Solar Inverter Technology
How Solar Inverters Convert and Control Electricity
Photovoltaic solar panels generate direct current, or DC. Homes and public electricity grids normally use alternating current, or AC. A solar inverter connects these two electrical worlds. Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom, also DC. Haushalte und öffentliche Stromnetze verwenden normalerweise Wechselstrom, also AC. Ein Solarwechselrichter verbindet diese beiden elektrischen Welten.
Modern solar inverters do much more than simply change DC into AC. They can optimize solar production, monitor the system, synchronize with the grid and perform important safety and control functions. Moderne Solarwechselrichter können weit mehr, als nur Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Sie können die Solarstromproduktion optimieren, das System überwachen, sich mit dem Stromnetz synchronisieren und wichtige Sicherheits- und Steuerungsfunktionen übernehmen.
1. What Is a Solar Inverter?
A solar inverter is a power-electronic device that converts the DC electrical power produced by photovoltaic panels into AC electrical power. Ein Solarwechselrichter ist ein leistungselektronisches Gerät, das den von Photovoltaikmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
In a grid-connected system, the inverter must produce AC electricity that is compatible with the voltage, frequency and phase of the electricity grid. In einem netzgekoppelten System muss der Wechselrichter Wechselstrom erzeugen, der hinsichtlich Spannung, Frequenz und Phase mit dem Stromnetz kompatibel ist.
Basic energy path:
Sunlight → Solar panel → DC electricity → Inverter → AC electricity
Sonnenlicht → Solarmodul → Gleichstrom → Wechselrichter → Wechselstrom
2. How Does a Solar Inverter Work?
Solar cells generate DC electrical power. Solarzellen erzeugen elektrische Energie als Gleichstrom.
The inverter receives the DC power from the photovoltaic array. Der Wechselrichter erhält den Gleichstrom von der Photovoltaikanlage.
Power-electronic semiconductor switches control the electrical current. Leistungselektronische Halbleiterschalter steuern den elektrischen Strom.
The inverter creates controlled AC electrical power. Der Wechselrichter erzeugt gesteuerten Wechselstrom.
The AC output is synchronized with the electrical system or grid. Der Wechselstromausgang wird mit dem elektrischen System beziehungsweise dem Stromnetz synchronisiert.
The electricity can then be used locally or exported to the grid. Der Strom kann anschließend vor Ort genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden.
3. Maximum Power Point Tracking – MPPT
Solar panels do not always operate under the same conditions. Sunlight intensity, temperature and shading change during the day. Solarmodule arbeiten nicht immer unter denselben Bedingungen. Sonneneinstrahlung, Temperatur und Verschattung verändern sich im Tagesverlauf.
Every photovoltaic array has an operating point where the combination of voltage and current produces the highest available electrical power under the current conditions. Jede Photovoltaikanlage besitzt einen Betriebspunkt, an dem die Kombination aus Spannung und Stromstärke unter den aktuellen Bedingungen die höchste verfügbare elektrische Leistung liefert.
Maximum Power Point Tracking, or MPPT, continuously adjusts the operating point so that the solar array can operate close to this maximum-power point. Maximum Power Point Tracking, kurz MPPT, passt den Betriebspunkt kontinuierlich an, damit die Solaranlage möglichst nahe am Punkt maximaler Leistung arbeitet.
MPPT does not create extra energy. It helps the system make better use of the solar energy that is available.
MPPT erzeugt keine zusätzliche Energie. Es hilft dem System, die vorhandene Solarenergie besser zu nutzen.4. Grid Synchronization
A grid-connected solar inverter cannot simply produce any form of AC electricity. Its output must be compatible with the public electricity network. Ein netzgekoppelter Solarwechselrichter kann nicht einfach irgendeinen Wechselstrom erzeugen. Sein Ausgang muss mit dem öffentlichen Stromnetz kompatibel sein.
The inverter monitors important electrical conditions such as grid voltage and frequency and synchronizes its output accordingly. Der Wechselrichter überwacht wichtige elektrische Bedingungen wie Netzspannung und Netzfrequenz und synchronisiert seinen Ausgang entsprechend.
Modern smart inverters can also respond to certain voltage and frequency disturbances and can provide useful grid-support functions. Moderne intelligente Wechselrichter können außerdem auf bestimmte Spannungs- und Frequenzabweichungen reagieren und nützliche netzunterstützende Funktionen übernehmen.
5. String Inverters
In a string-inverter system, several solar panels are connected electrically to form a string. One or more strings are then connected to a central inverter. Bei einem String-Wechselrichter-System werden mehrere Solarmodule elektrisch zu einem Strang verbunden. Ein oder mehrere Stränge werden anschließend an einen zentralen Wechselrichter angeschlossen.
Advantages
- Established technology
- Usually lower equipment cost
- Central inverter is easy to access
- Well suited to simple, largely unshaded roofs
Possible Limitations
- Normally no individual panel optimization
- Shading or mismatch can reduce string performance
- Monitoring may be at string rather than module level
- A central inverter failure can affect a large part of the system
6. Microinverters
Microinverters perform the DC-to-AC conversion at the solar-module level. They are normally installed at or near the panels. Mikrowechselrichter führen die Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung auf Modulebene durch. Sie werden normalerweise direkt am oder in der Nähe des Solarmoduls installiert.
Each microinverter can control the output of its connected module independently of other modules in the system. Jeder Mikrowechselrichter kann die Leistung des angeschlossenen Moduls unabhängig von anderen Modulen des Systems steuern.
This can be useful on complicated roofs or where panels experience different shading conditions. Dies kann bei komplizierten Dachformen oder unterschiedlichen Verschattungsbedingungen hilfreich sein.
7. Power Optimizers
A power optimizer is not the same as a microinverter. Ein Leistungsoptimierer ist nicht dasselbe wie ein Mikrowechselrichter.
Power optimizers are installed at the module level and adjust the DC electrical operating conditions of individual panels. Leistungsoptimierer werden auf Modulebene installiert und passen die elektrischen Gleichstrom-Betriebsbedingungen einzelner Module an.
The optimized DC electricity is then sent to a central string inverter, where the actual DC-to-AC conversion takes place. Der optimierte Gleichstrom wird anschließend an einen zentralen String-Wechselrichter weitergeleitet, wo die eigentliche Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung stattfindet.
Microinverter: panel-level DC → AC conversion
Power optimizer: panel-level DC optimization, followed by DC → AC conversion in a string inverter
8. Hybrid Solar Inverters and Batteries
A hybrid inverter combines solar-power conversion with functions for managing a battery-storage system. Ein Hybrid-Wechselrichter verbindet die Umwandlung von Solarstrom mit Funktionen zur Steuerung eines Batteriespeichers.
Depending on the system design, solar electricity can be used immediately, stored in a battery or exported to the grid. Je nach Systemdesign kann Solarstrom sofort genutzt, in einer Batterie gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist werden.
The inverter or associated power electronics manage the direction and conversion of electrical power between the solar array, battery, building and electricity grid. Der Wechselrichter beziehungsweise die zugehörige Leistungselektronik steuert Richtung und Umwandlung der elektrischen Energie zwischen Solaranlage, Batterie, Gebäude und Stromnetz.
9. What Happens When a Solar Panel Is Shaded?
Shading can reduce the electrical output of a photovoltaic module. In a conventional string system without module-level optimization, reduced output from one module can affect the performance of the string. Verschattung kann die elektrische Leistung eines Photovoltaikmoduls reduzieren. Bei einem herkömmlichen String-System ohne Optimierung auf Modulebene kann die geringere Leistung eines Moduls die Leistung des Strangs beeinflussen.
The effect depends on the system design, panel electronics, bypass diodes, MPPT configuration and the pattern of shading. Die Auswirkung hängt vom Systemdesign, der Modulelektronik, den Bypass-Dioden, der MPPT-Konfiguration und der Art der Verschattung ab.
Microinverters and power optimizers can reduce the effect of module-to-module differences because they manage panels individually. Mikrowechselrichter und Leistungsoptimierer können die Auswirkungen von Unterschieden zwischen einzelnen Modulen verringern, da sie die Module individuell steuern.
10. Efficiency and Clipping
Inverter Efficiency
No electrical conversion process is perfectly efficient. Some energy is lost, mainly as heat. Kein elektrischer Umwandlungsprozess ist vollkommen effizient. Ein Teil der Energie geht hauptsächlich als Wärme verloren.
Inverter efficiency describes how much of the incoming DC electrical power becomes usable AC electrical power. Der Wechselrichter-Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eingehenden Gleichstromleistung in nutzbare Wechselstromleistung umgewandelt wird.
What Is Clipping?
Every inverter has a maximum AC output power. If the photovoltaic array can temporarily produce more power than the inverter can deliver, the inverter limits its output. Jeder Wechselrichter besitzt eine maximale Wechselstrom-Ausgangsleistung. Kann die Photovoltaikanlage vorübergehend mehr Leistung erzeugen, als der Wechselrichter abgeben kann, begrenzt der Wechselrichter seine Leistung.
This is known as clipping. Dies wird als Clipping bezeichnet.
11. Solar Inverter Safety and Anti-Islanding
A normal grid-connected solar system must not continue energizing a disconnected section of the public electricity network. Eine normale netzgekoppelte Solaranlage darf einen vom öffentlichen Stromnetz getrennten Netzabschnitt nicht weiter mit Spannung versorgen.
For this reason, grid-connected inverters include anti-islanding or grid-protection functions. Aus diesem Grund verfügen netzgekoppelte Wechselrichter über Anti-Islanding- beziehungsweise Netzschutzfunktionen.
A standard grid-following solar inverter normally stops supplying the grid when the grid is unavailable. Ein normaler netzgeführter Solarwechselrichter beendet normalerweise die Einspeisung, wenn das öffentliche Stromnetz nicht verfügbar ist.
Some specially designed systems with batteries and backup equipment can form a local electrical island and continue supplying selected loads. Einige speziell ausgelegte Systeme mit Batterien und Backup-Technik können ein lokales Inselnetz bilden und ausgewählte Verbraucher weiter versorgen.
12. Smart Solar Inverters
Modern smart inverters can monitor and control much more than simple DC-to-AC conversion. Moderne intelligente Wechselrichter können weit mehr überwachen und steuern als nur die Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung.
Depending on the inverter and grid requirements, they may respond to voltage and frequency conditions, communicate with control systems and support grid stability. Abhängig vom Wechselrichter und den Netzanforderungen können sie auf Spannungs- und Frequenzbedingungen reagieren, mit Steuerungssystemen kommunizieren und die Netzstabilität unterstützen.
13. Solar Inverter Technology Vocabulary
| English | German | Meaning |
|---|---|---|
| photovoltaic (PV) | Photovoltaik | Technology that converts light directly into electrical energy. |
| solar inverter | Solarwechselrichter | A device that converts PV DC power into controlled AC power. |
| solar array | PV-Anlage / Solarmodulfeld | A group of photovoltaic modules connected together. |
| string | Strang / String | A group of solar modules electrically connected in series. |
| string inverter | String-Wechselrichter | An inverter connected to one or more strings of solar modules. |
| microinverter | Mikrowechselrichter | An inverter performing DC-to-AC conversion at module level. |
| power optimizer | Leistungsoptimierer | A module-level device that optimizes DC output before a central inverter. |
| MPPT | Maximum Power Point Tracking | Control that keeps a PV source close to its optimum operating point. |
| grid synchronization | Netzsynchronisation | Matching inverter output to relevant grid electrical conditions. |
| grid-connected | netzgekoppelt | Electrically connected to the public electricity network. |
| hybrid inverter | Hybrid-Wechselrichter | An inverter designed to integrate solar generation and battery storage. |
| export | Einspeisung | Supplying electrical energy from a local system to the public grid. |
| clipping | Leistungsbegrenzung / Clipping | Limiting output when available PV power exceeds inverter output capacity. |
| anti-islanding | Netz- und Anlagenschutz / Inselnetzerkennung | A safety function that prevents unintended energizing of an isolated grid section. |
| efficiency | Wirkungsgrad | The proportion of input electrical power converted into useful output power. |
14. Useful English for Talking About Solar Inverters
The photovoltaic array generates DC electricity. Die Photovoltaikanlage erzeugt Gleichstrom.
The inverter converts the DC output into AC power. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstromausgang in Wechselstrom um.
The inverter synchronizes its output with the electricity grid. Der Wechselrichter synchronisiert seinen Ausgang mit dem Stromnetz.
MPPT adjusts the electrical operating point of the solar array. MPPT passt den elektrischen Betriebspunkt der Solaranlage an.
Partial shading can reduce the output of a photovoltaic system. Teilverschattung kann die Leistung einer Photovoltaikanlage reduzieren.
Microinverters perform power conversion at module level. Mikrowechselrichter führen die Leistungsumwandlung auf Modulebene durch.
Power optimizers still require a central inverter. Leistungsoptimierer benötigen weiterhin einen zentralen Wechselrichter.
Excess solar electricity can be exported to the grid. Überschüssiger Solarstrom kann ins Netz eingespeist werden.
15. Solar Inverter Technology Exercises
Choose the correct answer. The correct answer will appear in the blank. Wählen Sie die richtige Antwort. Die richtige Antwort erscheint anschließend in der Lücke.
1. Photovoltaic panels normally generate ______ electricity.
2. A solar ______ converts DC electrical power into AC electrical power.
3. ______ helps a PV array operate near its maximum-power operating point.
4. A grid-connected inverter monitors grid voltage and ______.
5. Several solar modules connected in series can form a ______.
6. A device that performs DC-to-AC conversion at module level is a ______.
7. A power optimizer mainly conditions and optimizes ______ electrical power.
8. Power optimizers normally work together with a ______.
9. A hybrid solar inverter can help manage a solar system together with a ______.
10. Excess solar electricity can be ______ to the public grid.
11. Trees and chimneys can cause ______ on solar panels.
12. Microinverters allow connected modules to be managed more ______.
13. Some electrical energy is lost in an inverter mainly as ______.
14. When available PV power exceeds the inverter's maximum output, output limitation is called ______.
15. A safety function that prevents unintended energizing of an isolated grid section is called ______.
16. An inverter that can respond to grid conditions and communicate with control systems is often called a ______.
17. Household electrical systems normally use ______ power.
18. A grid-connected inverter must produce output that is ______ with the grid.
19. The percentage of input power successfully converted into useful output relates to inverter ______.
20. Smart solar inverters can help support the electricity ______.
16. Solar Inverter Technology – FAQ
Why do solar panels need an inverter?
Photovoltaic panels produce DC electricity, while homes and public grids normally use AC. The inverter performs the required conversion. Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom, während Haushalte und öffentliche Stromnetze normalerweise Wechselstrom verwenden. Der Wechselrichter führt die erforderliche Umwandlung durch.
What is MPPT?
Maximum Power Point Tracking continuously adjusts the electrical operating point of a photovoltaic source so that it can operate near its highest available power point. Maximum Power Point Tracking passt den elektrischen Betriebspunkt einer Photovoltaikquelle kontinuierlich an, damit sie möglichst nahe an ihrem Punkt maximaler verfügbarer Leistung arbeitet.
What is the difference between a string inverter and a microinverter?
A string inverter converts power from one or more strings at a central location. A microinverter performs DC-to-AC conversion at or near individual solar modules. Ein String-Wechselrichter wandelt die Leistung eines oder mehrerer Modulstränge zentral um. Ein Mikrowechselrichter führt die Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung direkt am oder nahe am einzelnen Modul durch.
Is a power optimizer the same as a microinverter?
No. A power optimizer adjusts the DC output of a module, but a separate inverter is still required for DC-to-AC conversion. A microinverter performs the conversion itself. Nein. Ein Leistungsoptimierer passt den Gleichstromausgang eines Moduls an, benötigt aber weiterhin einen separaten Wechselrichter für die Umwandlung in Wechselstrom. Ein Mikrowechselrichter führt diese Umwandlung selbst durch.
What is a hybrid solar inverter?
A hybrid inverter integrates photovoltaic generation with battery-storage functions and controls power flow between different parts of the system. Ein Hybrid-Wechselrichter verbindet Photovoltaikerzeugung mit Batteriespeicher-Funktionen und steuert den Leistungsfluss zwischen verschiedenen Teilen des Systems.
What is inverter clipping?
Clipping occurs when the photovoltaic array can produce more power than the inverter's maximum AC output. The inverter then limits its output. Clipping tritt auf, wenn die Photovoltaikanlage mehr Leistung bereitstellen kann als die maximale Wechselstromleistung des Wechselrichters. Der Wechselrichter begrenzt dann seine Ausgangsleistung.
Does a solar inverter work during a power cut?
A standard grid-following solar inverter normally stops supplying power when the public grid is unavailable. A specially designed backup system with battery storage and suitable control equipment may continue supplying selected loads. Ein normaler netzgeführter Solarwechselrichter stellt die Versorgung normalerweise ein, wenn das öffentliche Netz ausfällt. Ein speziell ausgelegtes Backup-System mit Batteriespeicher und geeigneter Steuerungstechnik kann ausgewählte Verbraucher weiter versorgen.
What is a smart solar inverter?
A smart inverter can combine power conversion with monitoring, communication and grid-support functions. Ein intelligenter Wechselrichter kann Leistungsumwandlung mit Überwachung, Kommunikation und netzunterstützenden Funktionen verbinden.
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Solar inverters connect directly with many of the other technologies in the Inverter Technology learning cluster. Solarwechselrichter stehen in direktem Zusammenhang mit vielen anderen Technologien im Lernbereich Inverter Technology.