Einleitung: Die Herausforderung der Stromwandlung

Solarmodule sind montiert, die Batterie ist einsatzbereit, die Sonne scheint. Somit ist die Basis für eine Solaranlage gegeben. Aber es fehlt eine wichtige Komponente: Der Wechselrichter und seine vielfältigen Funktionen.

Die Herausforderung bei Solaranlagen:

• Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC)
• Haushaltsgeräte benötigen Wechselstrom (AC)
• Batterien speichern wieder Gleichstrom (DC)

Um das zu lösen, wird Leistungselektronik eingesetzt. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die verschiedenen Komponenten funktionieren.

Übersicht: Leistungselektronische Bauteile

Sowohl in der Solartechnik als auch in allen modernen Geräten läuft ohne Leistungselektronik nichts mehr. Für Solaranlagen und Batterien kommen verschiedene Komponenten zum Einsatz, die jeweils spezifische Aufgaben bei der Stromwandlung übernehmen:

Bauteil	Funktion
Wechselrichter	DC → AC (Gleich- zu Wechselstrom)
Gleichrichter	AC → DC (Wechsel- zu Gleichstrom)
Hochsetzer	Niedrige DC-Spannung → Hohe DC-Spannung
Tiefsetzer	Hohe DC-Spannung → Niedrige DC-Spannung
BMS	Batterie-Management-System

Uni- und Bidirektional

Diese Komponenten können unidirektional (in eine Richtung) oder bidirektional (in beide Richtungen) sein:

• Unidirektional: Nur Gleich- zu Wechselstrom möglich
• Bidirektional: Beide Richtungen möglich (wichtig für Batteriespeicher!)

Der Wechselrichter: Herzstück der Solaranlage

Wechselrichter wandeln den erzeugten Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom um. Dies geschieht durch elektronisch angesteuerte Schalter, sogenannte Leistungsschalter.

Funktionsprinzip: Das "Zerhacken"

1. Der Gleichstrom wird sehr schnell an- und ausgeschaltet
2. Durch unterschiedlich lange Schaltzeiten entsteht ein Muster
3. Aus den Durchschnittswerten der "Gleichstromstückchen" entsteht Wechselstrom
4. Die Frequenz beträgt standardmäßig 50 Hz (Europa)

Das Ergebnis ist netzkonformer Wechselstrom, der für alle Haushaltsanwendungen geeignet ist.

Wichtige Wechselrichter-Funktionen

Neben der reinen Stromwandlung übernehmen moderne Wechselrichter noch weitere wichtige Aufgaben für den sicheren und effizienten Betrieb der Solaranlage:

Funktion	Beschreibung
Netz-Synchronisierung	Frequenz und Phase werden ans Netz angepasst
NA-Schutz	Trennt bei Netzausfall (Schutz für Wartungspersonal)
Leistungsbegrenzung	Software-Begrenzung (z.B. 70%-Regel)
Monitoring	Überwachung und Fehlerdiagnose

Wirkungsgrad

Moderne Wechselrichter erreichen 96–98% Wirkungsgrad. Verluste entstehen durch:

• Schaltverluste in den Halbleitern
• Eigenverbrauch der Elektronik
• Wärmeentwicklung

Der Gleichrichter: Das Gegenstück

Ein Gleichrichter ist das Gegenteil zum Wechselrichter: Er wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.

Funktionsprinzip

Beim Gleichrichten wird der Wechselstrom teilweise "abgeschnitten":

• Nur die positiven "Berge" des Wechselstroms werden genutzt
• Der Durchschnitt ergibt einen annähernd konstanten Gleichstrom
• Hochfrequentes Schalten glättet das Ergebnis

Anwendung in Solaranlagen

Gleichrichter werden benötigt, wenn:

• Eine AC-gekoppelte Batterie aus dem Netz geladen wird
• Überschüssiger Netzstrom zwischengespeichert werden soll

DC-DC-Wandler: Spannung anpassen

DC-DC-Wandler (Gleichstromwandler) ändern die Spannungshöhe von Gleichstrom, ohne ihn in Wechselstrom umzuwandeln.

Hochsetzer (Boost-Converter)

Wandelt Niederspannung in Hochspannung um.

Aufbau:

• Niederspannungsquelle
• Spule
• Diode
• Leistungsschalter
• Kondensator

Funktionsprinzip:

1. Schalter geschlossen: Strom fließt durch die Spule, Magnetfeld baut sich auf
2. Schalter öffnet: Magnetfeld bricht zusammen, erzeugt Strom
3. Kondensator lädt: Die erhöhte Spannung wird im Kondensator gespeichert

Dieser Prozess wiederholt sich mit sehr hoher Frequenz für stabile Spannung.

Tiefsetzer (Buck-Converter)

Wandelt Hochspannung in Niederspannung um.

Funktionsprinzip:

1. Schalter geschlossen: Strom fließt zur Spule und Kondensator
2. Schalter öffnet: Magnetfeld bricht zusammen, Polarität ändert sich
3. Wechselnde Ladung: Durch ständige Polaritätswechsel entsteht niedrigere Spannung

Bidirektionaler DC-DC-Wandler (Buck-Boost)

Vereint beide Funktionen – kann Spannung hoch- und tiefsetzen. Wichtig für:

• Batterieladung bei verschiedenen Ladezuständen
• Anpassung an schwankende Solarmodulspannung

Die Bausteine verstehen

Zum besseren Verständnis hier die wichtigsten Bauteile:

Spule

Ein gewickelter elektrischer Leiter, der:

• Bei Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt
• Bei Stromunterbrechung kurz Strom weiterfließen lässt

Analogie: Wie ein träges Wasserrad, das nach Abschalten des Wassers noch weiterläuft.

Diode

Lässt Strom nur in eine Richtung durch. Funktioniert wie ein Rückschlagventil.

Kondensator

Speichert Energie in Form eines elektrischen Feldes. Besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Dient als Zwischenspeicher für stabile Spannung.

Leistungsschalter

Elektronische Schalter auf Halbleiterbasis:

• Extrem hohe Schaltgeschwindigkeit
• Geringer Bauraum
• Angesteuert durch Steuerstrom

MPPT: Maximale Leistung aus der Solaranlage

Der Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) ist oft im Wechselrichter integriert. Seine Aufgabe: Unabhängig von Wetter oder Last stets die maximale Leistung aus der Solaranlage holen.

Warum ist das nötig?

Elektrische Leistung ist: P = U × I (Spannung × Strom)

Jedes Solarmodul hat eine individuelle Kennlinie, die sich ändert durch:

• Verschattung
• Temperaturänderungen
• Wechselnde Einstrahlung

Der "Perturb and Observe" Algorithmus

1. Die Spannung wird leicht erhöht oder gesenkt (Störung)
2. Die resultierende Leistungsänderung wird gemessen (Beobachtung)
3. War die Leistung höher? → Weiter in diese Richtung
4. War sie niedriger? → Richtung wechseln

So findet der MPPT kontinuierlich den Punkt maximaler Leistung – selbst bei wechselnden Bedingungen.

Batterie-Management-System (BMS)

Moderne Batteriespeicher besitzen ein intelligentes Regelungs- und Überwachungssystem für sicheren Betrieb.

Kernaufgaben des BMS

Das BMS erfüllt eine Vielzahl von Aufgaben, die für den sicheren und langlebigen Betrieb der Batterie unverzichtbar sind:

Aufgabe	Beschreibung
Überwachung	Spannung, Strom, Temperatur jeder Zelle
Cell-Balancing	Gleichmäßige Ladung aller Zellen
Zustandserfassung	SoC, SoH, SoP berechnen
Schutz	Vor Überladung, Überhitzung, Kurzschluss
Kommunikation	Daten an andere Systeme senden

Wichtige Batterie-Kennwerte

Das BMS überwacht verschiedene Kennwerte, die Auskunft über den aktuellen Zustand der Batterie geben. Diese standardisierten Abkürzungen begegnen Ihnen häufig in technischen Dokumentationen:

Abkürzung	Bedeutung	Fragestellung
SoC	State of Charge	Wie voll ist die Batterie?
SoH	State of Health	Wie gesund ist die Batterie?
SoP	State of Power	Wie viel Leistung kann sie abgeben?
SoS	State of Safety	Wie nah an der Sicherheitsgrenze?
SoF	State of Function	Wie funktional ist die Batterie?

Das BMS überwacht diese Kennwerte kontinuierlich und entscheidet über Maßnahmen zum Weiterbetrieb.

Fazit

Weiter geht's: Im nächsten Artikel Der Allrounder: Hybridwechselrichter erfahren Sie, wie all diese Funktionen in einem einzigen Gerät vereint werden.

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Die komplette Artikelserie „Energiespeicher für Solaranlagen"

1. Von Froschschenkeln zu Batterien: Wie funktioniert ein Energiespeicher? – Grundlagen
2. Lithium vs. Blei: Welche Batterie für die Solaranlage? – Technologievergleich
3. Leistungselektronik: Wechselrichter und DC-DC-Wandler – Sie sind hier
4. Der Allrounder: Hybridwechselrichter – Alles in einem Gerät
5. AC oder DC? Systemtopologien für Solaranlagen – Anlagenkonzepte

Quellen

• Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• SMA: Solar-Wechselrichter Grundwissen
• HTW Berlin: Effizienz Hybridwechselrichter
• Elektronik-Kompendium: Grundlagen