Photon 7/2010

Einkauf | Wechselrichtertest
Gelungener Einstand
Gleich nach dem Verkaufsstart brachte
Fronius ein Exemplar aus seiner ersten trafolosen
Wechselrichterbaureihe im PHOTON-Labor vorbei:
Der IG TL 5.0 gab dort eine sehr gute Vorstellung
DAS SOLARSTROM-MAGAZ I N
sehr gut
96,2 % für hohe Einstrahlung
7/2010
www.photon.de
DAS SOLARSTROM-MAGAZ I N
sehr gut
95,9 % für mittlere Einstrahlung*
7/2010
www.photon.de
* bei Messung mit aufsteigender Leistung (siehe Artikel unter »MPPT-Anpassungswirkungsgrad«) liegt der PHOTON-Wirkungsgrad mit 95,7 Prozent etwas niedriger,
entspricht aber ebenfalls der Note »sehr gut«
Für Querleser
• Der IG TL 5.0 ist ein Wechsel­
richter für Photovoltaikanlagen ab
ungefähr 4,6 Kilowatt. Er eignet sich
trotz seiner trafolosen Topologie
(mit Einschränkungen) auch für
Dünnschichtmodule.
• Das Gerät ist zur einfachen
Montage und Wartung in zwei
Teile gegliedert. Eine sehr
informative Installations- und
Bedienungs­anleitung sowie ein
übersichtliches Display mit vielen
abrufbaren Daten erleichtern die
Handhabung.
• Seine besten Wirkungsgrade
erreicht der IG TL 5.0 im Bereich
niedriger Spannungen. Bei höheren
Spannungen und vor allem im
Bereich kleinster Leistungen gibt
es stellenweise deutliche Ver­
luste. Werden die verschiedenen
Eingangsleistungen aufsteigend
vorgegeben, arbeitet das MPPTracking weniger akkurat als bei
absteigender Leistung.
• Die Gehäuseschutzklasse IP 55 und
eine sehr geringe Abhängigkeit der
Effektivität von der Betriebs- und
Umgebungstemperatur ermögli­
chen viele verschiedene Installa­
tionsorte.
40
I
m Juni 2009 präsentierte die Fronius International GmbH aus dem österreichischen Wels ihre ersten trafolosen Wechselrichter auf der Intersolar. Es dauerte
dann noch ein gutes halbes Jahr, bis die
vier Gerätetypen der »IG TL«-Baureihe
käuflich zu erwerben waren. »Testphase«
lautete die offizielle Begründung, die es
allerdings schwer hatte gegen die Lesart,
dass auch Fronius unter der Knappheit
wichtiger Bauteile zu leiden hatte. Der IG
TL 5.0, den das PHOTON-Labor im März
dieses Jahres im Rahmen der hierfür üblichen Testvereinbarung überlassen bekam,
war jedenfalls einer der ersten seiner Art.
Somit ist also auch Fronius in die Gilde
der Hersteller eingetreten, die Geräte mit
trafoloser Topologie anbieten. Darüber
hinaus präsentiert die »IG TL«-Reihe aber
auch noch weitere Innovationen. Insbesondere der zweigeteilte Aufbau, bei dem
die Gerätefront mitsamt der Leistungselektronik abgenommen werden kann,
ohne dass die Rückfront mit den ACund DC-Anschlüssen demontiert werden
muss, ist eine nicht alltägliche Idee. Und
weil außerdem die Angaben auf dem Datenblatt sehr gute Werte ausweisen, war
die Neugier groß, wie der Novize sich im
Testlabor behaupten würde.
Aufbau
Zur »IG TL«-Baureihe gehören neben
dem IG TL 5.0 mit 4.600 Watt AC-Nennleistung noch der IG TL 3.0 mit 3.000,
der IG TL 3.6 mit 3.600 und der IG TL
4.0 mit 4.000 Watt. Alle vier Modelle
der Familie beruhen auf einer Schaltung
ohne Netztrenntrafo und gleichen sich
ansonsten hinsichtlich Aufbau, Abmessungen und Gewicht.
Der Testkandidat ist übersichtlich und
fertigungsfreundlich aufgebaut. Gleich
als Erstes fällt dem Anwender natürlich
das ungewöhnliche Konzept für Wandhalterung und Leistungsanschluss auf:
Es gibt eine Halterung mit integriertem
Leistungsanschluss in Form von Klemmblöcken. Das Gegenstück dieser Blöcke
befindet sich auf der Unterseite der Leistungsteilbox. Bei der Montage wird also
zuerst die Wandhalterung befestigt, danach erfolgt das Anklemmen der Leistungsanschlüsse an die Klemmen auf
dieser Halterung. Der eigentliche Wechselrichter befindet sich in einer Box, die
über vier Führungen in die Wandhalterung geschoben wird und dabei in den
Klemmblöcken einrastet. Zum Schluss
erfolgt die Sicherung der beiden Teile
durch sechs Schrauben. Auf diese Weise sollen Service und Wartung erleichtert werden: Bei den meisten anfallenden
Arbeiten kann das Kernstück des Geräts
einfach aus der Halterung gehoben und
gegen ein Ersatzgerät (in das beispielsweise schon eine neue Platine integriert
ist) getauscht werden.
Die Box mit der zentralen Einheit
des Geräts hat eine eigene Abdeckung.
Nimmt man sie ab, blickt man auf das
PHOTON Profi Juli 2010
90
90
83
83
76
76
68
62,8
57,8
68
62,8
60
57,8
60
52
Verena Körfer / photon-pictures.com (3)
52
44
44
36
36
28
28
20
20
Der IG TL 5.0 wird mit dem Rückteil an der Wand befestigt, in dem auch die Leistungsanschlüsse und ein Steckplatz für die Kommunikationsleiterkarte
untergebracht sind. Die Box mit dem eigentlichen Wechselrichter wird dann nur noch eingeschoben. Das Innere des Geräts erwärmt sich im Betrieb nur
unbedeutend.
Innere des Wechselrichters und sieht
zuunterst die Filterleiterkarte. Sie trägt
Leistungsanschlüsse, DC- und AC-seitige Funkentstörfilter sowie sechs Paare
von String-Sicherungen. Von der Filterleiterkarte wird hochkontaktiert auf die
eigentliche Leistungsleiterkarte, die sich
in der oberen Ebene befindet und auch
die Steuerung enthält. Unterhalb davon
ist ein Transistormodul eingelötet, das
seine Verlustwärme über einen kleinen
Kühlkörper unterhalb der Box abgeben
kann. Die Drosseln des Tiefsetzstellers
und des Sinusfilters sind oberhalb der
Leistungsleiterkarte in einem Einsatz
innerhalb der Box eingegossen. Auf der
Ebene der Leiterkarten befindet sich ein
kleiner, gleichstrombetriebener Lüfter
zur Verteilung der Wärme innerhalb der
Box. An der Unterseite des Geräts, also in
dem an der Wand befestigten Rückteil,
ist ein DC-Trennschalter montiert. Daneben findet sich eine Einschubbox für
die Kommunikationsleiterkarte.
Das Gehäuse besteht somit aus drei
Teilen: der Wandhalterung, der als Kunststoffformteil ausgeführten Zentralbox
und deren Abdeckung aus Aluminiumblech. Das Gerät besitzt die Schutzart IP
55, eignet sich also auch für die Montage
an einem geschützten Ort im Freien.
Sowohl der kleine Innenlüfter als auch
der Kühlkörperlüfter sind bei einem Ausfall leicht demontier- oder austauschbar.
Der Kühlkörperlüfter ist aber den Umgebungsbedingungen ausgesetzt, kann
PHOTON Profi Juli 2010
sich in besonders staubhaltiger Umgebung also zusetzen und stehen bleiben.
Insgesamt sechs String-Leitungen
und die drei Netzleitungen werden in das
Gehäuse geführt und direkt auf Reihenklemmen gelegt. Alle Leitungen werden
intern zugentlastet.
Für die Sicherheit sorgen die Netzüberwachung mit allstromsensitivem
Fehlerstromschutz und eine nach DIN
VDE 0126-1-1 ausgeführte DC-seitige
Isolationsüberwachung. Das Netz wird
auf korrekte Impedanz, Spannung, Frequenz und korrekten DC-Anteil im ACStrom überprüft, die Überwachung des
Fehlerstroms erfolgt nach Absolutwert
und Änderungsamplitude. Eine Isolationsprüfung des Solargenerators vor jedem Aufschalten auf das Netz prüft den
Widerstand zwischen den Anschlüssen
des Generators und der Erde. Ein ungewöhnliches Merkmal der »IG TL«-Wechselrichter ist das kontinuierliche Abgleichen und Auswerten der Ströme aller angeschlossenen Strings.
Die eingesetzten Elektrolytkondensatoren im Leistungsteil gehören der Temperaturklasse 105 Grad Celsius an und
sind damit, bezogen auf die Umgebungstemperatur, gut ausgelegt.
Der Gerätezustand wird durch ein Display und drei LEDs vermittelt. Der Wechselrichter besitzt eine USB-Schnittstelle,
einen Zwölf-Volt-Meldeausgang sowie einen »Solar Net«-Ein- und -Ausgang. Ein
Software-Update kann sehr einfach instal-
liert werden, indem die jeweils neue Version von der Fronius-Homepage auf einen
USB-Stick geladen und dann über die USBSchnittstelle an das Gerät übertragen wird.
Die »Solar Net«-Anschlüsse dienen zur Einbindung in das »Datcom«-System von Fronius, also zum Beispiel der Kommunikation mit weiteren Wechselrichtern oder einer
Sensorbox mit Einstrahlungs- und Temperatursensor. Der Zwölf-Volt Meldeausgang
(Schließerkontakt) steht zum Anschluss
von Signalhupen, Meldelampen oder Installationsrelais zur Verfügung.
Handhabung
Das Gerät kommt gut verpackt und
durch zwei Styroporhalbschalen geschützt beim Anwender an. Die Befestigung der Wandhalterung, auf der sich
der Anschlussbereich befindet, und das
Einsetzen des Leistungsteils bereiten keine Probleme. Mit 19,1 Kilogramm ist der
IG TL 5.0 recht leicht.
Ist der Solargenerator richtig ausgelegt und der interne DC-Freischalter betätigt, kann der Wechselrichter an den
Start. Circa 52 Sekunden benötigt er für
verschiedene Tests, dann beginnt er mit
der Arbeit.
Das Display liegt in der Ebene der
Frontabdeckung, hat eine orange Hinterleuchtung und ist sehr gut ablesbar.
Als Bediensprachen sind Deutsch und
Englisch wählbar, weitere Sprachen sind
geplant. Das Display wird aktiv, sobald
41
Einkauf | Wechselrichtertest
Umwandlungswirkungsgrad
η áå=B
s
NKMMM
NMM
VR
UMM
VM
Die höchsten Werte erreicht der IG TL 5.0 bei
SMM
UR
QMM
niedrigen MPP-Spannungen; ab circa 424 aáÉëÉå=qÉñí=ìåÇ=ÇÉå=o~ÜãÉå=ê~ìëåÉÜãÉåK=aÉê=o~ÜãÉå=áëí=NNIQ=Åã=ÄêÉáíI=~äëç=ëç=ÄêÉáí=ïáÉ=ÇáÉ
Volt
UM
OMM
führt das Zuschalten des Tiefsetzstellers zuO=pé~äíÉå=áã=eÉÑí=ìåÇ=áå=ÇáÉëÉê=dê∏≈É=ëçää=Ç~ë=aá~Öê~ãã=~ÄÖÉÇêìÅâíI=~äëç=Ç~ë=aá~Öê~ãã=åáÅÜí=òççãÉå
EfTR
M
TM
fektivitätsverlusten
M O Q S U NM NO ât
NM
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PM
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SOS
SOS
SMU
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M
η áå=B
B=kÉååäÉáëíìåÖ=EmjmmF
=
=
× MPPT-Anpassungs­
wirkungsgrad (absteigend)
rjmm=áå=s
rjmm=áå=s
Die konstante Arbeit des MPP-Trackers führt
(bei absteigenden Leistungsvorgaben) zu einem
Gesamtwirkungsgradverlauf, der auf einem minimal geringeren Niveau demjenigen des Umwandlungswirkungsgrads entspricht
PM
ηpìã=áå=B
NMM
VR
VM
UR
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PM
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NKMMM
=
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SMM
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=
= Gesamtwirkungsgrad
OM
QM
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UM
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NMM
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M
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ηpìã=áå=B
=
TMM
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RRP
RPQ VV
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QVT
QTV
QSN
QQO
QOQ
QMR
PUT
PSU
PRM
NM
Werden verschiedene Eingangsleistungen
beginnend beim höchsten und absteigend zum
niedrigsten Wert vorgegeben, erreicht der IG TL
5.0 nahezu konstant mehr als 99 Prozent
42
=
rjmm=áå=s
=
B
NMM
VU
VS
VQ
VO
VM
UU
US
UQ
UO
UM
TU
TS
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TO
TM
M
PHOTON Profi Juli 2010
rjmm=áå=s
TMM
SUO
SSP
SQR
SOS
SMU
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RTN
RRP
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QTV
QSN
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PUT
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PRM
VV
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NM
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PM
QM
RM
SM
TM
UM
B=kÉååäÉáëíìåÖ=EmjmmF
Netzspannung anliegt, und schaltet sich
nach zwei Minuten ohne Bedienung ab.
Im Set-up-Menü besteht die Möglichkeit, die Displaybeleuchtung dauerhaft
ein- oder auszuschalten. Mithilfe der vier
Bedientasten können diverse Einstellungen vorgenommen werden.
Es stehen viele Messwerte in übersichtlicher Form zur Verfügung. Neben
diversen Status- und Fehlermeldungen
werden im Anzeigemodus »Jetzt« folgende Istwerte angezeigt: eingespeiste Leistung, Netzspannung, Ausgangsstrom,
Netzfrequenz, Generatorspannung und
-strom. In Kombination mit einer »Fronius Sensor Box« sind zudem Modultemperatur, Umgebungstemperatur und
Einstrahlung ablesbar. Auch Datum und
Uhrzeit werden angezeigt.
Im Anzeigemodus »Heute« informiert
das Display über die Betriebsdauer, die
eingespeiste Energie, den Geldwert des
Ertrags und einen Schätzwert zur CO2 Einsparung sowie die Maximalwerte für
Ausgangsleistung, Netzspannung und
Generatorspannung. In Verbindung mit
der »Sensor Box« lassen sich zudem Maximal- und Minimalwerte von Modulund Umgebungstemperatur sowie der
Maximalwert der Einstrahlung abrufen.
Bedienungsanleitung
Zum Gerät gehört eine sehr umfangreiche und sehr informative Bedienungsanleitung in deutscher Sprache. Sie gilt für die
gesamte »Fronius IG TL«-Familie und enthält neben technischen Daten und allgemeinen Informationen eine Beschreibung
von Installation, Inbetriebnahme und Bedienung des Wechselrichters nebst Hinweisen zu Fehlerbehebung und Wartung.
Die Bedienungsanleitung kann in
folgenden Sprachen von der Website
des Herstellers heruntergeladen werden:
Deutsch, Englisch, Französisch, Italienisch, Niederländisch, Spanisch und
PHOTON Profi Juli 2010
VM
NMM
NNM
NOM
B
NMM
VU
VS
VQ
VO
VM
UU
US
UQ
UO
UM
TU
TS
TQ
TO
TM
M
Tschechisch. Die technischen Datenblätter gibt es zusätzlich auch in Griechisch
und Portugiesisch.
Schaltungsaufbau
Der IG TL 5.0 folgt einem zweistufigen Schaltungskonzept ohne Netztrenntrafo und mit einem MPP-Tracker für alle
Strings. Zunächst gelangt die Energie des
Photovoltaikgenerators über einen Funkentstörfilter zu einem als DC/DC-Wandler dienenden Tiefsetzsteller, der die Eingangsspannung auf eine DC-Spannung
von maximal 440 Volt heruntersetzt und
einen Spannungszwischenkreis speist,
an dem die Ausgangsbrücke angeschlossen ist. Im MPP-Spannungsbereich von
350 bis 440 Volt wird der Tiefsetzsteller
durch ein Relais überbrückt, was einen in
Abhängigkeit von der Leistung um circa
0,7 bis 1,4 Prozentpunkte höheren Umwandlungswirkungsgrad
ermöglicht.
Die Ausgangsbrücke schaltet über einen
nachgeschalteten Ausgangsfilter eine
pulsweitenmodulierte Spannungskurve
sinusförmig an das Netz. Alle Leistungshalbleiter befinden sich in einem Halbleitermodul.
Eine nachfolgende selbsttätige Schaltstelle aus vier AC-Ausgangsrelais (jeweils
zwei in Serie für Neutral- und Phasenleiter) trennt den Wechselrichter normkonform vom Netz, sobald die Netzspannung,
die Netzfrequenz oder die Netzimpedanz
von den vorgegebenen Grenzwerten abweicht. Das Gleiche gilt, wenn ein Fehlerstrom auf der Gleichspannungs- oder
Netzseite vorliegt. Ein an den Netzklemmen angeordneter Ausgangsfilter beseitigt auftretende Funkstörungen.
Messungen
Alle nachfolgenden Messungen beziehen sich auf eine Netzspannung von
230 Volt. Die maximale DC-Spannung
MPPT-Anpassungs­
wirkungsgrad (aufsteigend)
Werden die verschiedenen Leistungswerte
von unten nach oben durchprobiert, verliert das
MPP-Tracking des IG TL 5.0 vor allem im Bereich
niedriger Leistungen und Spannungen deutlich
an Präzision; bei diesem Testablauf fällt auch
der PHOTON-Wirkungsgrad etwas geringer aus
des IG TL 5.0 beträgt 850 Volt, die DCNennleistung beträgt 4.730 Watt. Maximal kann er eine Generatorleistung von
5.250 Watt aufnehmen.
Je nachdem, ob die DC-Leistung aufsteigend oder abfallend vorgegeben wurde, ergaben sich bei diesem Gerät Unterschiede im MPP-Tracking. Sie haben zwar
nur leichte, aber durchaus signifikante
Änderungen zur Folge und beeinflussen
auch den PHOTON-Wirkungsgrad. Deshalb werden beide Fälle dokumentiert.
Auffinden des MPP: Zu Beginn der Messung waren DC- und AC-Seite ausgeschaltet. Bei einer vorgegebenen Kennlinie mit Nennleistung und einer MPPSpannung von 515 Volt benötigt der
Wechselrichter nach Ablauf der rund 52
Sekunden, die bis zum Aufschalten auf
das Netz vergehen, weitere 53 Sekunden
zum Erreichen des MPP. Der Wechsel
von 515 Volt zur nächstniedrigeren Stufe von 497 Volt dauert 61 Sekunden, der
nächsthöhere MPP-Bereich von 533 Volt
ist nach 77 Sekunden erreicht.
MPP-Bereich: Der MPP-Bereich reicht
von 350 bis 700 Volt und entspricht dem
eines Weitbereich-Wechselrichters. Der
Abstand des oberen Werts zur maximalen DC-Spannung von 850 Volt ist nicht
ganz ausreichend.
Umwandlungswirkungsgrad: Der Wechselrichter kann im MPP-Spannungsbereich von 350 Volt bis 700 Volt mit 110
Prozent seiner Nennleistung arbeiten.
Für diesen Bereich konnte also der Wirkungsgrad ermittelt werden.
Ein schmaler, von links unten nach
rechts oben schraffierter Bereich im Diagramm weist auf Einschränkungen des
MPP-Spannungsbereichs beim Einsatz
von kristallinen Modulen hin, der entgegengesetzt schraffierte Bereich zeigt Einschränkungen beim Einsatz von Dünnschichtmodulen aufgrund des zu geringen Abstands von maximaler MPP-Spannung und maximaler DC-Spannung an.
43
Einkauf | Wechselrichtertest
Gewichteter
Umwandlungswirkungsgrad
Der Europäische Wirkungsgrad verläuft über
den gesamten MPP-Bereich auf ebenso hohem
Niveau wie der Kalifornische – das Zuschalten
des Hochsetzstellers bringt aber einen deutlich
sichtbaren Knick in der Linie mit sich
dÉïáÅÜíÉíÉê=rãï~åÇäìåÖëïáêâìåÖëÖê~Ç=ηbìêçI=η`b`=áå=B
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Gesamtwirkungsgrad bei
unterschiedlichen
Spannungen UMPP
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ηpìãj~ñ
VU
VS
VQ
Bei niedrigen Spannungen fühlt der IG TL 5.0
sich wohler als bei hohen Werten; insgesamt
verlaufen die Kurven aber so, wie es sein soll:
steil ansteigend und dann auf konstant hohem
Niveau (die Grafik zeigt den Verlauf bei Messung
mit abfallenden Leistungsvorgaben)
VO
VM
UU
US
UQ
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==rjmm=Z=PRMIM=s=ErjmmãáåF
ηpìãj~ñ=Z=VTIVT=B
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==ÇìêÅÜëÅÜåáííäáÅÜÉê=dÉë~ãíïáêâìåÖëÖê~Ç=η^îÖpìãj~ñ Z=VSIRQ=B
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TQ
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TM
Genauigkeit der
Wechselrichteranzeige
=
Sehr brauchbar ist die Leistungsanzeige des
Fronius-Inverters, sie arbeitet mit gleichmäßig
hoher Genauigkeit
44
R
NM
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JNS
JNU
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JOO
JOQ
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JOU
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R NM NR
OM
OR
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QR
RM
RR SM SR TM TR
B=kÉååäÉáëíìåÖ=EmjmmF
UM
UR
VM
VR NMM NMR NNM NNR NOM
PHOTON Profi Juli 2010
Der Bereich des maximalen Wirkungsgrades bildet im Leistungsbereich
von 25 bis 105 Prozent ein Plateau, das
bis zu einer MPP-Spannung von 424 Volt
reicht. Bei höheren Spannungen wird
der Tiefsetzsteller zugeschaltet, der Umwandlungswirkungsgrad fällt um 0,7 bis
1,4 Prozentpunkte.
Die senkrechte Schnittlinie bei 60
Prozent der Nennleistung und die waagerechte Schnittlinie bei 350 Volt MPPSpannung treffen einander im Wirkungsgradmaximum von 98,0 Prozent.
Die Herstellerangabe für den maximalen Wirkungsgrad von 97,7 Prozent wurde damit deutlich überschritten. Zu großen MPP-Spannungen hin nimmt der
maximale Umwandlungswirkungsgrad
um circa 2,1 Prozentpunkte ab. Bei kleinen Leistungen unterhalb 15 Prozent der
Nennleistung fällt der Wirkungsgrad um
fünf bis acht Prozentpunkte. Es stellte
sich bei Nennleistung ein Leistungsfaktor cos ϕ von circa eins ein.
Gewichteter Umwandlungswirkungsgrad:
Der Europäische Wirkungsgrad (mit Gewichtung für mittlere Einstrahlung) ist
maximal im Bereich kleiner MPP-Spannungen und übertrifft mit 97,4 Prozent
die Herstellerangabe von 97,3 Prozent.
Die Differenz zwischen maximalem
Umwandlungswirkungsgrad und maximalem Europäischem Wirkungsgrad beträgt nur 0,6 Prozentpunkte. Der Kalifornische Wirkungsgrad (mit Gewichtung
für hohe Einstrahlung) erreicht ein Maximum von 97,5 Prozent, die höchsten
Werte liegen auch hier im Bereich kleiner
MPP-Spannungen. Deutlich ist im Diagramm der Abfall der Kurve beim Einsetzen des Tiefsetzstellers zu sehen.
MPPT-Anpassungswirkungsgrad:
Der
MPPT-Anpassungswirkungsgrad ist bei
Messung mit abfallenden Leistungsvorgaben über den gesamten Arbeitsbereich
sehr gleichmäßig und sehr hoch. Eine geringfügige Ausnahme gibt es nur bei kleinen Leistungen und MPP-Spannungen
im Bereich des Umschaltens des Tiefsetzstellers. Ansonsten beträgt die MPP-Leistung des Wechselrichters immer über 99
Prozent der vorgegebenen Leistung.
Bei aufsteigenden Leistungsvorgaben
sieht der MPPT-Anpassungswirkungsgrad
etwas ungleichmäßiger aus. Er fällt bei kleinen Leistungen im Bereich des Umschaltens des Tiefsetzstellers sowie bei höheren
Spannungen ab. Ansonsten liegen die Werte auch hier immer über 99 Prozent.
Gesamtwirkungsgrad: Der Bereich der
höchsten Gesamtwirkungsgrade ist bei
kleinen MPP-Spannungen zu finden.
Die senkrechte Schnittlinie bei 60 Prozent der Nennleistung und die waagePHOTON Profi Juli 2010
rechte bei 350 Volt MPP-Spannung – also
am unteren Rand des MPP-Spannungsbereichs – markieren in ihrem Schnittpunkt das Gesamtwirkungsgradmaximum von 98,0 Prozent.
Gesamtwirkungsgradverläufe, durchschnittlicher Gesamtwirkungsgrad und PHOTON-Wirkungsgrad: Der PHOTON-Wirkungsgrad
für mittlere Einstrahlung und abfallend
simulierte DC-Leistungen beträgt 95,9
Prozent, für hohe Einstrahlung werden
96,2 Prozent erreicht. Bei aufsteigend
simulierter DC-Leistung liegt der PHOTON-Wirkungsgrad für mittlere Einstrahlung um 0,2 Prozentpunkte niedriger, also bei 95,7 Prozent.
Einspeisung der Nennleistung: Der Wechselrichter speist über den Eingangsspannungsbereich von 350 Volt bis 700 Volt
und bei einer Umgebungstemperatur
von 25 Grad Celsius 100 Prozent seiner
Nennleistung ein.
Angezeigte Ausgangsleistung: Wird der
Testkandidat bei konstanter MPP-Spannung von 515 Volt, also im mittleren Bereich, nacheinander mit unterschiedlichen Leistungen von 5 bis 110 Prozent seiner Nennleistung gespeist, ergeben sich
beim Abgleich der vom Gerät gemessenen
und angezeigten Werte mit einem Leistungsanalysator im gesamten Leistungsbereich nur geringfügige Abweichungen.
Die Differenz liegt zwischen plus 0,7 und
minus 1,4 Prozent. Damit entspricht die
Anzeigegenauigkeit einem Zähler der Genauigkeitsklasse B, früher Klasse 1.
In der Bedienungsanleitung ist hierzu
erwähnt, dass die Messvorrichtung des
Wechselrichters nicht geeicht ist und somit eine geringe Abweichung bis zu einigen Prozentpunkten auftreten kann
– ein Hinweis, den man sich auch von
anderen Herstellern wünscht, zumal deren Geräte häufig weniger akkurat messen als der IG TL 5.0.
Betrieb bei höherer Umgebungstemperatur:
Der Hersteller gibt mit minus 20 bis plus
55 Grad Celsius einen weiten zulässigen
Temperaturbereich vor. In Kombination
mit der Schutzart IP 55 ermöglicht dies
eine Montage an potenziell sehr kalten
oder sehr warmen Orten, beispielsweise unter dem Dach, aber auch im Freien.
Eine temperaturbedingte Leistungsreduzierung muss dabei nicht berücksichtigt
werden: Erhöht man die Umgebungstemperatur, speist der Fronius-Inverter
bis zu circa 55,3 Grad Celsius mit 100
Prozent seiner Nennleistung ins Netz
ein. Dann reduziert er seine Leistung, der
Wirkungsgrad fällt aber lediglich um circa 0,4 Prozentpunkte. Der gewählte Arbeitspunkt lag bei 4.730 Watt DC-Leistung und 515 Volt MPP-Spannung.
Kommentar des Herstellers
Die Wirkungsgradmessungen stimmen sehr gut
mit unseren Messergebnissen überein. Das unterschiedliche MPP-Tracking-Verhalten im sehr
kleinen Leistungsbereich ist in unserem Labor
und bei den Untersuchungen am AIT (ehemals
Arsenal Research) nicht gemessen worden. Wir
werden dieses Testergebnis noch genau prüfen
und im Detail analysieren.
Überlastverhalten: Bietet man dem IG
TL 5.0 bei 515 Volt MPP-Spannung und
einer Umgebungstemperatur von 27
Grad Celsius eine Überlast des 1,3-Fachen seiner Eingangsnennleistung an,
also 6.149 Watt, begrenzt er auf 5.245
Watt, was 10,9 Prozent über der DCNennleistung von 4.730 Watt liegt. Damit entspricht der Überlastbereich dieses
Geräts knapp der Definition für »groß«.
Bei der Leistungsbegrenzung verschiebt
es den Arbeitspunkt auf der Kennlinie in
Richtung höherer Eingangsspannung.
Die DC-Spannung stellt sich auf einen
Wert von circa 568 Volt ein.
Eigen- und Nachtverbrauch: Der Eigenverbrauch beträgt im getesteten Grundbauzustand bis zu acht Watt auf der ACSeite und 2,6 Watt auf der DC-Seite. Der
Hersteller macht hierzu keine Angabe.
Nachts zieht der Wechselrichter rund
0,3 Watt Wirkleistung aus dem Netz, hier
gibt der Hersteller 0,2 Watt an.
Thermografie: Die Thermografie zeigt
eine Draufsicht des Wechselrichters,
während er bei einer Umgebungstemperatur von 26 Grad Celsius mit Nennleistung arbeitet, wobei wegen des mehrlagigen Aufbaus nicht das gesamte Innenleben vermessen werden kann. Es sind
Bauteiltemperaturen bis zu 62,8 Grad
Celsius auf den Leiterkarten erkennbar.
Diese Werte sind für Leistungselektronik
unbedeutend. Die Elektrolytkondensatoren im Leistungsteil lagen im blauen
Bereich der Temperaturskala.
Fazit
Der Aufbau des Fronius IG TL 5.0 ist
übersichtlich und fertigungsfreundlich.
Wandhalterung und Leistungsanschluss
folgen einem ungewöhnlichen Konzept,
bei dem noch abzuwarten bleibt, ob es sich
in der Praxis durchsetzt.
Der maximale Umwandlungswirkungsgrad von 98,0 Prozent ist ein sehr
guter Wert, der sich jedoch nur im niedrigsten Spannungsbereich findet. Die
höchsten Umwandlungswirkungsgrade
erreicht das Gerät bei MPP-Spannungen
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Einkauf | Wechselrichtertest
zwischen 350 und 424 Volt, also dort, wo
der als DC/DC-Wandler fungierende Tiefsetzsteller durch ein Relais überbrückt ist.
Zu kleinen Leistungen hin fällt der Umwandlungswirkungsgrad um fünf bis acht
Prozentpunkte, zu hohen MPP-Spannungen hin um 2,1 Prozentpunkte.
Der Europäische Wirkungsgrad weicht
gegenüber dem maximalen Umwandlungswirkungsgrad nur um 0,6 Prozentpunkte
nach unten ab. Durch den gleichmäßigen
und hohen MPPT-Anpassungswirkungsgrad ergibt sich für den Gesamtwirkungsgradverlauf ein nahezu gleicher Verlauf
wie für den Umwandlungswirkungsgrad.
Der vom Hersteller spezifizierte MPPSpannungsbereich von 350 bis 700 Volt hat
einen fast ausreichenden Abstand zur maximalen DC-Spannung des Wechselrichters von 850 Volt und ist mit der Voraussetzung eines Füllfaktors von 75 Prozent
für kristalline Module bis 680 Volt und für
Dünnschichtmodule bis 629 Volt nutzbar.
Wird die DC-Leistung abfallend simu-
liert, fällt der PHOTON-Wirkungsgrad für
mittlere Einstrahlung mit 95,9 Prozent sehr
hoch aus. Die Differenz von circa 2,1 Prozentpunkten zwischen maximalem Umwandlungswirkungsgrad und PHOTONWirkungsgrad ist allerdings ein Maß für eine
doch recht deutliche Spannungs- und Leistungsabhängigkeit des Wirkungsgrades.
Der PHOTON-Wirkungsgrad für hohe
Einstrahlung liegt mit 96,2 Prozent noch
etwas höher.
Wird die DC-Leistung aufsteigend simuliert, sinkt bei kleinen Leistungen der
MPPT-Anpassungswirkungsgrad. In der
Folge fällt auch der PHOTON-Wirkungsgrad für mittlere Einstrahlung mit 95,7
Prozent etwas niedriger aus. Der Hersteller arbeitet nach eigenen Angaben an einer
genauen Analyse (siehe »Kommentar des
Herstellers«). Der PHOTON-Wirkungsgrad
für hohe Einstrahlung war bei aufsteigenden Leistungen identisch.
Für die Auslegung des MPP einer Photovoltaikanlage sollte das untere Drittel des
MPP-Spannungsbereichs gewählt werden.
In diesem Bereich ist auch der Gesamtwirkungsgrad maximal.
Der IG TL 5.0 besitzt mit 110,9 Prozent
einen großen Überlastbereich. Die Anzeige
der Wechselrichterausgangsleistung weist
über den gesamten Leistungsbereich eine
gute Genauigkeit auf.
Mit 0,4 Prozentpunkten ist die Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrads gering. Der nutzbare Umgebungstemperaturbereich fällt mit minus 20 bis plus 55
Grad Celsius groß aus, eine Leistungsreduzierung ist hierbei nicht zu beachten.
Fronius hat somit einen leichten, gut
handhabbaren Wechselrichter mit einem
sehr guten PHOTON-Wirkungsgrad im Programm, der in der Notenübersicht der bisherigen PHOTON-Testkandidaten seinen
Platz im oberen Viertel hat. Er ist dabei für
alle Modultypen (auch Dünnschicht) geeignet, die nicht geerdet werden müssen. Entsprechende Freigaben von Modulherstellern
| Heinz Neuenstein, Jochen Siemer
sind in Planung.
Erläuterungen zu Messungen und Grafiken
Die Diagramme zu MPPT-Wirkungsgrad,
Umwandlungswirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad stellen die Abhängigkeit dieser Größen von der Eingangsspannung UMPP und der
Eingangsleistung PDC dar. Der MPP-Spannungsbereich ist dabei jeweils in 20 Schritte, der DCLeistungsbereich in 24 Schritte unterteilt. Der
Solargeneratorsimulator im PHOTON-Labor
erzeugt also 480 verschiedene Kennlinien, alle
mit einem Füllfaktor von 75 Prozent.
Die in dieser Messreihe ermittelten 480
Werte dienen als Basis für die dreidimensionale Darstellung. Die dritte Dimension ist
dabei die Farbe, sie zeigt den bei einem bestimmten Verhältnis von U MPP und P DC jeweils
erreichten Wirkungsgrad an. Das Farbspektrum mit den zugehörigen Werten ist neben
den Diagrammen abgebildet. Die y-Achse
gibt die Eingangsspannung U MPP gemäß dem
vom Hersteller des jeweiligen Geräts deklarierten Bereich an. Auf der x-Achse findet
sich die vorgegebene Leistung P MPP in relativen Werten, normiert auf die Nenneingangsleistung P DCNenn des Wechselrichters und
angegeben in Prozent der P MPP-Nennleistung.
Wie weit dieser Bereich die 100-ProzentMarke überschreitet, richtet sich ebenfalls
nach den Herstellervorgaben.
Liegt die vom Hersteller angegebene
maximale MPP-Spannung nah an der maximalen DC-Spannung, zeigt ein schraffierter
Bereich die entsprechenden Einschränkungen beim Einsatz von kristallinen Modulen
und darunter ein weiterer Bereich mit entge-
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gengesetzter Schraffur die Einschränkungen
beim Einsatz von Dünnschichtmodulen an.
Der MPPT-Anpassungswirkungsgrad
bezeichnet das Verhältnis zwischen vorgegebener DC-Leistung P MPP und der aufgenommenen DC-Leistung des Wechselrichters.
Er gibt somit Aufschluss über das statische
MPP-Tracking des Geräts, also darüber, wie
viel der vom Solargenerator vorgegebenen
P MPP-Leistung der Wechselrichter auch tatsächlich übernimmt.
Der Umwandlungswirkungsgrad ist
das Verhältnis der vom Wechselrichter gelieferten AC-Leistung PAC zu der auf seiner
Gleichstromseite aufgenommenen Leistung
P DC. Über dem Diagramm sowie rechts daneben zeigen Querschnitte durch die dreidimensionale Darstellung die Abhängigkeiten
des Wirkungsgrades von der normierten
Leistung beziehungsweise von der Spannung
U MPP. Rechts oben ist eine Einordnung des
Arbeitsbereichs des Wechselrichters bezogen auf den MPP-Spannungsbereich und die
MPP-Leistung zu finden.
Der Gesamtwirkungsgrad wird errechnet und ist die Multiplikation des Umwandlungswirkungsgrades und des MPPTAnpassungswirkungsgrades für alle 480
Messpunkte. Die Grafik ist analog derjenigen
zum Umwandlungswirkungsgrad aufgebaut.
Das Diagramm zum gewichteten Umwandlungswirkungsgrad zeigt den für
mittlere Sonneneinstrahlung (Europäischer
Wirkungsgrad) sowie den gemäß der Defi-
nition der California Energy Commission (CEC)
für hohe Einstrahlung (Kalifornischer Wirkungsgrad) ermittelten Wirkungsgrad jeweils
über den gesamten MPP-Spannungsbereich.
Das Diagramm zum Gesamtwirkungsgrad
bei unterschiedlichen Spannungen zeigt dessen Verlauf über die Nennleistung PMPP jeweils für
die minimale und die ma-ximale MPP-Spannung
(UMPPmin und UMPPmax) sowie für den kleinsten und
den größten Wert der MPP-Spannung, bei der ein
Wechselrichter seinen maximalen Wirkungsgrad
erreicht (UMPPηSumMaxMin und UMPPηSumMaxMax). Die jeweiligen maximalen Werte (ηSumMax) sind im Diagramm notiert. Falls die Kurven für UMPPηSumMaxMin
und UMPPmin beziehungsweise UMPPηSumMaxMax und
UMPPmax identisch sind, wird im Diagramm nur eine
Kurve mit den entsprechenden Werten eingetragen (nämlich UMPPmin oder UMPPmax).
Im selben Diagramm ist auch der durchschnittliche Gesamtwirkungsgradverlauf
dargestellt und sein höchster Wert (η AvgSumMax)
notiert. Der durchschnittliche Gesamtwirkungsgrad ergibt sich, indem bei der jeweiligen Stufe des MPP-Nennleistungsbereichs
der Mittelwert aller Gesamtwirkungsgrade
über den vom Hersteller ausgewiesenen MPPSpannungsbereich errechnet wird. Entlang
den Leistungsstufen von 5 bis 100 Prozent der
MPP-Nennleistung ergibt sich hieraus eine
Kurve. Wird der Verlauf dieser Kurve für mittlere (ηP med) beziehungsweise hohe Einstrahlung (η Pmax) gewichtet, ergibt sich der jeweilige PHOTON-Wirkungsgrad. Er ist ebenfalls
im Diagramm notiert.
PHOTON Profi Juli 2010