Station 1 Experimente Fortgeschrittene
1.Umwandeln von Energie
Mit dem Solarmodul SUSE CM6MS lassen sich Energie- Umwandlungsprozesse an einem Solarmodul mit Solarzelle, Elektromotor und Propeller demonstrieren. Hierbei laufen mehrere Energieumwandlungsprozesse ab, bearbeite die nachfolgenden „Energiekästen“ und fülle sie mit einem eigenen Text aus.
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Licht Energieform Eigenschaften der Energieform Licht
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Solarzelle Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess in der Solarzelle
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Elektromotor Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess im Elektromotor
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Propeller Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess durch den Propeller
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2. Die elektrische Spannung der Solarzelle
Die Leerlaufspannung Uoc
Uoc ist die elektrische Spannung U der unbelasteten Solarzelle, es ist kein Gerät an die Solarzelle angeschlossen, oc = open circuit.
Der Wert der Leerlaufspannung ist vom Halbleitermaterial, der Lichtintensität (Bestrahlungsstärke S) und von der Qualität der Solarzelle abhängig.
Moderne Hochleitungs- Solarzellen aus Silizium erreichen Werte von 0,64….0,67V.
| Verwende ein Multimeter im Messbereich 20V DC und schließe das Voltmeter mit 2 Laborkabeln polrichtig an die beiden Buchsen der beleuchteten Solarzelle an. |
Der Wert der Spannung Uoc sollte im Sonnenlicht zwischen 0,60V und 0,64V liegen, bei bedecktem Himmel 0,5V - 0,6V, im Innenraum bei ca. 0,3V, unabhängig von der Fläche! Bei gleicher Bestrahlungsstärke sollten alle Solarzellen etwa die gleiche Spannung haben, der Standard-Test-Wert wäre 0,65 V. Kleine Differenzen sind Qualitätsunterschiede.
Die Leerlaufspannung hängt nur von der Lichtintensität, vom Material und der Qualität der Solarzelle ab. Bei unserer Solarzelle ist das Material Silizium Si.
Messungen zur Spannung:
| Ort der Messung | Draußen bei Sonnenschein zur Sonne gerichtet oder auf OH Projektor |
Draußen bei Sonnenschein im Schatten |
Draußen bei bedecktem Himmel |
Im beleuchteten Innenraum |
| Leerlaufspannung U in V mit Solar-Motor |
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| Leerlaufspannung U in V Motor ausgeschaltet |
3. Die maximale Stromstärke der Solarzelle = Kurzschlussstrom
Der Kurzschlussstrom Isc der Solarzelle sc = short circuit
Im Gegensatz zu anderen Stromquellen (Batterie, Netzgerät…) darf man Solarzellen kurzschließen, der Kurzschlussstrom ist sogar eine sehr wichtige Größe bei Solarzellen. Der Strom fließt hier direkt von Minus der Solarzelle über das Amperemeter zum Pluspol der Solarzelle.
| Verwende zur Stromstärkemessung ein Multimeter im Messbereich 10A DC, welches mit Laborkabeln an + und – Buchse der Solarzelle angeschlossen wird. Nur für Messungen im Innenraum den Messbereich 20mA oder 2mA verwenden! |
Der Wert des Kurzschlussstroms ist direkt proportional zur Zellenfläche und zur Lichtintensität /Bestrahlungsstärke, sowie abhängig von der Qualität. Standard-Test-Wert: Bei der Solarzelle dieses Moduls mit den Maßen 52mm x 26mm ist die Kurzschluss- Stromstärke bei einer Lichtintensität von 1000W/m² genau 1,025A = 1025mA.
Weitere Messungen:
| Ort der Messung | Draußen bei Sonnenschein zur Sonne gerichtet oder auf OHProjektor |
Draußen bei Sonnenschein im Schatten |
Draußen bei bedecktem Himmel |
Im beleuchteten Innenraum |
| Kurzschlussstrom Isc in A und in mA mit Solar-Motor |
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| Kurzschlussstrom Isc in A und in mA Motor ausgeschaltet |
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Was fällt Dir bei der Spannungs- und Stromstärkemessung auf, notiere hier Deine
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4. Die elektrische Leistung der Solarzelle PE in W (Watt)
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Formel: PE = Uoc x Isc x 0,8=.................W (Rechne hier mit deinen Messwerten aus den vorher gegangenen Aufgaben)
Vereinfachter Ansatz: P ist Leerlaufspannung x Kurzschlussstrom x 0,8, P sollte also im Idealfall bei 1000 W/m² Einstrahlung 0,53 W sein. Der Faktor 0,8 erklärt sich über die Kennlinie und den MPP der Solarzelle und lässt sich dort exakt bestimmen.
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| Ort der Messung | Draußen bei Sonnenschein zur Sonne gerichtet |
Draußen bei Sonnenschein im Schatten |
Draußen bei bedecktem Himmel |
Im beleuchteten Innenraum |
| Kurzschlusstrom Isc in A Werte übernehmen |
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| Spannung Uoc in V Werte übernehmen |
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| Leistung P Uoc x Isc x 0,8 in W |
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| Leistung P Uoc x Isc x 0,8 in mW |
5. Die Qualität der Solarzelle
Die Qualität einer Solarzelle wird mit der Stromdichte j (in mA/cm2)gemessen. Die Stromdichte gibt dabei an, wieviel Stromstärke ein 1cm2 großes Stück der Solarzelle produziert, je mehr desto besser! Dazu muss die Einstrahlung genau 1000 W/m2 betragen (internationaler Standard- Wert = strahlender Sonnenschein oder OHP- Projektor), denn bei geringerer Einstrahlung <1000 W/m² ist die Stromdichte j natürlich auch geringer!
| Kurzschlussstrom in mA j= --------------------------- = .................. mA/cm² bei 1000 W/m² Einstrahlung ! Zellenfläche in cm² |
| Die Stromdichte der verwendeten Zelle ist..........................mA/cm² |
Die Qualität der Solarzelle ist.................................................................................. Sehr gut – gut – mittel- schlecht |
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Qualität der Solarzelle: j= Sehr gut: > 40 mA/cm² |
Art der Solarzelle im Solarmodul: Bitte Zelltyp umkringeln
monokristalline Solarzelle – polykristalline Solarzelle
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Erkläre stichpunktartig den unterschiedlichen Aufbau dieser beiden Zelltypen (Internet)
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6. Die Reihenschaltung von Solarzellen
Solarzellen lassen sich in beliebiger Anzahl in Reihe schalten, um höhere Spannungen zu erreichen! In der Photovoltaik- Technik werden in den großen Solarmodulen meist 36…72 Solarzellen in Reihe geschaltet.
Mehrere Module SUSE CM6MS in Reihenschaltung: Lege die Module ins Sonnenlicht oder (mit der Oberseite nach unten!) auf einen Overheadprojektor und verschalte die Module in Reihe (wie in der Zeichnung dargestellt). Du kannst natürlich auch mehr als 4 Module in Reihe schalten, mit 6 Solarzellen in Reihenschaltung kannst Du schon ein 3V-Radio betreiben! Probiere es aus!
| Einzelmodul | Uocin V | Isc in A |
| Modul 1 | ||
| Modul 2 | ||
| Modul 3 | ||
| Modul 4 |
Werte für die Reihenschaltung von.............Modulen:
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Zusatzaufgabe zur Parallelschaltung:Solarzellen können auch parallel geschaltet werden. Erstelle eine solche Schaltung, führe
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7. Leerlaufspannung Uoc, Kurzschlussstrom Isc, Leistung P in Abhängigkeit von der bestrahlten Fläche der Solarzelle
In der Regel wird die gesamte Fläche der Solarzelle vom Licht bestrahlt. In der Praxis kann es aber dazu kommen, dass Solarzellen in Solarmodulen auf Dächern verschattet werden, z.B. durch Schattenwurf von Schornsteinen, Häusern, Bäumen, oder durch aufgefallenes Herbstlaub etc. Dann ändern sich die elektrischen Werte der Solarzelle. Diesen Effekt wollen wir in diesem Experiment untersuchen, indem wir die Solarzelle teilweise durch schwarzen Karton oder Alufolie abdecken.
Versuchsaufbau:
Wir stellen das Solarmodul SUSE CM6MS auf das Grundgerät SUSE 4.0, genau vor den Schraubstutzen, so dass die Solarzelle zum Halogenstrahler zeigt. Diese Position soll während der Experimente unverändert bleiben, den Strahler nur zu den Experimenten anschalten, damit sich die Solarzelle nicht stark erwärmt. An die Buchsen schließen wir ein Multimeter an (Pluskabel rot, Minuskabel schwarz), der Motor wird ausgeschaltet.
Versuchsdurchführung:
Wir messen die Leerlaufspannung Uoc (im Messbereich 20V DC) und den Kurzschlussstrom Isc (im Messbereich 10A DC), berechnen die Leistung P (P= 0,8*Uoc*Isc) und tragen die Werte in die Tabelle ein. Nun decken wir die Solarzelle mit schwarzer Pappe oder Alufolie genau zur Häfte ab (bis zum silbernen Mittelstreifen) und messen erneut, anschließend decken wir ¾ (= 75%) der Solarzelle ab und messen die Werte noch einmal.
| Abdeckung | Leerlaufspannung Uoc in V |
Kurzschlussstrom Isc in A |
Leistung P in W |
| keine Abdeckung | |||
| 50% abgedeckt | |||
| 75% abgedeckt |
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Auswertung: Was fällt Dir bei den Ergebnissen auf? Notiere hier Deine Beobachtungen und
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8. Wirkungsgradbestimmung einer Solarzelle
Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel % der eingestrahlten Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Voraussetzung: Overheadprojektor oder Sonnenlicht mit der Bestrahlungsstärke 1000 W/m²
- Umrechnung der Lichtleistung 1000 W/m² bzw. 0,1W/cm² auf die wirkliche Fläche der Solarzelle: Die Solarzelle hat ein Fläche von 27,04 cm², sie erhält bei 1000 W/m² eine Lichtleistung von :………………………………………………………… W
- Die elektrische Leistung (Aufgabe 4) war bei der gemessenen Zelle PE =……….......……….W
- Wirkungsgradberechnung:
Wirkungsgrad η = PE
PL × 100 = %
Der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzelle ist: %
8. Wirkungsgradbestimmung einer Solarzelle
Voraussetzung: Overheadprojektor oder Sonnenlicht mit der Bestrahlungsstärke 1000 W/m²
Fülle die Lücken im Text aus:
Wirkungsgrade von Solarzellen: Die verwendete Solarzelle war eine (Monokristalline / Polykristalline) Zelle. Ihr gemessener Wirkungsgrad war: (sehr gut — gut — mittel — schlecht). |
9. Messungen der Lichtintensität (Bestrahlungsstärke S) in W/m²
Mit der hier verwendeten kalibrierten Solarzelle kann die Lichtintensität des Lichts genau bestimmt werden, da der Kurzschlussstrom proportional zur Lichtintensität = Bestrahlungsstärke S ist.
1000 W/m² ist die Intensität der Lichtstrahlung der Sonne bei wolkenlosem Himmel im Sommer und ist internationaler Standard- Messwert für Solarzellen.
Kurzschlussstrom Isc der Solarzelle bei einer Bestrahlung von 1000 W/m²
ISC= …..……1,025………..………..A = ……..1025…………..….mA
Messung der Bestrahlungsstärke S von Licht (Lichtintensität) in W/m²:
Da der Kurzschlussstrom Isc einer Solarzelle proportional zur Bestrahlungsstärke S ist, gilt:
Messungen im Freien und bei Lichtquellen:
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Lichtstrahlung |
Kurzschlussstrom Isc in A | Bestrahlungsstärke Sx in W/m² |
| Strahlender Sonnenschein direkt zur Sonne gemessen |
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| Strahlender Sonnenschein im Schatten gemessen |
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Bedeckter Himmel
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Sehr trübes Wetter
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| Auf der Platte eines Overheadprojektors |
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| 10 cm über der Platte eines Overheadprojektors |
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| 40 cm vor Halogenlampe 35 W (Strahler SUSE 5.16) |
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| 40 cm vor Halogenstrahler 120 W |
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| Im Innenraum Zum Fenster hin ausgerichtet |
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| Im Innenraum Zur Decke hin ausgerichtet |
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Was fällt Dir bei den Experimenten auf, erläutere hier:
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25 Fragen zum Solarmodul und zu den Experimenten
QR Code digitales Quiz 
https://app.lumi.education/h5p/fragen-zum-solarmodul-und-zu-den-experimenten-t2yyjo
1. Aus welchem Material bestehen Solarzellen?
2. Welche Energieumwandlung findet in einer Solarzelle statt?
3. Warum sind Solarzellen auf der Vorderseite blau und auf der Rückseite grau?
4. Was bedeuten die vielen dünnen Linien auf der Vorderseite der Solarzelle?
5. Wo sind die elektrischen Pole der Solarzelle?
6. Wie groß ist die elektrische Spannung der Solarzelle SUSEmod215 bei Bestrahlung mit Sonnenlicht bei
strahlendem Sonnenschein? (S = 1000 W/m²) oder bei bedecktem Himmel (S= 200 W/m²)
7. Um eine größere Spannung zu erhalten, schaltet man 8 Solarzellen in Reihenschaltung. Zeichne diese Schaltung
und gib die Spannung an, wenn diese Reihenschaltung von strahlendem Sonnenschein bestrahlt wird.
8. Wie dick ist eine Solarzelle (Angabe in mm und in µm!)?
9. Was versteht man unter „Kurzschlussstrom“? Warum darf man eine Solarzelle kurzschließen, einen Akku
dagegen niemals?
10. Wie kann man durch Messungen die Qualität einer Solarzelle bestimmen?
11. Wie kann man mit der Solarzelle des Solarmoduls SUSE CM6MS die Lichtintensität (= Bestrahlungsstärke S)
bestimmen?
12. Bei grauem, bewölkten Himmel messen Sie mit SUSE CM6MS einen Kurzschlussstrom von I = 50 mA. Wie groß
ist die Lichtintensität (Bestrahlungsstärke) des Tageslichts?
13. Wie groß ist der Wirkungsgrad der Solarzelle SUSEmod215 ?
14. Eine große, quadratische 6- Zoll- Solarzelle (6 Zoll = 156 mm) hat im strahlenden Sonnenschein eine
Leerlaufspannung von 0,62 V und einen Kurzschlussstrom von 9,0 A. Nun wird sie mit dem Laser in 9 gleiche
Quadrate mit einer Kantenlänge von 52 mm geschnitten. Wie groß sind Leerlaufspannung und
Kurzschlussstrom einer kleinen Solarzelle?
15. Eine ganze Schulklasse mit 30 Schülern verschaltet ihre Module CM6MS in einer Reihenschaltung und stellt
diese in den strahlenden Sonnenschein. Wie groß sind Spannung und Kurzschlussstrom der Reihenschaltung?
16. Sie wollen mit den selbstgebauten Solarmodulen ein Smartphone laden. Dieses Gerät benötigt eine
Ladespannung von 5 V. Wie müssen Sie vorgehen, zeichnen Sie eine Schaltung und erklären Sie die Methode!
17. Wie groß sind Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und elektrische Leistung der Solarzelle SUSEmod215 bei
bewölktem Himmel mit S = 500 W/m2?
18. Quadratische Solarzellen werden heute im Maß 6 Zoll hergestellt. Wie groß ist die Seitenlänge in mm?
19. 10 gleiche Solarzellen werden parallel geschaltet. Welche Wirkung hat diese Schaltung?
20. Welches Element wird häufig zur n- Dotierung, welches zur p- Dotierung verwendet?
21. Eine Solarzelle in einem Solarmodul auf einem Dach wird durch ein aufgefallenes Blatt zu 70% abgedeckt. Wie
wirkt sich das auf ihre Spannung/Stromstärke/Leistung aus?
22. Die Solarzelle von Aufgabe 21 ist in Reihenschaltung mit 59 weiteren Solarzellen verbunden. Wie wirkt sich die
70%- Abdeckung auf die weiteren Solarzellen aus?
23. Von welchen Faktoren hängt die Größe des Kurzschlussstroms einer Solarzelle ab?
24. Von welchen Faktoren hängt die Leerlaufspannung einer Solarzelle ab?
25. Wenn sich Solarzellen auf einem Dach im Sommer auf 50°C erwärmen, welche Folgen hat das für U, I, P?
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