Technische Trends und Marktanalyse für Solarwechselrichter

Der Photovoltaik-Wechselrichter ist die Steuerzentrale des Photovoltaik-Kraftwerks. Er wandelt den von den Komponenten erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der entweder ins Netz eingespeist oder direkt an die Verbraucher abgegeben wird. Der Photovoltaik-Wechselrichter besteht im Wesentlichen aus Leistungswandlermodulen, Mikrocomputer-Steuermodulen, EMV-Modulen, Schutzschaltungen, Überwachungsmodulen, Mensch-Maschine-Schnittstellen usw. Seine Funktionsweise basiert auf der Weiterentwicklung von Elektronik, Halbleiterbauelementen und moderner Steuerungstechnik. Der gesamte von den Photovoltaik-Komponenten erzeugte Strom muss vom Wechselrichter verarbeitet und ausgegeben werden. Daher ist der Wechselrichter das zentrale System des Photovoltaik-Kraftwerks.

Photovoltaik-Wechselrichter lassen sich nach ihren Funktionsprinzipien in zentrale, String- und Mikro-Wechselrichter unterteilen. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionsprinzipien der verschiedenen Wechselrichter unterscheiden sich auch die Anwendungsszenarien:

(1) Zentrale Wechselrichter bündeln zunächst die Energie und wandeln sie dann um. Sie eignen sich hauptsächlich für große zentrale Kraftwerke mit gleichmäßiger Beleuchtung. Der zentrale Wechselrichter verbindet zunächst mehrere parallele Stromstränge am Gleichstromeingang. Nach der Ermittlung der maximalen Leistungsspitze wird diese zentral in Wechselstrom umgewandelt, üblicherweise mit einer Leistung von über 500 kW pro Einheit. Dank des hohen Integrationsgrades und der hohen Leistungsdichte ist das System kostengünstig und wird hauptsächlich in großen Werkstätten mit gleichmäßiger Sonneneinstrahlung, in Wüstenkraftwerken und anderen großen zentralen Photovoltaikanlagen eingesetzt.

(2) Der String-Wechselrichter wandelt zuerst um und sichert dann ab. Er eignet sich hauptsächlich für Szenarien wie kleine und mittelgroße Dachinstallationen und kleine Freiluftkraftwerke. Der String-Wechselrichter basiert auf dem modularen Konzept. Nach der individuellen Leistungsspitzenverfolgung von 1–4 PV-Strings wird der erzeugte Gleichstrom zunächst in Wechselstrom umgewandelt, anschließend verstärkt und ins Netz eingespeist. Dadurch ist die Leistung im Vergleich zu zentralisierten Anlagen geringer, die Einsatzmöglichkeiten sind jedoch vielfältiger. Er kann in verschiedenen Kraftwerkstypen wie zentralen Kraftwerken, dezentralen Kraftwerken und Dach-Photovoltaikanlagen eingesetzt werden. Der Preis ist etwas höher als bei zentralen Kraftwerken.

(3) Der Mikro-Wechselrichter ist direkt mit dem Stromnetz verbunden und eignet sich daher hauptsächlich für Haushalte und kleine dezentrale Anlagen. Der Mikro-Wechselrichter erfasst den maximalen Leistungsspitzenwert jedes Photovoltaikmoduls separat und speist diesen anschließend über den Wechselrichter in das Wechselstromnetz ein. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Wechselrichtern zeichnet er sich durch sein kompaktes Format und seinen geringen Leistungsbedarf aus. Er eignet sich hauptsächlich für dezentrale Haushalte sowie kleinere dezentrale Industrie- und Gewerbe-Dachkraftwerke, ist jedoch teuer und im Fehlerfall schwer zu reparieren.

(3) Der Mikro-Wechselrichter ist direkt mit dem Stromnetz verbunden und eignet sich daher hauptsächlich für Haushalte und kleine dezentrale Anlagen. Der Mikro-Wechselrichter erfasst den maximalen Leistungsspitzenwert jedes Photovoltaikmoduls separat und speist diesen anschließend über den Wechselrichter in das Wechselstromnetz ein. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Wechselrichtern zeichnet er sich durch sein kompaktes Format und seinen geringen Leistungsbedarf aus. Er eignet sich hauptsächlich für dezentrale Haushalte sowie kleinere dezentrale Industrie- und Gewerbe-Dachkraftwerke, ist jedoch teuer und im Fehlerfall schwer zu reparieren.

Der Marktanteil von String-Wechselrichtern hat sich dank des steigenden Anteils dezentraler Energieerzeugung und der zunehmenden Verbreitung von Großkraftwerken stetig erhöht. Laut GTM-Statistiken lag der weltweite Marktanteil von String-Wechselrichtern im Jahr 2019 bei 52 %, ein Anstieg um 11 % gegenüber 2015. Laut CPIA-Statistiken betrug der Marktanteil inländischer String-Wechselrichter im Jahr 2020 67 %, ein Anstieg um 34.5 % gegenüber 2016. Die Gründe hierfür sind folgende:

(1) Die String-Technologie ist die erste Wahl für die dezentrale Photovoltaik-Stromerzeugung, und die Erhöhung des Anteils führt direkt zu einer Erhöhung des Anteils der String-Technologie:

Das zentrale Photovoltaik-Kraftwerk zeichnet sich durch hohe Investitionen, lange Bauzeiten und eine große Fläche aus und wird hauptsächlich auf großen, gleichmäßig beleuchteten Flächen errichtet. Das zentrale Photovoltaikkraftwerk kann die reichlich vorhandenen und stabilen Solarenergieressourcen im Freien optimal nutzen. Durch den Bau großflächiger Photovoltaikkraftwerke wird es an das Hochspannungsnetz angeschlossen, um Strom über große Entfernungen zu liefern und die Stromverteilung an die Nutzer zu regeln.

Dezentrale Photovoltaik-Kraftwerke zeichnen sich durch niedrige Investitionsschwelle, schnelle Bauweise, geringen Platzbedarf und flexible Installation aus und stellen somit die Hauptrichtungen der zukünftigen Photovoltaikentwicklung dar. Dezentrale Energieerzeugung bezeichnet ein Stromversorgungssystem in der Nähe des Nutzerstandorts. Neben dem Eigenverbrauch und dem Verbrauch in der näheren Umgebung kann der erzeugte Strom auch in das lokale Verteilungsnetz eingespeist werden. Aufgrund der Streuung und der geringen Energiedichte von Solarenergie bietet diese Methode natürliche Vorteile für die dezentrale Energieerzeugung. Da die Hürden für zentrale Investitionen niedrig sind, steigt die Bereitschaft von Nutzern mit hohen Strompreisen in Gewerbegebieten, Großbetrieben sowie Industrie- und Gewerbegebieten, dezentrale Energieerzeugung zu nutzen. Dies fördert direkt den stetigen Anstieg des Marktanteils von String-Wechselrichtern.

(2) Die Vorteile der MPPT-Funktion und der Wartungsfreundlichkeit von String-Wechselrichtern liegen auf der Hand. Mit steigender Einzelleistung wird die allmähliche Verringerung und Angleichung der Preisunterschiede die Marktdurchdringung im Bereich der Großkraftwerke beschleunigen. String-Wechselrichter zeichnen sich durch hohe Leistung, hohe Zuverlässigkeit, hohe Sicherheit, einfache Installation und Wartung aus. Wird ein Modul durch Verschattung blockiert oder fällt es aus, beeinträchtigt dies dank des Mehrkanal-MPPT nur die Leistung weniger Strings, wodurch Schäden minimiert werden. Die Verluste durch Fehlanpassung sind gering und der Wirkungsgrad hoch, weshalb String-Wechselrichter zunehmend im Markt für Großkraftwerke eingesetzt werden.

Der Hauptgrund, warum String-Wechselrichter zentrale Wechselrichter bisher nicht flächendeckend ersetzen konnten, lag in den hohen Kosten und der durch Leistungshalbleiter und Schaltungslayout begrenzten maximalen Leistung einzelner Einheiten. Dank iterativer Verbesserungen, der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie überlagerter Leistungsmodule, der stetigen Steigerung der Leistungsdichte einzelner String-Wechselrichter, des rapiden Preisverfalls und des hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses entscheiden sich immer mehr Großkraftwerke für String-Wechselrichter. Laut PV-Tech-Statistiken erreichte der Anteil von String-Wechselrichtern an den Ausschreibungen für zentrale Wechselrichter von staatlichen Unternehmen in China im Jahr 2020 mit 74 % einen neuen Höchststand.

Die Nachfrage nach „Ergänzung + Ersatz“ beschleunigt den Durchbruch des Marktes für Photovoltaik-Wechselrichter. Im Gegensatz zur 25- bis 30-jährigen Lebensdauer von Photovoltaikmodulen beträgt die Lebensdauer elektronischer Bauteile wie IGBTs in Photovoltaik-Wechselrichtern in der Regel nur 10 bis 15 Jahre. Daher muss der Wechselrichter während des Betriebszyklus von Photovoltaik-Kraftwerken mindestens einmal ausgetauscht werden. Im Jahr 2010 erreichte die weltweit neu installierte Photovoltaikleistung 17.5 GW. Da immer mehr Photovoltaik-Kraftwerke in die Phase der technischen Modernisierung eintreten, wird der Bedarf an Ersatzteilen weiter steigen.