Einleitung

Unsere Erde ist zu 100% auf das Sonnenlicht der Sonne angewiesen, denn diese strahlt so viel Energie aus, sodass die Menschheit auf fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas verzichten könnte. Diese Ersetzung könnte auch zum Umweltschutz beitragen, da die fossilen Energieträger zum Teil für umweltschädigende Zwecke genutzt werden.

Die Sonne ist eine unerschöpfliche Quelle, also würde sie der Erde theoretisch noch mehrere Milliarden Jahre ihr Sonnenlicht zur Verfügung stellen, ohne dass ihre Energie ausgebraucht werden würde. Unsere fossilen Energieträger werden in wenigen Jahrzehnten voraussichtlich verbraucht sein, daher ist die Menschheit nun voll und ganz auf die Sonnenenergie angewiesen. Die Wissenschaft beschäftigt sich nun zum Großteil mit der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die bekannte Variante nennt sich Photovoltaik.

Was bedeutet Photovoltaik?

 

Das Wort Photo findet seinen Ursprung im griechischen Wort (Phos) und bedeutet Licht. Das Wort Voltaik kommt von Alessandro Volta, einem italienischen Elektrizitätsforscher. Also ist die direkte Übersetzung für Photovoltaik ist “Elektrizität aus Licht“.

Photovoltaikanlagen hat jeder von uns schon mal gesehen. Diese schwarzen bzw. blauen Module auf Dächern oder auf der freien Landschaft sind ein wichtiger Teil unserer Entwicklung im Bereich Energie. Diese dunkle blaue Farbe ist das Silizium, in dem der Strom erzeugt wird, den wir dann aus unserer Steckdose entnehmen können, um diesen u.a. für unseren Haushalt zu benutzen. Eine Photovoltaikanlage besteht also aus vielen Siliziumplatten, welche auf einer Fläche von 10cm x 10cm zu Solarzellen zusammengesetzt werden.

 

In unserem NWT-Unterricht haben wir uns näher mit der Solarzelle beschäftigt und haben verschiedene Versuche und Messungen durchgeführt um ihre Reaktion auf Licht bestimmen zu können. Dazu haben wir 5 verschiedene Versuche durchgeführt:

 

Versuch 1: Licht ist nicht gleich Licht

Versuch 2: Entfernung macht’s

Versuch 3: Auf die Fläche kommt es an

Versuch 4: Arbeiten am Optimum

Versuch 5: Eine Frage des Winkels

 

Von Chaymae

Die Solarzelle

Unsere Solarzelle



So sieht unsere Solarzelle aus, die wir über alle Versuche hinweg benutzt haben. Diese ist an einer Versuchsvorrichtung montiert, die sich nach vorne und nach hinten schieben lässt. Dazu kann man noch den Neigungswinkel ablesen.

(Mai)

Versuchsaufbau



Aufbau

      Auf diesem Bild kann man unseren allgemeinen Versuchsaufbau sehen.

Es sind die Versuchselemente zu erkennen, die wir bei allen Versuchen benötigt haben.

Dazu gehören:

• Strom- und Spannungsmessgerät

• Experimentierkabel

• die Solarzelle

• Halogenlampe mit Stativmaterial

(Mai)

Versuch 1: Licht ist nicht gleich Licht

Solarzellen wandeln bekannterweise sichtbares Licht in elektrische Energie um.
Anhand dieses Versuches haben wir herausgefunden welche Eigenschaften eine Solarzelle besitzt und wie man damit umgeht.
Hierbei war es unsere Aufgabe die Unabhängigkeit von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung einer Solarzelle von den Umgebungsbedingungen zu untersuchen.


Materialien:


-Sollarzelle
-Experimentierkabel
-Strom- und Spannungsmessgerät
-Halogenlampe
-Stativmaterial


Versuchsdurchführung:


Zuerst haben wir die Anschlüsse der Solarzelle mit dem Strommessgerät verbunden (Messbereich auf mA einstellen, wichtig: richtige Buchsen verwenden!!!) und die Solarzelle aus 30cm Entfernung senkrecht mit der Halogenlampe verbunden. Es traten starke Spannungsschwankungen auf, bis sich das Solarmodul erwärmt hat. Jedoch sollte man darauf achten, dass die Solarzelle nicht zu heiß wird und der Kunststoff schmilzt. Deshalb sollte man am besten die Lampe nach der Messung sofort ausschalten!


Als Nächstes haben wir den Strom I, den die Solarzelle lieferte gemessen. Man nennt ihn Kurzschlussstrom, weil während der Messung kein nennenswerter Widerstand zwischen den Anschlüssen der Solarzelle liegt (Es gibt keinen Verbraucher).


IKS (Kurzschlussstrom) = 109,5 mA
(bei senkrechter Position und Einstellung beim Strommessgerät auf 200mA)


Dann haben wir das Messgerät von der Solarzelle getrennt, auf Spannungsmessung umgeschaltet (Messbereich auf V einstellen, wichtig: richtige Buchse verwenden!!!) und haben es erneut mit der Solarzelle verbunden.
Danach haben wir die Spannung U, die die Solarzelle geliefert hat gemessen. Man nennt sie Leerlaufspannung weil während der Messung kein nennenswerter Strom zwischen den Anschlüssen der Solarzelle fließt.


UL (Leerlaufspannung) = 0,48 V
(bei einer Einstellung von max. 2 Volt, da es bei 200 mV nicht möglich ist.)


Die uns umgebenden Lichtquellen unterscheiden sich durch ihre Leuchtstärke und die Zusammensetzung ihres Lichtes. Deshalb sind nicht alle Lichtquellen zur Erzeugung von Solarstrom gleich geeignet.


Zum Schluss haben wir den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung der Solarzelle mit verschiedenen Lichtquellen bestimmt. Dabei sollte die Solarzelle immer so ausgerichtet sein, dass die Messwerte maximal sind.

Es ließ sich beobachten, dass die Spannung vom Helleren zum Dunkleren hin abnimmt. Für die Stromstärke gilt das Gleiche, außer bei stark bedecktem himmel .
Außerdem ist zu beachten, dass je stärker der Lichteinfall ist, desto größer sind Stromstärke und Spannung. Die Stromstärke steigt wesentlich stärker an als die Spannung und es ließ sich beobachten,dass die Spannung schon bei geringen Lichtstärken hoch ist.


Von Chaymae

Versuch 2: Die Entfernung macht's

Anhand dieses Versuches haben wir versucht den Zusammenhang zwischen dem Abstand zu einer Strahlungsquelle und der Strahlungsleistung zu ermitteln. Außerdem haben wir herausgefunden, wie sich mit unterschiedlichem Abstand zu der Strahlungsquelle der Kurzschlussstrom einer Solarzelle ändert.


Materialien:
-Solarzelle
-Experimentierkabel
-Strom- und Spannungsmessgerät
-Halogenlampe
-Vorlage zur Entfernungsmessung
-Stativmaterial
-Karton zum Abdecken


Versuchsdurchführung:


Wir haben eine Solarzelle im Abstand von 15cm zu einer Halogenlampe gestellt (wichtig hierbei ist der Abstand vom Glühfaden der Lampe). Dann haben wir den Kurzschlussstrom gemessen. Dabei haben wir den Neigungswinkel so eingestellt, dass maximaler Stromfluss herrschte. Man sollte unbedingt beachten, dass die Solarzelle nur kurz bestrahlt wird, da sie sonst zu heiß wird!!!
Als Nächstes erhöhten wir den Abstand um je 5cm und haben den Kurzschlussstrom gemessen. Die Messungen haben wir bis zu einem Abstand von 45 cm wiederholt und unsere Ergebnisse nebenbei in eine Tabelle eingetragen (siehe unten). Zum Schluss haben wir versucht einen Zusammenhang zwischen dem Abstand d von der Strahlungsquelle und dem Kurzschlussstrom I der Solarzelle zu formulieren. Dazu haben wir I (y-Achse) gegen d (x-Achse) und in einem zweiten Diagramm I gegen 1/d² aufgetragen.


Tabelle mit Messergebnissen:

Zusammenhang:


Je weiter die Solarzelle von der Halogenlampe entfernt ist, desto geringer ist die Stromstärke, dies hat unser Versuch bewiesen. Daraus konnten wir auch folgern dass die Solarzelle einen möglichst kleinen Abstand zur Strahlungsquelle haben sollte, wenn sie optimal genutzt werden soll. Andrerseits sollte man wissen dass Solarzellen bei nahem Kontakt zur Strahlungsquelle schmelzen können.


Von Chaymae

Versuch 3: Auf die Fläche kommt es an

In diesem Versuch wollen wir die Abhängigkeit von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung einer Solarzelle von der Bestrahlungsfläche untersuchen. Zwar kann man sich schon sehr gut vorstellen, dass die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle von der Größe der bestrahlten Fläche abhängt, dennoch möchten wir die Auswirkungen genauer anschauen.

Zusatzinfo:Kurzschlussstrom ist der maximale Strom, wo der Widerstand gleich 0 beträgt. Leerlaufspannung ist die maximale Spannung ohne Stromfluss d.h. also der Widerstand ist unendlich und es erfolgt keine Stromentnahme.

Material:

· Zusätzlich zum allgemeinem Versuchsaufbau, haben wir ein Stück Plastikplattebenutzt

Durchführung:

1) Zuerst haben wir die Solarzelle mit einem Abstand von 20 cm zur Halogenlampe gestellt.

2) Dann haben wir nur noch mit der Plastikplatte nacheinander 25%,50%,75% und 100% der Solarzellenfläche abgedeckt.

3) Zum Schluss haben wir nur noch die Werte eingetragen. Einmal für die Stromstärke (Kurzschlussstrom) und einmal für die Spannung (Leerlaufspannung).

Messwerte:

___________________________________________________________

Nun haben wir alle Werte in ein Diagramm eingefügt.

Beobachtung:

In diesem Diagramm kann man sehen, das mit zunehmender bestrahlter Fläche Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung steigen. Aber besonders bei dem Kurzschlussstrom kann man das erkennen, diese steigt ziemlich stark an. Bei der Leerlaufspannung steigt die Kurve ab ca. 50% ziemlich gering an.

Interpretation:

Bei größer werdender bestrahlter Fläche, nimmt sowohl der Kurzschlussstrom als auch die Leerlaufspannung zu. Dadurch, dass der I_KSso rasant steigt (mit der steigenden Bestrahlungsfläche) kann man daraus schließen, dass wenn es Verschattung gibt, auch schnell wieder fällt. Bei der Leerlaufspannung lässt sich sagen, dass sie nicht so viel von der Lichtintensität abhängig ist, wie der I_KS, denn bei nur 25%-iger Bestrahlung hat es immerhin schon 0,48 V.

Für eine Solaranlage wäre es ideal, wenn sie zum einen von der Fläche her groß ist und zum anderen in Gebieten installiert werden, die eine möglichst 100%-ige Sonneneinstrahlung auf die Solarzellen begünstigt. Auch die Ausrichtung zur Sonne ist ein wichtiger Faktor.

Messfehler:Bei keiner Bestrahlungsfläche hat die Leerlaufspannung schon einen Wert, vielleicht liegt es daran, dass doch noch etwas Licht reingefallen (in die Solarzelle) ist.

(Mai)

Versuch 4: Arbeiten am Optimum

Bei der Photovoltaik, die wir zu unserem Nutzen einsetzen, ist es wichtig, dass wir bei der richtigen Spannung den maximalen Strom aus der Solarzelle entnehmen können. Damit wir aber diesen optimalen Arbeitspunkt der Solarzelle festlegen wollen, müssen wir die U-I-Kennlinie der Solarzelle kennen und mit dem folgendem Versuch wollen wir sie herausfinden bezogen auf die Solarzelle, die wir die ganze Zeit benutzen.

Material:

·         Diesmal wird zusätzlich nur noch eine Messbox als variabler Widerstand gebraucht

·         Der sieht folgendermaßen aus: Man kann also gleichzeitig den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung ablesen und den Widerstand variieren.

Durchführung:

1)    Wir haben entsprechend der Schaltskizze (siehe unten) die Solarzelle mit der Messbox verkabelt, um die Stromstärke und Spannung messen zu können.

2)    Anschließend haben wir mit den Messungen begonnen und zwar wenn die Solarzelle unbelastet ist, dh. ohne Widerstand und danach haben wir den Widerstand schrittweise erhöht. Die Werte wurden zum Schluss noch notiert in einer Tabelle.

            

Messwerte:

Nun haben wir die U- und I- Werte in einem Diagramm eingefügt.

Beobachtung:

Mit den Messwerten  können wir sehen, das mit zunehmendem Widerstand zum einen die Stromstärke gleichmäßig abnimmt und zum anderen, das die Spannung bis zur Leerlaufspannung ansteigt (max. U). Schon bei dem Widerstand von 1 Ω, gibt es die höchste Leistung von der Solarzelleà 170280 mW bei einer Stromstärke von 387 mA und einer Spannung von 440 mV. Dieser höchste Punkt (siehe Diagramm) wird auch MPP (Maximum Power Point) genannt. Das ist der Punkt, wo die Solarzelle ihre maximale Leistung hat. Danach ist die Leistung nur noch stetig gesunken.

Nun haben wir die I- und P- Werte in einem Diagramm eingefügt.

Beobachtung/ Interpretation:

Bei diesem Diagramm kann man erkennen, dass die Leistung mit der Stromstärke steigt, bis sie den MPP erreicht hat (siehe Diagramm). Danach fällt sie radikal auf 0 (also keine Leistung). Wir haben also mit dem Versuch den Punkt gefunden, wo die Solarzelle uns die maximale Leistung gibt. Die Kennlinien fallen alle nach dem MPP ab. Den bezeichnet man auch als Watt peak der Solarzelle.

Für den Betrieb einer Solarzelle bedeutet das, dass wenn das Optimum bei einem bestimmten Punkt erreicht worden ist, man danach keine höhere Leistung mehr bekommt, selbst wenn man die Einstrahlungsbedingungen optimiert. Es ist also sehr wichtig die Kennlinien der Solarzellen zu kennen, damit uns auch die bestmögliche Leistung zu gute kommen kann.

Außerdem: Durch die Kennlinie kann die Funktionsfähigkeit der Photovoltaikanlagen bewertet werden. Da man die optimale Kurve kennt, kann man bei anderen Solarzellen schauen, ob Abweichungen vorhanden sind und daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen, wo es an dem Ort Störfaktoren gibt und wie sie die Leistung beeinflussen wie z.B. Verschattung, Lichtstärke, Winkel etc. (http://www.photovoltaik.org/wissen/kennlinie)

                                                                                                                  (Mai)

Versuch 5: Eine Frage des Winkels

Die Sonnenstrahlung fällt im Lauf eines Tages in unterschiedlichen Winkeln auf eine feststehende Kollektorfläche. Mit dem folgenden Versuch konnten wir erfahren, wie sich der Einstrahlungswinkel auf den Kurzschlussstrom und somit auch auf die Leistung der Solarzelle auswirkt.


Hier war es unsere Aufgabe die Abhängigkeit des Kurzschlussstroms einer Solarzelle vom Einstrahlwinkel zu untersuchen.


Materialien:


-Solarzelle
-Experimentierkabel
-Strommessgerät
-Halogenlampe
-Stativmaterial
-Winkelschablone horizontal/vertikal


Versuchsdurchführung- Horizontale Neigung:


Wir stellten die Solarzelle so auf die Winkelscheibe, wie auf dem untenstehendem Bild.
Fällt das Licht senkrecht auf die Solarzelle, so sagen wir: der Azimut (Abweichung von der senkrechten Beleuchtung) ist 0°. Der Abstand zwischen Lampe und Solarzelle soll 25 cm betragen.

Unsere Messungen begannen wir mit einem Azimut von 0°. Wir messten den Kurzschlussstrom, dabei wurde die Lampe zuletzt eingeschaltet.


Danach messten wir den Kurzschlussstrom bei verändertem Einfallswinkel von 0° bis 90° in 10°- Schritten ( Solarzelle drehen- Mittelachse der Solarzelle bleibt im Zentrum).
Wir drehten das Solarmodul auf der Scheibe sowohl nach links als auch nach rechts und nahmen für beide Richtungen die Messwerte auf. Wir bildeten den Messwert bis zu 90° und trugen die Werte in eine Tabelle ein, dadurch werden "Inhomogenitäten" im Strahlengang ausgeglichen.

Wir erstellten ein Schaubild mit dem Azimut auf der x-Achse und dem Kurzschlussstrom auf der y-Achse.


Dann beurteilten wir den Einfluss des Einstrahlwinkels auf die Leistung einer Solarzelle und untersuchten welche Auswirkungen die Messungen für die Installation von Solarzellen haben.

Versuchsdurchführung- Vertikale Neigung:


Nun haben wir die Messungen mit verschiedenen vertikalen Neigungen wiederholt und erstellten ein Schaubild mit dem Azimut auf der x-Achse und dem Kurzschlussstroms auf der y-Achse.

Ergebnis:



Diese beiden Diagramme stellen die Veränderung des Kurzschlussstroms, einmal bei horizontaler und einmal bei vertikaler Verminderung des Neigungswinkels. Wir konnten beobachten, dass die Stromstärke bei einem senkrechten Einstrahlungswinkel (Azimut= 0°) am höchsten ist. Somit sinkt die Stromstärke mit ansteigendem Azimut.




Bei welchem vertikalen Neigungswinkel werden Solarzellen in Deutschland installiert?


Im Sommer und im Winter weist die Sonne unterschiedliche Positionen auf, deshalb werden Solarzellen in Deutschland horizontal in Richtung Süden und mit einem Neigungswinkel von 30° installiert (Optimalste Installation). Würde es Abweichungen geben, so würde es wie oben genannt zu einer Verminderung des Kurzschlussstroms führen.

von Chaymae

Interpretation Versuche 1 bis 5

Wir haben mit diesen Versuchen gelernt, wie man eine Solarzelle installiert und zwar so, dass wir den größten Nutzen daraus ziehen können. Dazu zählen z.B. die Ausrichtung und der Winkel der Solarzellen zur Sonne. Darüberhinaus haben wir gelernt wie U-I-Kennlinien und I-P-Kennlinien mit der graphischen Darstellung aussehen und was man daraus schließen kann z.B. kann man ganz klar den MPP erkennen.

(Mai)

Quellen

• Hinweise/ Erläuterungen zu den Photovoltaikversuchen (von unserer Lehrerin)

• Bilder sind alle von uns gemacht.

  Weitere Quellen sind Arbeitsblätter unserer Lehrerin und Heftaufschriebe vom Unterricht!

  
  
  Auf folgender Internetseite haben wir ein paar interessante Informationen gefunden:

  http://www.rechner-photovoltaik.de/photovoltaiklexikon/photovoltaik-fuer-kinder-erklaert