnähe stehen. Um einen Leistungsabfall des Wechselrichters zu verhindern, sollte ein gut belüfteter, kühler und trockener Standort gewählt werden, an dem ein geringes Staubaufkommen herrscht. Die richtige Positionierung entscheidet über die Effizienz des Balkonkraftwerks.

FAQs zu Wechselrichtern

Was ist ein Wechselrichter?

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus der PV-Anlage in nutzbaren Wechselstrom um. Außerdem ist er für die Leistungsoptimierung und die Einspeisung des erzeugten Stroms in das öffentliche oder hausinterne Netz zuständig. Des Weiteren werden Netzspannung und Netzfrequenz überwacht. Ein verbautes Relais sorgt für die rechtzeitige Stromabschaltung bei Trennung vom Netz.

Wie lange hält ein Wechselrichter?

Die Lebensdauer eines Wechselrichters wird herstellerseitig mit durchschnittlich 15 Jahren angegeben und kann sich bei hochwertigen Modellen bis auf 20 Jahre belaufen.

Wie ist der Wechselrichter angeschlossen?

Der Anschluss des Wechselrichters an das Solarmodul erfolgt über einen MC4-Solar-Stecker, außerdem muss ein Wieland Stecker zur Einspeisung an das öffentliche Netz oder das Hausnetz vorhanden sein.

Was muss beim Anschluss des Wechselrichters beachtet werden?

Durch die Schutzklasse IP67 ist der Wechselrichter gut gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt. Dennoch sollte er keiner direkten Sonneneinstrahlung oder Nässe ausgesetzt werden. Zudem darf ihn das Solarmodul nicht verschatten.

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