Wie arbeitet ein Wechselrichter? – Funktion bei PV-Anlagen

• Was ist ein Wechselrichter? Die Schaltzentrale einer PV-Anlage
• Was macht ein Wechselrichter? Aus Gleichstrom Wechselstrom
• Wie funktioniert ein Wechselrichter? Sein Aufbau verrät es
• Weitere Funktionen des Wechselrichters für die PV-Anlage
• Wechselrichter-Arten: Für PV-Anlagen mit und ohne Speicher
• Wechselrichter-Kosten & ihr Anteil an den Anlagenkosten
• Wechselrichter an Leistung der Photovoltaik-Module anpassen
• Wechselrichter nahe an Photovoltaik-Modulen installieren
• Wie gut ein Wechselrichter funktioniert, zeigt sein Wirkungsgrad
• Häufigste Fragen zu Wechselrichtern
• Glossar: Erläuterungen zu AC, DC und Nennleistung

Ein Wechselrichter, auch Inverter oder Drehrichter genannt, ist ein elektronisches Gerät aus der Gruppe der Stromrichter. Seine Hauptfunktion besteht darin, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Er kommt in verschiedenen Bereichen zum Einsatz, z. B. in Elektroautos. 

In einer PV-Anlage ermöglicht der Wechselrichter nicht nur die Nutzung des Solarstroms, sondern übernimmt noch weitere Aufgaben. So überwacht er sowohl die Anlage als auch das öffentliche Stromnetz. Im Schadensfall, z. B. bei Stromausfall, trennt er die beiden voneinander. Mit der Funktion MPP-Tracking unterstützt ein Wechselrichter außerdem die Arbeit der Solarmodule. Dadurch können diese trotz sich häufig ändernder Bedingungen (Strahlstärke und Temperatur) stets die größtmögliche Menge an Strom bereitstellen. 

Man könnte also sagen: Ein Wechselrichter ist das Gehirn einer PV-Anlage. Er überwacht und steuert die Komponenten, damit die Solarstromgewinnung reibungslos ablaufen und die Anlage bestmögliche Erträge erzielen kann. Vor allem aber ermöglicht Ihnen der Wechselrichter, den gewonnenen Solarstrom zu nutzen und einzuspeisen.

Denn wenn Sonnenstrahlen auf Solarmodule fallen, gewinnen diese aus der Sonnenenergie Gleichstrom (engl. direct current (DC)). Bei dieser Stromart wandern die Elektronen stets in die gleiche Richtung (= vom Minus- zum Pluspol) – wie ein Fluss, den es zur Mündung zieht. Gleichstrom hat allerdings einige Nachteile:

• Bei großen Strecken kommt es aufgrund des Eigenwiderstands in den Übertragungsdrähten zu Spannungsabfall und dadurch hohen Energieverlusten.
• Er lässt sich nur schwer auf unterschiedliche Spannungsniveaus bringen.
• Ist nur mittels zusätzlicher Bauteile regelbar und somit nicht für den Einsatz in Geräten, die eine geregelte Stromquelle brauchen, geeignet.

Anders sieht es bei der zweiten Form von Elektrizität aus: dem Wechselstrom (engl. alternating current (AC)). Bei ihm ändern die Elektronen immer wieder periodisch ihre Flussrichtung (= Polaritätswechsel). Er ist also eher wie ein Meer im Wandel der Gezeiten. Einziger Unterschied: Der Polaritätswechsel beim Strom tritt sehr viel häufiger ein als Ebbe und Flut: bei einer Frequenz von 50 Hertz ganze 100 Mal pro Sekunde. Dadurch hat der Wechselstrom einige Vorteile:

• Er lässt sich auch über große Strecken nahezu verlustfrei übertragen.
• Sein Strom- und Spannungsniveau kann mittels Transformatoren leicht angepasst werden.
• Er ist einfach zu regulieren und steuern und kann somit in einer Vielzahl von Geräten zum Einsatz kommen.

Das öffentliche Stromnetz basiert daher größtenteils auf Wechselstrom. Und auch die meisten Haushaltsgeräte sind auf diesen ausgelegt.

Für die Einspeisung ins Netz und die Bedienung von Waschmaschine und Co. ist also Wechselstrom erforderlich. Da Solarmodule jedoch nur Gleichstrom bereitstellen können, braucht jede Photovoltaik-Anlage einen Wechselrichter, der diesen in Wechselstrom umwandelt. Der konkrete Aufbau und die verwendeten Komponenten variieren von Wechselrichter zu Wechselrichter. Die grundlegende Funktionsweise ist jedoch bei allen gleich:

Ein Wechselrichter enthält elektronisch gesteuerte Schalter, die paarweise abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. Wenn also zwei geöffnet sind (z. B. A und D), sind die anderen beiden geschlossen. Der Strom kann somit nur durch die geöffneten fließen. Dann schließen diese und das andere Paar (B und C) wird geöffnet. Die Elektronen werden nun in entgegengesetzter Richtung durch den Stromkreis geleitet. Dieses Öffnen und Schließen der Schalter erfolgt in schneller Reihenfolge und lässt am Ausgang des Wechselrichters Wechselstrom entstehen.

Zusätzlich verfügt ein Wechselrichter meist über Elemente, mit denen er die Spannung erhöhen kann, z. B. einen Transformator. Auf diese Weise bringt er die ankommende Gleichspannung auf das benötigte Wechselspannungsniveau.

Bei einem ganz einfach gebauten Wechselrichter hat der ausgegebene Wechselstrom eine Rechtecksform. Da dieser jedoch in manchen Geräten für Probleme sorgt, kommt in modernen Wechselrichtern meist die sogenannte Pulsweitenmodulation zur Anwendung. Dabei variieren sowohl die Dauer der Schalteröffnungen als auch die jeweiligen Spannungshöhen in regelmäßigen Abständen. Dadurch nimmt der entstehende Wechselstrom die Form einer Sinuskurve an.

Bei einem einphasigen Wechselrichter entsteht eine Sinuswelle, bei einem dreiphasigen sind es drei hintereinander. Dieser dreiphasige Wechselstrom – auch Drehstrom genannt – eignet sich somit auch für höhere Leistungsbereiche.

Neben seiner Hauptfunktion hat ein Wechselrichter noch weitere Aufgaben:

Mittels Microcontrollern überprüft der Wechselrichter sowohl den Zustand der PV-Anlage als auch den des angeschlossenen Netzes. Sobald er eine Störung feststellt (z. B. bei Stromausfall oder dem Herausziehen des Kabels), trennt er die beiden voneinander, um Schäden an Anlage oder Netz bzw. Verletzungen beim Nutzer zu verhindern.

Damit eine Photovoltaik-Anlage immer im maximalen Leistungsbereich arbeitet, also so viel Strom wie möglich produziert, ist in der Regel ein MPP-Tracker (engl. Maximum Power Point = maximaler Leistungspunkt) im Wechselrichter integriert. Die Leistung einer Photovoltaikanlage variiert im Tagesverlauf abhängig von Faktoren wie der Sonneneinstrahlung sowie Temperatur und Verschattung des Moduls. Der MPP-Tracker ermöglicht die "Selbsteinstellung" des Wechselrichters für eine maximale Stromausbeute bzw. bestmögliche Funktion, indem er laufend die Spannung anpasst.

Der Wechselrichter überträgt auch Leistungsdaten. Diese können Sie sich meist entweder vom Gerät direkt anzeigen lassen oder über ein Online-Portal abrufen.

Wechselrichter gibt es in verschiedenen Ausführungen: Welcher der richtige für Ihre Anlage ist, richtet sich nach deren Größe und Standort, dem Einbeziehen eines Solarspeichers und der Art ihrer Nutzung. So stehen folgende Wechselrichter-Arten zur Auswahl:

Der „ursprüngliche“ Wechselrichter, der von Beginn an Bestandteil von Photovoltaik-Anlagen war. Er besitzt die oben genannten Funktionen und erfüllt mit diesen seine für den PV-Betrieb wichtigen Aufgaben. Gibt es je nach Anlagengröße in den Ausführungen Modul-, String-, Multistring- und Zentral-Wechselrichter. Für Dachanlagen auf Einfamilienhäusern werden meist (Multi)String-Wechselrichter genutzt. Ab 30 kWp und bei Freilandanlagen kommen Zentral-Wechselrichter zur Anwendung.

Kleinste Ausführung des PV-Wechselrichters mit geringer Leistung. Wird mit nur einem Modul verschaltet. Kommt daher vor allem bei Balkonkraftwerken oder mobilen Solaranlagen zum Einsatz. Kann aber auch bei einer großen Solaranlage verwendet werden, wenn dort aufgrund der Verschattung einzelner Module ein String-Wechselrichter zu niedrigeren Erträgen führen würde. Statt diesem lassen sich auch mehrere Mikro-Wechselrichter miteinander verketten. Dieses Vorgehen sollte jedoch nur in Ausnahmefällen gewählt werden. Denn Modul-Wechselrichter sind im Vergleich zu String-Wechselrichter verhältnismäßig teuer. Außerdem sorgt die Kombination mehrerer miteinander verstärkt für Störungen.

Dient dazu, für einen Stromspeicher den vom PV-Wechselrichter erzeugten Wechselstrom in speicherbaren Gleichstrom umzuwandeln. Soll dieser dann genutzt werden, sorgt der Batterie-Wechselrichter im nächsten Schritt für eine Rückumwandlung des gespeicherten Gleichstroms in nutzbaren Wechselstrom. Diese doppelte Umwandlung geht jedoch mit dem Verlust von Energie einher. Einige Modelle verfügen auch über Notstromfähigkeit. Bei Stromausfall versorgen sie das Hausnetz mit Strom aus dem Speicher. Dafür befindet sich der Batterie-Wechselrichter dann aber in permanentem Standby-Betrieb und verbraucht somit mehr Strom als Modelle, die nicht auf Notstromversorgung ausgelegt sind.

Vereint die Funktionen von PV- und Batterie-Wechselrichter in sich. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass Sie somit nur noch einen Wechselrichter brauchen, wenn Sie Ihre PV-Anlage um einen Stromspeicher ergänzen. Sie haben mit ihm auch weniger Energieverluste, da er den Gleichstrom der Module direkt in den Speicher leitet. Die doppelte Stromumwandlung, die bei Verwendung eines Batterie-Wechselrichters stattfindet, entfällt somit. Auch er kann zur Notstromversorgung verwendet werden. Laut HTW Berlin hatten 2023 bereits 82 % der zusammen mit einem Stromspeicher installierten PV-Anlagen einen Hybridwechselrichter.

Die tatsächlichen Kosten für den Wechselrichter hängen von der Qualität des Geräts sowie von der benötigten Leistung ab. Wechselrichter haben aktuell eine Lebensdauer von 14 bis 16 Jahren - meistens also nicht so lange wie die Anlage selbst, sodass mit einem Ersatz des Geräts während der Betriebsdauer der Anlage zu rechnen ist.

Insgesamt sollten die Wechselrichterkosten zwischen 10% und 15% der Gesamtinvestition für die Photovoltaikanlage ausmachen. Als Faustformel können Sie 240 Euro brutto pro kW Wechselrichterleistung als Kosten annehmen. Bei einer 5 kWp Anlage kann man für den Wechselrichter also etwa 1.200 Euro einplanen.

Die Leistungsstärke des Wechselrichters hängt von der Anzahl der Photovoltaik­module und der Leistung der Photovoltaik-Anlage ab. Bei einer optimalen Auslastung des Wechsel­richters reduziert sich der Kosten­anteil vom Wechselrichter an den Kosten für Photovoltaik. Je nach Leistungsbereich stehen Modul­wechselrichter, Strangwechselrichter und Zentralwechselrichter zur Auswahl. 

Die verschiedenen Wechselrichter unterscheiden sich nicht nur in ihrer Funktionsweise, sondern auch in ihrer Nennleistung. Jeder Wechselrichter hat einen bestimmten Leistungsbereich. Vor allem die AC- und DC-Nennleistung sind für die Wechselrichter-Funktionsweise von Belang. Hat ein Wechselrichter eine maximale DC-Nennleistung (Eingangsleistung) von 4 kW, sollten die installierten Solarmodule diesen Wert in der Summe nicht überschreiten. Bei Modulen mit 200 Watt Peak-Leistung können maximal 20 Module an diesen Wechselrichter angeschlossen werden.

Wichtig bei der Dimensionierung: das Verhältnis zur Nennleistung der PV-Anlage. Theoretisch ist bei den meisten Wechselrichter ein Verhältnis von 1:1,5 möglich. Eine Anlage mit einer Nennleistung von 15 kWp kann also mit einem 10 kW-Wechselrichter kombiniert werden. Zu empfehlen ist eine solche Überbelegung jedoch meist nicht. Denn dann kann der Wechselrichter an sehr sonnenreichen Tagen nicht den vollen Ertrag der Module verwerten. Allgemein bewegt sich die Wechselrichter-Leistung in einem Bereich von 70 bis 110 % der Anlagenleistung. Laut HTW-Speichertest liegt sie in den meisten Fällen bei 80 bis 90 %. 

Bei der Ermittlung der richtigen Nennleistung spielen folgende Faktoren eine Rolle: Neigung, Himmelsrichtung und Verschattung des Dachs sowie der Temperaturkoeffizient und Wirkungsgrad des Wechselrichters. Hilfe bei der Berechnung der Wechselrichter-Leistung und der Wahl der für Ihre Anlage passenden Wechselrichter-Schaltung erhalten Sie bei einem Solar-Fach­betrieb. Dieser achtet auch darauf, dass der Wechselrichter nach der IEC 77 genormt ist und einen Spannungsrückgangsschutz hat, damit die Photovoltaik-Anlage nicht ausfällt.

Positioniert man den Wechselrichter möglichst nah an den Photovoltaik-Modulen vermindert man Leistungsverluste durch lange Kabelstrecken. In den meisten Fällen wird der Inverter an einer Kellerwand installiert; bei einer Photovoltaikanlage auf einem Flachdach wird dieser manchmal sogar auf dem Boden aufgestellt. 

In jedem Fall sollte der Wechselrichter leicht erreichbar sein und nicht in einem Wohnraum montiert werden, da der Inverter beim Betrieb relativ laut sein kann. Ein kühler und trockener Standort mit guter Lüftung und wenig Staub schützt den Wechselrichter vor Leistungsabfall und sichert den effizienten Betrieb der Photovoltaik-Anlage.

Es gibt verschiedene Geräte am Markt, deren Wechselrichter-Wirkungsgrad teils erhebliche Unterschiede aufweisen. Dies ist letztlich entscheidend für die Wahl des richtigen Wechselrichters. Denn nicht nur die Effizienz der Solarmodule ist für den solaren Stromertrag von Bedeutung, sondern auch die Funktionsweise der Wechselrichter. Wenn ein Wechselrichter nicht optimal funktioniert, verringert sich der Stromertrag – und damit auch die Einspeisevergütung. 

Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel des gewonnenen Stroms nach der Umwandlung noch nutzbar ist. Bei einem Wirkungsgrad von 97 Prozent beispielsweise wandelt ein Wechselrichter 4 kW Eingangsleistung in 3,880 kW Ausgangsleistung um.

Je höher der Wechselrichter-Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann genutzt und eingespeist werden. Fachleute unterscheiden den Spitzenwirkungsgrad, den europäischen Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad. Der Spitzenwirkungsgrad und der europäische Gesamtwirkungsgrad geben die Leistungsstärke vom Wechselrichter an.

Der Spitzenwirkungsgrad bezeichnet hierbei den maximalen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen. Die optimale Leistung wird in der Praxis allerdings nicht oder nur für kurze Zeiträume erzielt. So ist der Wirkungsgrad kein einheitlicher Wert, sondern ändert sich beständig. Meist arbeitet der Wechselrichter im Teillastbetrieb.

Der europäische Wirkungsgrad ergibt sich aus der Berechnung des Durchschnitts der Wechselrichter-Leistung unter unterschiedlichen Belastungen und Bedingungen. Dieser Wechselrichter-Wirkungsgrad gibt ein repräsentativeres Leistungsbild ab. Ein Manko ist, dass nicht definiert ist, welche Eingangsspannung hierbei genutzt werden muss. "Europäisch" ist dieser Wirkungsgrad, weil die Tests die Standardbedingungen in unseren Breiten berücksichtigen. Es gibt auch den kalifornischen Wirkungsgrad, der in sonnenintensiveren Regionen zur Geltung kommt.

Daher soll der Gesamtwirkungsgrad in Zukunft den europäischen Wirkungsgrad ergänzen oder als Norm sogar ersetzen. Hierbei werden insgesamt 20 verschiedene Spannungszustände gemessen, wodurch sich ein noch realistischeres Leistungsmuster widerspiegeln lässt. Einigen Fachleuten ist dies allerdings noch nicht ausreichend.

Die Techniker des Fachmagazins Photon haben daher einen eigenen Wechselrichter-Test entwickelt - woraus der "Photon Wirkungsgrad" abgeleitet wird. Hierzu werden unter anderem unter Laborbedingungen die gesamten Leistungsbereiche der Eingangsspannung betrachtet, um so ein tatsächliches Wechselrichterverhalten zu kreieren und ein exaktes Bild vom Wechselrichter-Wirkungsgrad zu erhalten. Dieser ist wichtig, um nicht über nur die Leistungskapazität zu informieren, sondern auch über den Kosten-Nutzen-Faktor.

Denn wenn ein 5 Kilowatt-Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent durchschnittlich 30–150 Kilowattstunden an Strom nicht umwandeln kann, summiert sich dieser Betrag bei einem Wechselrichter-Wirkungsgrad von 90 Prozent auf 500 Kilowattstunden im Jahr. Anhand dieses Beispiels aus der Photon verliert man somit mit einem Wechselrichter-Wirkungsgrad von 90 Prozent knapp 4.300 Euro an Einspeisevergütung über den gesamten Vergütungsraum im Gegensatz zu circa 1.285 Euro bei einem effizienteren Wechselrichter – eine Differenz von 3.000 Euro.

Wechselrichter-Tests vom Fachmagazin Photon, aber auch von der Stiftung Warentest haben ergeben, dass die angebotenen Wechselrichter höchst unterschiedliche Erträge bei gleicher Funktionsweise liefern. Liegt das Ergebnis einer optimalen Funktionsweise bei einem Jahreswirkungsgrad von 97-98 Prozent, so gibt es andere Wechselrichter, die nur einen Wirkungsgrad von 90 Prozent haben – bei gleichen Bedingungen auf dem Dach.

Diese Unterschiede in der Funktionsweise sind entscheidend für die Rentabilität und Funktion einer Photovoltaik-Anlage. Eine Beispielrechnung ergibt, dass schon drei Prozent Leistungsunterschied beim Wechselrichter etwa 1.200 Euro Mindereinnahmen in 20 Jahren bei einer Leistung der Anlage von ca. 8–10 kWp zur Folge haben.

Auch die HTW Berlin hat sich Wechselrichter und deren Wirkungsgrad genauer angesehen. Im Zuge ihres Stromspeicher-Tests 2024 untersuchten die WissenschaftlerInnen 2 Batterie- und 18 Hybrid-Wechselrichter. Dabei entdeckten sie, dass der wahre Wirkungsgrad häufig 1 bis 2 Prozentpunkte niedriger als der im Datenblatt angegebene ist. Die bei den untersuchten Wechselrichtern ermittelten Wirkungsgrade reichten von 91,2 bis 97,8 %. 

Zusätzlich wurde geschaut, wie diese im Teillastbetrieb arbeiten. Denn nachts liegt der Stromverbrauch nur bei durchschnittlich 100 bis 300 Watt. Ein Wechselrichter sollte also auch in diesem Bereich schon möglichst effizient funktionieren. Bei den getesteten zeigten sich jedoch teils deutliche Unterschiede: So lag beispielsweise bei einem Wechselrichter der Wirkungsgrad hier bei 86 bis 96 %, während ein anderer lediglich 54 bis 79 % erreichte.

AC ist das Kürzel für Wechselstrom (engl. für alternating current). Wechselstrom ändert seine Polarität in regelmäßigen Abständen.

AC-seitig bezeichnet aus technischer Sicht alle Komponenten einer Photovoltaik-Anlage, die nach bzw. hinter den Wechselrichter (auf der Wechselstrom-Seite) geschaltet sind. 

In der Anlagenplanung und Installation einer PV-Anlage werden Aufgaben begrifflich in "AC-seitig" und "DC-seitig" unterteilt. AC-seitig sind vor Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage u. a. die Netzverträglichkeitsprüfung, die Einspeisezusage, Gestattungsverträge sowie der Netzanschluss am Verknüpfungspunkt vorzunehmen.

AC-Nennleistung ist eine Kenngröße, die das Leistungsvolumen des Wechselrichters bezeichnet, Gleichstrom der Photovoltaik-Anlage in einspeisefähigen Wechselstrom zu transformieren. Die AC-Nennleistung wird aus Gründen der besseren Verständlichkeit oftmals auch als Ausgangsleistung eines Wechselrichters bezeichnet.

Die Leistung einer Photovoltaikanlage ist abhängig vom Wirkungsgrad des Wechselrichters. Dieser liegt bei modernen Modellen in der Regel bei über 95 Prozent. Je höher der Wirkungsgrad, desto besser und effizienter die AC-Nennleistung einer Photovoltaikanlage.

DC (direct current) ist die Abkürzung für Gleichstrom. Gleichstrom ist dadurch gekennzeichnet, dass sich Richtung und Stärke nicht ändern. Erzeuger von Gleichstrom ist unter anderem die Solarzelle.

DC-seitig bezeichnet aus technischer Sicht alle Komponenten einer Photovoltaikanlage, die vor den Wechselrichter (auf der Gleichstrom Seite) geschaltet sind. Dazu zählen hauptsächlich Solarmodule und Solarkabel. In der Anlagenplanung und Installation wird begrifflich in DC-seitige und AC-seitige Arbeiten unterschieden. DC-seitig werden u. a. die Dachstatik überprüft und PV-Module indach oder aufdach montiert bis hin zur Inbetriebnahme der Anlage. Für den reinen Inbetriebnahmezeitpunkt einer PV-Anlage sind AC-seitige Arbeiten praktisch nicht erforderlich.

DC-Nennleistung, auch Eingangsleistung genannt, ist einer mehrerer Kennwerte, welche die Effektivität eines Wechselrichters bei der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) angeben. Die DC-Nennleistung eines Wechselrichters sollte der Generatorleistung einer Photovoltaikanlage entsprechen.

Blindleistung entsteht bei der Übertragung von Energie mit Hilfe von Wechselstrom. Blindleistung bezeichnet dabei (im Unterschied zur Wirkleistung) eine elektrische Energiemenge pro Zeit, die nicht verbraucht werden kann.

Für Betreiber einer Photovoltaikanlage, die ihren Strom in das öffentliche Stromnetz einspeisen, hat Blindleistung Einfluss auf die Wahl des Wechselrichters. Laut Mittelspannungsrichtlinie des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft müssen Photovoltaikanlagen seit Juli 2010 Blindleistung bereitstellen können, sofern diese auf der Mittelspannungsebene Strom einspeisen.

Mehr zur Funktionsweise der Wechselrichter wissen Fachbetriebe für Photovoltaik. Bei der Planung einer Photovoltaikanlage ist auch die genaue Berechnung vom Wechselrichter für optimale Funktion entscheidend.

Über die Effizienz einer Photovoltaik-Anlage entscheidet aber nicht nur die richtige Wahl des Wechselrichters. Es muss auch das Dach für Photovoltaik bestimmte Voraussetzungen erfüllen, bevor die Montage der Photovoltaikanlage stattfindet. Weiterhin muss unbedingt die Hauselektrik auf dem neuesten Stand sein.