Station 1 Experimente Fortgeschrittene

Experiment 1

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.

Licht Energieform Eigenschaften der Energieform Licht

Solarzelle Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess in der Solarzelle

Elektromotor Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess im Elektromotor

Propeller Energiewandler Energie- Umwandlungsprozess durch den Propeller

Experiment 2: Die elektrische Spannung der Solarzelle

Die Leerlaufspannung U_oc
U_oc 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 OHProjektor	Draußen bei Sonnenschein im Schatten	Draußen bei bedecktem Himmel	Im beleuchteten Innenraum
Leerlaufspannung U in V mit Solar-Motor
Leerlaufspannung U in V Motor ausgeschaltet

Experiment 3 Die maximale Stromstärke der Solarzelle = Kurzschlussstrom

Der Kurzschlussstrom I_sc 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 I_sc in A und in mA mit Solar-Motor
Kurzschlussstrom I_sc in A und in mA Motor ausgeschaltet

Was fällt Dir bei der Spannungs- und Stromstärkemessung auf, notiere hier Deine
Beobachtungen und Erklärungen:

4. Die elektrische Leistung der Solarzelle PE in W (Watt)

Formel: PE = U_oc x I_sc 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.

Ort der Messung	Draußen bei Sonnenschein zur Sonne gerichtet	Draußen bei Sonnenschein im Schatten	Draußen bei bedecktem Himmel	Im beleuchteten Innenraum
Kurzschlusstrom I_sc in A Werte übernehmen
Spannung U_oc in V Werte übernehmen
Leistung P U_oc x I_sc x 0,8 in W
Leistung P U_oc x I_scx 0,8 in mW

5. Die Qualität der Solarzelle++++++++++Solarzelle

Die Qualität einer Solarzelle wird mit der Stromdichte j (in mA/cm²)gemessen. Die Stromdichte gibt dabei an, wieviel Stromstärke ein 1cm²großes 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

Qualität der Solarzelle: j= Sehr gut: > 40 mA/cm²
Gut 32- 40 mA/cm²
Mittel: 24- 32 mA/cm²
Schlecht: < 24 mA/cm²
Bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² !!
Maximal möglicher theoretischer Wert: 45 mA/cm²

Art der Solarzelle im Solarmodul: Bitte Zelltyp umkringeln

monokristalline Solarzelle – polykristalline Solarzelle

Erkläre stichpunktartig den unterschiedlichen Aufbau dieser beiden Zelltypen (Internet)

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 U_ocin V I_scin A Modul 1

Modul 2

Modul 3

Modul 4

Werte für die Reihenschaltung von.............Modulen:

Uges=..............................V

Isc =................................A

Was fällt auf, beschreibe und erkläre!

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