Sonnenenergie – Energie der Zukunft

Sonnenenergie – Energie der Zukunft
Messung der Stromproduktion von Solarzellen
Andreina Pauli
Martin Schulz
Christoph Kenel
Stefan Boos
Herr Arno Germann
Kantonsschule Kreuzlingen
Naturwissenschaftswoche
Kreuzlingen, September 2004
Sonnenenergie – Energie der Zukunft
Messung der Stromproduktion von Solarzellen
Andreina Pauli
Martin Schulz
Christoph Kenel
Stefan Boos
Herr Arno Germann
Kantonsschule Kreuzlingen
Zusammenfassung
Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche wurde die Stromproduktion von Photozellen bei
unterschiedlichen Beleuchtungsstärken und Winkeln untersucht. Die dabei durchgeführten
Experimente, beweisen die von dem Forschungsteam aufgestellten Hypothesen. Es wurden
verschieden Winkelmessungen für den Einfall der Sonnenstrahlen auf die Photozelle gemessen.
Zusätzlich wurden Spannungen in Abhängigkeit der Distanz von Photrozelle zur Lichtquelle
gemessuen und ausgwertet. Die grösste Aufmerksamkeit galt der Messung von dem Verhältnis
der Beleuchtungsstärke und der Spannungsproduktion. Es entstanden bei jedem Experiment drei
bis vier Messreihen, wodurch immer sehr ähnliche Resultate entstanden. Im Laufe der
Forschungszeit wurden die Messmethoden immer mehr verfeinert. Mit den Resultaten wurden
zum Schluss anschauliche Graphiken angefertigt und ausgewertet.
Summary
In a science of nature-week the production of current by a photocell was researched in different
intensities of light and angles. The experiments proved the hypothesis of the relations between
illumination and voltage and between voltage and angles. Different angles of incidence on the
photocell were measured. Additionally the voltage subject to the distance of the photocell to the
light source was researched. In every experiment were developped three to four testseries, by
what similar results generated. While the time of researching the measurement methodes were
improved. In the end demonstrative graphs were produced with the results ot the experiments.
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Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung.............................................................................................................................2
Summary............................................................................................................................................ 2
Einleitung............................................................................................................................................4
NWW – Materialliste und Forschungsmethode................................................................................. 5
Resultate............................................................................................................................................ 6
Diskussion........................................................................................................................................ 10
Literaturverzeichnis.......................................................................................................................... 12
Danksagung..................................................................................................................................... 12
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Einleitung
Die Photovoltaik spielt in der Energiegewinnung des 21. Jahrhunderts eine grosse Rolle. Bei der
Photovoltaik wird Licht in elektrische Energie umgewandelt. Dazu sind Halbleiter notwendig,
welche eine ähnliche Struktur aufweisen, wie sie bei der Herstellung von
integrierten
Schaltkreisen verwendet wird. Die Solarzellen bestehen aus solchen Halbleitern, meistens
Silizium, und wandeln eintreffende Lichtquanten (Photonen) in elektrischen Gleichstrom um.
Dieser kann mittels eines Wechselrichters zu netzkonformem Wechselstrom umgewandelt
werden.
Alle Solarzellen werden aus dem gleichen Ausgangsmaterial und mit den selben Basisprozessen
hergestellt. Es sind jedoch verschiedene Formen und Technologien auf dem Markt erhältlich.
- Monokristalline Zellen: Jede Zelle wird von einem Siliziumeinkristall abgeschnitten, wobei dieser
Zelltyp die höchste Effizienz ausweist.
- Polykristalline Zellen: Die einzelnen Siliziumkristalle der Zellen sind gut sichtbar. Die Effizienz ist
gegenüber den monokristallinen Zellen etwas geringer, dafür ist die Herstellung polykristalliner
Zellen etwas kostengünstiger.
- Amorphe Zellen: Bei diesem Zelltyp ist keine Kristallstruktur erkennbar. Auch diese Zellen weisen
eine geringere Effizienz auf, sind jedoch in der Herstellung um einiges günstiger. Dieser Zelltyp
wird häufig in portablen Geräten wie Taschenrechner, Mobiltelephonen etc. verwendet. Neuere
Produktionstechniken erlauben die Herstellung von grossflächigen Dünnfilm-Zellen, welche bei
Fassadenelementen Verwendung finden.
Diese Arbeit ist Teil einer Naturwissenschaftlichen Woche der Kantonsschule Kreuzlingen der
Forschungsgruppe Energie, betreut von Herrn Germann.
Aufgrund der Klimaerwärmung, der Knappheit an fossilen Energieträgern und anderen
ökologischen Problemen ist eine Wende bei der Energieproduktion dringend vonnöten. In nicht
sehr ferner Zukunft werden die Erdölvorräte auf unserem Planeten erschöpft sein und damit wird
der Energielieferant Nummer Eins ausfallen. Deshalb ist es schon jetzt nötig sich nach neuen
Energiequellen umzusehen und eine dieser Energiequellen ist die Solarenergie.
Es soll eine Aussage darüber gemacht werden können, wie eine Solarzelle installiert werden
muss, um eine möglichst hohe Energiemenge zu produzieren. Dazu soll der Einstrahlungswinkel
und die Stärke des Lichtes verändert werden und die gewonnen Daten in Graphiken
zusammengefasst werden.
Fragestellungen:
- Welchen Einfluss haben Einstrahlwinkel und Stärke des Lichts auf die Stromproduktion einer
Solarzelle?
- Wann erreicht die Solarzelle ihre maximale Energieproduktion?
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Hypothesen
Hypothese 1:
Je stärker das Licht ist, desto höher ist auch die Energieproduktion.
Hypothese 2:
Je kleiner der Einstrahlwinkel zur Orthogonalen der Solarzelle ist, desto höher ist die
Energieproduktion.
Hypothese 3:
Mit zunehmenden Abstand nimmt die Spannungsproduktion ab.
NWW – Materialliste und Forschungsmethode
Materialliste:
- Photozelle
- Voltmeter und Ampèremeter bzw. Multimeter
- Experimentierkasten Elektronik vom Physiklabor
- Experimentierkabel
- Digitale Aufzeichnungsmöglichkeit mit Logger Pro 3
- Beleuchtungsmesser bzw. Luxmeter
Experimente
In einem ersten Experiment soll der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Spannung
erforscht werden. Dazu wird ein Stromkreislauf auf dem Dach der Turnhalle der Kantonsschule
Kreuzlingen aufgebaut und die Beleuchtungsstärke und die Spannung, welche von der Photozelle
produziert wird, gemessen. Die so gewonnenen Daten werden anschliessend mithilfe einer
Software in Graphen umgewandelt und mit Kurven verglichen, um die Art des Zusammenhangs zu
klären.
In einem zweiten Experiment soll der Zusammenhang zwischen Abstand von der Photozelle zur
Lichtquelle und der produzierten Spannung untersucht werden. Dazu wird ein Stromkreislauf in
einem abgedunkelten Zimmer der Kantonsschule Kreuzlingen aufgebaut und die produzierte
Spannung bei variierendem Abstand der künstlichen Lichtquelle gemessen. Die gewonnenen
Daten werden wiederum mit der gleichen Software ausgewertet und verglichen.
In einem dritten Experiment soll der Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und produzierter
Spannung bei konstanter Beleuchtungsstärke ermittelt werden. Dazu wird zum wiederholten Male
ein Stromkreis aufgebaut, wobei die Lichtquelle fest installiert und die Photozelle drehbar gelagert
ist. Anschliessend werden Spannung und Einfallswinkel gemessen und graphisch ausgewertet.
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Resultate
Bei einer Messung auf dem Dach der Turnhalle der Kantonsschule Kreuzlingen wurden die in
Abbildung 1 und 2 zusammengefassten Daten gewonnen. Dabei war der Winkel der
Sonneneinstrahlung konstant, während die Beleuchtungsstärke variierte. Infolge dessen variierte
auch die von der Photozelle erzeugte Spannung, was in den Graphen gut zu sehen ist.
Abbildung 1: Spannung über 30 Minuten
Abbildung 2: Lichtstärke über 30 Minuten
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Die Graphen aus Abbildung 1 und 2 wurden in Abbildung 3 zusammengefasst und ausgewertet.
Dabei wurde die Korrelationsgerade in die Graphik eingefügt, um den Zusammenhang zwischen
produzierter Spannung und Lichtstärke aufzuzeigen. Auch wurde ein kleines Feld mit wichtigen
Daten zu dieser Korrelationsgeraden eingefügt, damit diese Daten sofort aus der Graphik
ersichtlich sind. Aufgrund einer Rundungsfunktion der Software, welche nicht unterbunden werden
konnte, und dem sehr kleinen Darstellungsbereich werden die einzelnen Messpunkte
untereinander dargestellt.
Abbildung 3 X=Spannung in Volt; Y=Beleuchtunsstärke in Lux
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Es wurde ebenfalls eine Messung der von der Photozelle produzierten Spannung bei variierenden
Einfallswinkeln des Lichtes durchgeführt. Die so gewonnenen Daten wurden mit Hilfe einer
Software ausgewertet und der Sinuskurve verglichen. Dabei ist der Zusammenhang je grösser,
desto kleiner die mittlere Abweichung (RMSE-Wert in Abbildung 4) von der Sinuskurve ist. In der
Graphik ist auch erkennbar, wie die von uns gemessenen Daten bis zu einem Winkel von 40°
leicht unter dem Wert der Sinuskurve liegen. Von 40° bis 80° liegen die Daten leicht über dem
Sinuswert. Diese Abweichungen sind wahrscheinlich durch die qualitativ nicht sehr hochstehenden
Messmethoden begründet.
Abbildung 4 X = Winkel in Grad; Y= Spannung in Volt
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Bei einer Messung der Spannung bei variierendem Abstand von der Lichtquelle sollte der
Zusammenhang zwischen einer kleineren Spannungsproduktion bei zunehmendem Abstand
aufgezeigt werden. Dazu wurden die gemessenen Daten in einem Graphen zusammengefasst,
um bestimmen zu können, in welchem Mass Abstand und Spannung voneinander abhängen.
In Abbildung 5 ist dieser Graph zu sehen und eine zum Vergleich eingefügte Kurve, welche ein
Ausschnitt aus einer Parabel darstellt. Beachtlich ist auch der sehr kleine RMSE-Wert.
Abbildung 5 X= Spannung in Volt; Distanz in Meter
Bei allen Messungen wurde eine Photozelle mit einer Nennspannung von 0.48 Volt und einem
Kurzschlussstrom von 2.9 Ampère verwendet. Als Messinstrument diente ein Logger der Firma
Vernier mit den entsprechenden Sensoren.
Alle Graphen wurden mit Hilfe von Logger Pro 3 erstellt und verglichen.
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Diskussion
Während der Forschungen wurden die oben aufgeführten Hypothesen bestätigt. Es wurde
festgestellt,
dass
mit
einer
Veränderung
der
Beleuchtungsstärke
sich
auch
die
Spannungsproduktion der Photozelle ändert. Das heisst, wenn die Lichtquelle verdunkelt wird, ist
die Spannungsproduktion der Spannungsquelle geringer als bei voller Beleuchtung. Damit wurde
die erste Hypothese (siehe Abbildung 1 und 2) bestätigt. Der Zusammenhang zwischen Lichstärke
und Spannungsproduktion ist annähernd linear. Die Korrelationsgerade in Abbildung 3 beweist
diesen Sachverhalt, wobei der Korrelationswert fast 0.9 erreicht, was ein deutliches Indiz für einen
annähernd linearen Zusammenhang ist.
Mit zunehmendem Abstand nimmt die Spannungsproduktion ab. Wie in Abbildung 5 durch den
Vergleich mit dem Parabelausschnitt gezeigt wird, geschieht das quadratisch.
U  x=a  x−b2v
Theoretisch wäre v = 0, da aber ein Störlicht von etwa 100 lux im Messraum vorhanden war, lag
der Wert für v leicht über 0.
Für die Spannungsabnahme bei zunehmendem Abstand ergibt sich deshalb die untenstehende
Formel, in der E der Energie, I der Beleuchtungsstärke und r dem Abstand entspricht.
E=
I
r2
Fällt Sonnenlicht in verschiedenen Einfallswinkel auf die Photozelle, ohne Veränderung der
Beleuchtungsstärke, wird je nach Winkel die Produktion der Spannung beeinflusst. Der Graph, der
sich daraus ergibt, ist sinusförmig (siehe Abbildung 4). Die Hypothese, je kleiner der
Einstrahlwinkel zur Orthogonalen der Solarzelle ist, desto höher ist die Energieproduktion, ist
damit ebenfalls bewiesen, da auch in der Messung die höchste Spannung bei einem Einfallswinkel
von 90° lag. Dabei muss nur die Formel, welche beim Zusammenhang zwischen Abstand und
Spannung aufgestellt wurde, verallgemeinert werden. Dies geschieht durch eine Multiplikation mit
dem Cosinus von 90° minus dem Einfallswinkel.
I
E= 2 ∗cos 
r
Die Photozelle erreicht ihre maximale Spannungsproduktion bei einer möglichst hohen
Beleuchtungsstärke und einem senkrechten Einfallswinkel. Die Forschungsarbeiten waren also
durchaus
von
Erfolg
gekrönt.
Ob
die
Photozelle
eine
„natürliche“
Grenze
bei
der
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Spannungsproduktion hat, wurde in dieser Arbeit nicht untersucht.
Kritik an den Messungen ist vor allem bei der Genauigkeit von Abstands- und Winkelmessungen
anzubringen. So könnten die Entfernungen mit Hilfe von optischen Vermessungsmethoden
genauer ausmessen und auch die Winkel auf Gradsekunden genau bestimmt werden. Ein
weiterer Kritikpunkt ist die künstliche Lichtquelle, welche für die Messungen für den
Zusammenhang zwischen Einfallswinkel des Lichtes und produzierter Spannung und zwischen
Entfernung der Lichtquelle und produzierter Spannung verwendet wurde. Als Lichtquelle diente ein
Halogenstrahler, der weit davon entfernt ist eine punktförmige Lichtquelle zu sein, was vorallem
die quantitativen Messungen leicht verfälscht haben dürfte. Auch war der Raum, in dem die
Messungen durchgeführt wurden, nicht vollständig zu verdunkeln und Wände, Scheiben u.a.
reflektierten ein Teil des Lichtes, wodurch trotz aller Sorgfalt eine gewisse Grundhelligkeit in dem
Raum vorherrschte.
Die in dieser Forschungsarbeit vorgestellten Erkenntnisse könnten zum Beispiel dafür verwendet
werden, um eine Solarstromanlage so aufzubauen, damit eine möglichst
effiziente Nutzung
ermöglicht wird.
An diese Arbeit anschliessend, könnte untersucht werden, ob eine Photozelle eine nach oben
begrenzte Spannung produziert oder ob die Spannungsproduktion immer weiter gesteigert werden
kann, bis die Photozelle zerstört oder beschädigt wird. Auch stehen noch einige Fragen im Raum:
- Wie reagiert die Photozelle auf verschiedene Wellenlängen des Lichts?
- Gibt es eine „bevorzugte“ Wellenlänge, also eine erhöhte Spannungsproduktion bei einer
gewissen Wellenlänge?
- Spielt die Temperatur bei der Höhe der Spannung eine Rolle?
- Gibt es eine Temperatur, bei welcher die Spannungsproduktion bei gleicher Beleuchtungsstärke
und Einfallswinkel am höchsten ist?
- Was passiert, wenn der Luftdruck verändert wird? Gibt es auch hier ein Optimum?
- Könnte durch eine schwenkbar montierte und computergesteuerte Solarzelle, welche immer
optimal ausgerichtet wird, eine höhere Effizienz erreicht werden?
- Lohnt sich ein solcher Aufwand, wie in der vorherigen Frage vorgestellt, oder wird
mehr
Strom verbraucht, als durch die Optimierung gewonnen wird?
- Lässt sich durch eine spezielle Beschichtung, welche das Licht so bricht, das es möglichst
senkrecht auf die Solarzelle fällt, deren Spannungsproduktion optimieren?
- Ist so eine Beschichtung überhaupt machbar oder ist das ein Ding der Unmöglichkeit?
- Kann man auch biologische Solarzellen entwickeln?
- Wären diese besser / billiger / leichter ?
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Literaturverzeichnis
GERMANN A. (2004): Mündliche Mitteilungen am 20. / 21. / 22. / 23.9.04, Kreuzlingen
MÜLLER A. (2004): Mündliche Mitteilungen am 20. / 21.9.04, Kreuzlingen
ZURMÜHLE D. (2004): Mündliche Mitteilung am 21.9.04, Kreuzlingen
Danksagung
An dieser Stelle möchten wir Herrn Germann und Herrn Zurmühle für ihre Erklärungen und
Anregungen bei unseren Experimenten und Auswertungen danken. Diese beiden Personen haben
uns einerseits einigen Mehraufwand und auch einiges Kopfzerbrechen bereitet, andererseits
haben sie uns bei unserer Arbeit öfters unter die Arme gegriffen und uns geholfen.
Auch möchten wir hier Herrn Müller danken, der uns bereitwillig und jederzeit das benötigte
Material zur Verfügung stellte und uns auch Tipps beim Aufbau unserer Messanordnungen gab.
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