Spannung und Stromstärke einer Solarzelle Einfluss von der Fläche und der Beleuchtungsstärke

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1 Spannung und Stromstärke einer Solarzelle ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, Lichtintensität, Elektrische Energie, Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke Prinzip Solarzellen wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um. Die maximal erreichbare Spannung bzw. Stromstärke bestimmen ihre Anwendungsmöglichkeiten. Die maximale Spannung einer Solarzelle ist die Leerlaufspannung U 0, bei der sich kein Widerstand im Stromkreis befindet (Widerstand = ). Die maximale Stromstärke ist die Kurzschlussstromstärke I K. Sie wird erreicht, wenn der Widerstand gleich Null ist, also nur ein Leitungsdraht ( Kurzschluss ) im Stromkreis ist. Im Versuch werden zunächst Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke in Abhängigkeit von der beleuchteten Fläche einer Solarzelle untersucht. Anschließend wird die Solarzelle auf der Tafel verschoben um die Lichtintensität zu ändern und dann ebenfalls diese beiden Größen zu bestimmen. Material *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Solarzelle, DB *1 Maßstab für Demo-Tafel *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel *1 Karton, schwarz, 1 Stück von Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E27, Reflektor, Halter Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor **1 Cobra4 Wireless-Manager **1 Cobra4 Wireless-Link Klebefilm **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 500 mm, rot Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 500 mm, gelb PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 1 Klebefilm * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau 1: Messung der Spannung P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Spannung und Stromstärke einer Solarzelle Hinweis Die Bedeutung der Begriffe Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke sollten den Schülerinnen und Schülern erläutert werden. Erklärt werden sollte das Messen der Kurzschlussstromstärke, da ein Amperemeter im Stromkreis immer mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Der Widerstand besteht in diesem Fall allerdings nur aus einem Leitungsdraht. Auch das Amperemeter wird deshalb direkt an die Solarzelle angeschlossen. Wichtig ist außerdem mit einem hochohmigen Voltmeter zu messen und mit einem niederohmigen Amperemeter. Deshalb wird bei der Cobra4 Sensor-Unit Energy der Ampere Messbereich verwendet. Dort beträgt der Innenwiderstand dann nur 33 mω. 1. Änderung der beleuchteten Fläche Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. - Über der Solarzelle an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen und die Lampe haltern (Abb. 2). - Der Abstand zwischen der Mitte der Solarzelle und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. - Schwarze Pappe so schneiden oder falten und mit Klebefilm fixieren, dass sechs Lagen Pappe übereinander sind und den Solarzellenbaustein vollständig abdecken können. Abb. 2: Aufbau Lampe Durchführung - PC und Windows starten. Abb. 3: Messwertaufnahme: Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der beleuchteten Fläche 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Spannung und Stromstärke einer Solarzelle ENT - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. 1.1 Messung der Spannung - Experiment ENT - Spannung laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). - Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Einzelmessung ohne Abdeckung durch Pappe durchführen. - Ein Viertel der Solarzelle mit schwarzer Pappe sorgfältig abdecken und eine Einzelmessung durchführen. - Weitere Viertel abdecken und jeweils Einzelmessungen durchführen, dabei beim 5. Messwert die Solarzelle vollständig, über ihren Rand hinaus, abdecken. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 4: Versuchsaufbau 2: Messung der Stromstärke P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Spannung und Stromstärke einer Solarzelle 1.2 Messung der Stromstärke - Den Stromkreis nach Abb. 4 aufbauen. - Darauf achten, dass der rote Stecker in die A -Buchse an der Sensor-Unit Energy gesteckt wird. - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. - Experiment ENT - Stromstärke laden (Experiment > Experiment öffnen > ). - Fünf Einzelmessungen analog zur Spannungsmessung durchführen und bei der fünften Messung den Baustein mit Solarzelle wieder vollständig abdecken. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Abb. 5: Messung: Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der beleuchteten Fläche Abb. 6: Messung: Kurzschlussstromstärke in Abhängigkeit von der beleuchteten Fläche 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Spannung und Stromstärke einer Solarzelle ENT Auswertung In Abb. 5 mit Hilfe der Funktion Vermessen eine waagerechte Linie durch die ersten gemessenen Spannungswerte legen. Die ersten vier Messwerte sind nahezu konstant, während die letzten beiden einen sehr deutlichen Abfall zeigen. Abb. 6 zeigt, dass die Kurzschlussstromstärke mit kleiner werdender Stromstärke abnimmt. Mit der Funktion Regression kann man sogar zeigen, dass dies nahezu linear geschieht. 2. Änderung der Lichtintensität Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. - Den Maßstab für die Demo-Tafel waagerecht mit der Null über der Solarzelle positionieren. Durchführung Messung der Spannung - Experiment ENT - Spannung laden (Experiment>Experiment öffnen> ). - Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Einzelmessung durchführen. - Die Solarzelle um 5 cm entlang des Maßstabes verschieben. - Eine weitere Einzelmessung durchführen, bis das Ende des Maßstabes erreicht wird. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. 2.2 Messung der Stromstärke - Den Stromkreis nach in Abb. 4 aufbauen, den Maßstab nicht bewegen. - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. - Experiment ENT - Stromstärke laden (Experiment > Experiment öffnen > ). - Darauf achten, dass der rote Stecker in die A -Buchse an der Cobra4 Sensor-Unit Energy gesteckt wird. - Einzelmessungen wie bei der Spannungsmessung durchführen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. - Lampe ausschalten. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Spannung und Stromstärke einer Solarzelle Beobachtung Abb. 7: Messung: Leerlaufspannung in Abhängigkeit vom Abstand Abb. 8: Messung: Kurzschlussstromstärke in Abhängigkeit vom Abstand Auswertung In Abb. 7 mit Hilfe der Funktion Vermessen eine waagerechte Linie zwischen die ersten drei gemessenen Spannungswerte legen. Die ersten drei Messwerte zur Spannung sind nahezu konstant, danach zeigen die weiteren Messungen einen leichten Abfall. Abb. 8 zeigt: Je größer der Abstand zur Lichtquelle ist, desto kleiner ist die ermittelte Stromstärke, wobei die Stromstärke ungleichmäßig abnimmt. 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Spannung und Stromstärke einer Solarzelle ENT Weitere Auswertung Im ersten Teilversuch ist die Kurzschlussstromstärke proportional zur Größe der beleuchteten Fläche. Beim zweiten Teilversuch hingegen nimmt die Lichtintensität ungleichmäßig ab und damit kann keine Linearität zwischen Stromstärke und Lichtintensität festgestellt werden. Die Leerlaufspannung ist vor allem vom Material der Solarzelle abhängig. Die hier verwendete Siliziumzelle liefert einen typischen Wert um etwa 0,5 V. Bei geringer Lichtintensität ist die Leerlaufspannung nicht mehr konstant, wie man im zweiten Teilversuch deutlich sehen kann. Anwendung Dieser Versuch macht deutlich, dass Fotovoltaik-Anlagen nicht durch Pflanzen oder Gebäude abgeschattet werden sollten, da sonst die Stromstärke und damit die Leistung stark abnimmt. Ebenso ist auf die Ausrichtung der Solarzelle zu achten. Für eine optimale Nutzung sollte die Solarzelle senkrecht zum Lichteinfall positioniert werden und idealerweise auch der sich bewegenden Sonne nachlaufen. Dadurch wird die Leistung maximiert. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN Einfluss der Beleuchtung auf Spannung und Stromstärke einer Solarzelle (P ) 2.2 Einfluss der Fläche einer Solarzelle auf Spannung und Stromstärke einer Solarzelle (P ) 2.7 Spannung und Stromstärke einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Analog-Demomultimeter ADM P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 7

8 ENT Spannung und Stromstärke einer Solarzelle Raum für Notizen 8 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P