Unser Ziel: Entscheidungshilfen für Anlagenbetreiber bei der Wahl des Wechselrichters
Die Auswahl an Solarwechselrichtern wächst beständig – und damit auch die Schwierigkeit für angehende Anlagenbetreiber, das beste Gerät zu finden. Mehr als sechs Jahre PHOTON-Wechselrichtertests haben hier zu mehr Transparenz auf dem Markt beigetragen. Dazu fasst das PHOTON-Testlabor die Ergebnisse in einer Note zwischen »sehr gut« und »mangelhaft« zusammen, die sich an einem von PHOTON definierten Gesamtwirkungsgrad orientieren. Auf den ersten Blick ist für Betreiber seitdem zu erkennen, ob ein Gerät etwas taugt oder nicht.
Seit Anfang 2007 prüft das PHOTON Labor Wechselrichter auf ihre Arbeitsweise und veröffentlicht regelmäßig die Ergebnisse in den PHOTON Magazinen. Damit diese Resultate leicht zu erfassen sind, hat die Redaktion in Anlehnung an die Schulzensuren ein Benotungssystem mitsamt einem Prüfsiegel eingeführt: von »sehr gut« bis »mangelhaft«. Die Bestnote gibt es dabei gleich in dreifacher Ausführung: ohne und mit einem oder zwei Pluszeichen. Ein »mangelhaft« wird dagegen an Wechselrichter vergeben, deren Wirkungsgrad so schlecht ist, dass die Geräte ihren eigenen Geldwert praktisch wieder vernichten – weil sie vom produzierten Sonnenstrom so viel in Wärme um- wandeln oder erst gar nicht annehmen, dass die entgangene Einspeisevergütung den Kaufpreis des Gerätes übersteigt. Diese Geräte sind geschenkt noch zu teuer.
Um die Note vergeben zu können, muss aber zunächst einmal der Wirkungsgrad definiert werden, auf den sich die Note bezieht. Sowohl Spitzenwirkungsgrad als auch Europäischer Wirkungsgrad sind hierzu jedoch ungeeignet, weshalb PHOTON einen eigenen Wirkungsgrad definiert hat, dessen Aussagekraft weit über die bisher üblichen Wirkungsgradangaben hinausgeht.
Ziel der Benotung ist darüber hinaus, die Messergebnisse der einzelnen Geräte besser miteinander vergleichen zu können. Die vergebenen Zensuren sind praktisch gleichzusetzen mit dem Nutzen der Geräte, der sich anhand der Angaben in den Datenblättern vieler Hersteller häufig leider nicht herausfiltern lässt, da wichtige Informationen zu den Betriebsparametern fehlen. Denn derzeit sind aus den technischen Angaben der Hersteller oftmals nicht die Abhängigkeiten des Wirkungsgrades vor allem von der Eingangsspannung zu erkennen. Ebenso wenig gibt es eine Angabe zum sinnvollen MPP-Arbeitsbereich des Wechselrichters. Der Einfluss der Eingangsstrombegrenzung auf den Arbeitsbereich und die Temperaturabhängigkeit des Umwandlungswirkungsgrades sind ebenfalls meist nicht zu finden.
Die von PHOTON vergebene Note bezieht – über den PHOTON-Wirkungsgrad – alle diese Einflussfaktoren mit ein. Weitere Einzelwertungen, die einen Einfluss auf die Zensur haben, gibt es nicht. Die Parameter, die sich in der Note widerspiegeln, werden jährlich überprüft und mit den Herstellern erörtert. Auch die konkreten Testergebnisse werden vor Veröffentlichung dem Hersteller mit der Bitte um Kommentierung zur Verfügung gestellt.
Wirkungsgrade bei Wechselrichtern – und was sie bedeuten
Spitzenwirkungsgrad
Der Spitzenwirkungsgrad gilt nur bei einer bestimmten Belastung des Wechselrichters – und ist somit höchstens von akademischer Bedeutung. Schließlich arbeitet der Wechselrichter in der Praxis bei sehr unterschiedlichen Belastungen.
Europäischer Wirkungsgrad
Im Vergleich zum Spitzenwirkungsgrad ist der Europäische Wirkungsgrad schon aussagekräftiger. Er ergibt sich aus der gewichteten durchschnittlichen Gesamtwirkungsgraden bei unterschiedlichen Belastungen (siehe »Europäische Gewichtung« im Abschnitt PHOTON-Wirkungsgrad bei mittlerer Einstrahlung). Doch auch dieser hat ein Manko: Es ist nämlich nicht definiert, bei welcher Eingangsspannung er ermittelt werden soll. Die Spannung eines Solargenerators ändert sich jedoch im Laufe eines Tages und auch im Laufe eines Jahres ständig. Deshalb haben Wechselrichter auch einen Eingangsspannungsbereich und nicht nur einfach eine Eingangsspannung. Im Falle eines sehr kleinen Eingangsspannungsbereiches ist die Zahl der Solarmodule, die in Reihe geschaltet sind, meist nicht variabel. Das heißt, der Wechselrichter kann nur mit einer bestimmten Anzahl von Modulen vernünftig arbeiten. Ist der Eingangsspannungsbereich größer als dieser minimale Bereich, so kann der Anlagenplaner auch Reihenschaltungen (sogenannte Strings) mit mehr oder weniger Solarmodulen einplanen, das macht den Wechselrichter also flexibler einsetzbar.
Im Falle des Spitzenwirkungsgrades oder des Europäischen Wirkungsgrades kann der Hersteller selbst auswählen, bei welcher singulären Spannung er den Wirkungsgrad misst. Und natürlich sucht sich der Hersteller die »schönste« Spannung für die Messung aus. Diese Option hat der Planer nicht, da die Spannungslage seines Solargenerators immer »wandern« wird. Es wird also immer ein Spannungsbereich überstrichen. Wie häufig dabei eine bestimmte Spannung anzutreffen ist, kann durchaus variieren. Sicher ist lediglich, dass der Solargenerator die Spannung, die der Hersteller zur Ermittlung seiner Werte für den Spitzenwirkungsgrad und den Europäischen Wirkungsgrad herangezogen hat, dabei nur selten exakt treffen wird. Meist wird der Wechselrichter also in einem Bereich ungünstigerer Spannung mit geringerem Wirkungsgrad arbeiten.
PHOTON-Wirkungsgrad
Der PHOTON-Wirkungsgrad betrachtet den gesamten vom Hersteller zugelassenen Eingangsspannungsbereich. Ebenso wird auch der gesamte Leistungsbereich erfasst. Die Wirkungsgrade bei verschiedenen Belastungen werden entsprechend der Häufigkeit ihres Vorkommens bei der Berechnung herangezogen, die Wirkungsgrade bei verschiedenen Spannungen werden gemittelt. Damit gibt der PHOTON-Wirkungsgrad das tatsächliche Verhalten des Wechselrichters in einer Anlage gut wieder. Der Betreiber kann darauf setzen, dass eine Solarstromanlage mit einem Wechselrichter mit hohem PHOTON-Wirkungsgrad einen besseren Ertrag liefern wird als eine Anlage mit einem Wechselrichter mit geringerem PHOTON-Wirkungsgrad.
Gesamtwirkungsgrad
Der im Normungsprozess befindliche Gesamtwirkungsgrad betrachtet wie der PHOTON-Wirkungsgrad auch den Wirkungsgradverlauf über die Leistung in Bezug auf die Spannung. Aber anders als bei der Messung im PHOTON Labor, wo der Wirkungsgradverlauf bei 20 verschiedenen Spannungen gemessen wird, wird der Wirkungsgradverlauf beim Gesamtwirkungsgrad voraussichtlich nur bei drei Spannungen gemessen. Das wird aber nicht in jedem Fall ausreichen, um Inseln geringen Wirkungsgrades zu finden und angemessen zu berücksichtigen. Dafür ist die Messung natürlich auch weniger aufwendig.
Der Weg zum PHOTON-Wirkungsgrad
Umwandlungswirkungsgrad: η
Der vom Hersteller angegebene MPP-Spannungsbereich wird in 20 Schritte und der DC-Leistungsbereich in 24 Schritte unterteilt. Daraus resultieren 480 verschiedene Solargeneratorkennlinien, sodass ein Messdurchlauf aus 480 Messungen besteht. Aus dieser Messreihe erhalten wir 480 Messwerte für den Umwandlungswirkungsgrad η = PAC/PDC= f(PDC) mit UMPP als Parameter, aufgetragen über die vorgegebene DC-Leistung PMPP. Das Resultat ist ein dreidimensionales farbiges Diagramm.
MPPT-Anpassungswirkungsgrad: ηMPPT
In den oben genannten 480 Messpunkten wird bestimmt, wie viel der vorgegebenen DC-Leistung im MPP der PV-Generator-Kennlinie (PMPP) der Wechselrichter statisch übernimmt, d.h. ηMPPT = PDC/PMPP (PDC = gemessene, effektiv vom Wechselrichter aufgenommene Leistung, kann von PMPP abweichen).
Diese Werte werden in Funktion von PMPP als Verhältnis von vorgegebener DC-Leistung (PMPP) zu Wechselrichter DC-Eingangsnennleistung PDCN dargestellt mit UMPP als Parameter.
Das Resultat ist ein dreidimensionales farbiges Diagramm.
Gesamtwirkungsgrad: ηSum
Multiplikation für alle 480 Messpunkte:
ηSum = η × ηMPPT
Für die korrekte Berechnung des Gesamtwirkungsgrades müssen ηMPPT und ηSum in Funktion von PMPP (vom Solargenerator-Simulator angebotene Leistung im MPP) mit UMPP als Parameter angegeben werden. Der Umwandlungswirkungsgrad η und der MPPT-Anpassungswirkungsgrad ηMPPT müssen gleichzeitig gemessen werden.
Das Resultat ist ein dreidimensionales farbiges Diagramm.
Maximaler Gesamtwirkungsgrad: ηSumMax bei x %*PMPP
Dies ist der maximale Wert des Gesamtwirkungsgrades bei einer bestimmten DC-Eingangsleistung PMPP.
Das Resultat ist ein einzelner Wert.
Durchschnittlicher Gesamtwirkungsgrad: ηAvgSum
Zu einer Leistungsstufe werden alle Gesamtwirkungsgradergebnisse aller Spannungsstufen aufaddiert und durch die Anzahl der Spannungsstufen geteilt.
Das Resultat ist eine zweidimensionale Kennlinie.
Die Auswertung erfolgt über den gesamten vom Hersteller angegebenen UMPP-Bereich inklusive der schraffierten Bereiche. Dies beinhaltet eventuell unmessbare MPP-Bereiche ebenso wie den Bereich der Strombegrenzung. Diese Bereiche sind schwarz gekennzeichnet und beinhalten den Wert Null. Die Bildung des Durchschnitts erfolgt für die Leistungsstufen 5 bis 100 Prozent.
Max. durchschnittlicher Gesamtwirkungsgrad: ηAvgSumMax bei x %*PMPP
Dies ist der maximale Wert des durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrades bei einer bestimmten DC-Eingangsleistung PMPP.
Das Resultat ist ein einzelner Wert.
PHOTON Wirkungsgrad bei mittlerer Einstrahlung: ηPmed
Europäische Gewichtung
ηPmed = 0,03×ηAvgSum5 + 0,06×ηAvgSum10 + 0,13×ηAvgSum20 + 0,1×ηAvgSum30 + 0,48×ηAvgSum50 + 0,2×ηAvgSum100
Dabei kennzeichnet zum Beispiel ηAvgSum5 den durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad bei fünf Prozent der dem Wechselrichter vorgegebenen MPP-Nennleistung PMPPNenn.
Das Resultat ist ein einzelner Wert.
PHOTON Wirkungsgrad bei hoher Einstrahlung: ηPhigh
Kalifonische Gewichtung festgelegt durch die CEC: california energy comission
ηPhigh = 0,00×ηAvgSum5 + 0,04×ηAvgSum10 + 0,05×ηAvgSum20 + 0,12×ηAvgSum30 + 0,21×ηAvgSum50 + 0,53×ηAvgSum75 + 0,05×ηAvgSum100
Dabei kennzeichnet zum Beispiel ηAvgSum5 den durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad bei fünf Prozent der dem Wechselrichter vorgegebenen MPP-Nennleistung PMPPNenn.
Das Resultat ist ein einzelner Wert.
Die Benotung
Die Gesamtnote baut auf zwei Kriterien auf: der Bewertung des PHOTON-Wirkungsgrades und der temperaturabhängigen Reduzierung des Umwandlungswirkungsgrades. Die Benotung dieses Wirkungsgrades erfolgt dabei ohne Differenzierung nach der Eignung des Wechselrichters für einen bestimmten Solargenerator. Am besten wird das Gerät mit dem höchsten Wirkungsgrad benotet, unabhängig davon, ob es ein Wechselrichter mit oder ohne Potenzialtrennung ist, ob er ausschließlich für den Innen- oder auch für den Außenbereich geeignet ist oder ob es sich um ein Weitspannungsgerät handelt. Einzig die Temperaturabhängigkeit des Umwandlungswirkungsgrades hat einen relevanten Einfluss auf die Note. Dazu wird der Wirkungsgrad bei 25 Grad Celsius und bei der maximalen Temperatur ermittelt, bei der noch keine Leistungsreduzierung zu verzeichnen ist. Beide Werte werden voneinander subtrahiert. Erreicht oder überschreitet die daraus resultierende Wirkungsgradreduzierung die Differenz zur nächstschlechteren Notenstufe (zwischen »gut« und »befriedigend« wäre dies 1,5), so erhält das Gerät die schlechtere Note (also »befriedigend«).
Gemessen werden der Umwandlungswirkungsgrad und der MPPT-Anpassungswirkungsgrad, beide bezogen auf die vorgegebene PMPP-Leistung. Das Produkt aus beiden ist der Gesamtwirkungsgrad. Aus diesem wird dann über alle gemessenen Eingangsspannungen der Durchschnitt in jeder Leistungsstufe gebildet. Dieser Durchschnitt wird danach europäisch und kalifornisch gewichtet und zur Bewertung herangezogen. Der neu definierte PHOTON-Wirkungsgrad für mittlere oder hohe Einstrahlung ist ein künstlicher Wert, der aber ein Abbild für die Spannungs- und Leistungsabhängigkeit des Wechselrichter-Wirkungsgrades repräsentiert. Durch die europäische oder kalifornische Gewichtung ergibt sich eine Abhängigkeit des durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrades von der geografischen Breite des Installationsortes der Photovoltaikanlage. Relevant für den Standort Deutschland ist der Wert für mittlere Einstrahlung.
Bei der Berechnung des PHOTON-Wirkungsgrades werden alle Messwerte für Eingangsspannungen berücksichtigt die im vom Hersteller angegebenen Eingangsspannungsbereich liegen, in dem der Wechselrichter arbeiten sollte – selbst wenn das Gerät in Teilen dieses Bereiches seinen Dienst nicht absolvieren kann, dort ist dann der Wirkungsgrad Null Prozent. Dies entspricht auch den Verhältnissen in einer realen Anlage: In diesem Arbeitsbereich angekommen, würde der Wechselrichter seinen Dienst einstellen.
Der daraus resultierende Effekt auf die Note ist gewollt und eine Folge der Überlegungen zum tatsächlich nutzbaren MPP-Bereich des Wechselrichters: Nur wenn ein Wechselrichter tatsächlich im vom Hersteller angegebenen Spannungsbereich ohne Einschränkungen arbeiten kann, wird er auch eine gute Note im Test erhalten. In der Konsequenz bewirkt die herstellerseitige Angabe eines sinnvollen MPP-Bereichs eine Verbesserung der Note.
Im Ergebnis wird also der PHOTON-Wirkungsgrad häufig unter den Wirkungsgradangaben der Hersteller liegen, da diese in der Regel bei der »schönsten« Spannung gemessen und Fehlanpassungen und unzulässige Betriebsbereiche nicht berücksichtigt wurden. Das kann zwar dazu führen, dass der PHOTON-Wirkungsgrad einen Wechselrichter mitunter schlechter aussehen lässt als er in einer konkreten Anlage arbeitet, denn dieser berücksichtigt den gesamten vom Hersteller freigegebenen Eingangsspannungsbereich – unabhängig davon, welcher Bereich in einer konkreten Anlage tatsächlich genutzt wird. Der PHOTON-Wirkungsgrad macht somit eine Aussage darüber, wie gut ein Wechselrichter mindestens ist – und zwar für alle Anlagenkonfigurationen, die den Bereich der vom Hersteller erlaubten Eingangsspannung einhalten.
Kontakt
Für Fragen rund um die PHOTON-Wechselrichtertests stehen wir gerne zur Verfügung.
Julio Magdalena de la Fuente
Telefon +49-241-4003-401
julio.magdalena@photon.info