S olar - L ehrbaukasten

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S o l a r - L e h r b a u k a s t e n
Inhalt:
1x Solarmodul mit Ständer
4x Verbindungskabel
1x Lampengahäuse mit Lampe
1x Musikwerk mit Gehäuse
1x Motor mit Halterung und Ständer
1x Kunststoffadapter und Kartondrucke für den Motor
1x Luftschraube
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Die Herstellung von Solarzellen
Das Material, aus dem Solarzellen hergestellt werden, ist Quarzsand. Dieser wird durch ein spezielles Verfahren
von Verunreinigungen befreit und dann zu einem Siliziumblock verarbeitet. Je nach Typ der Zelle sind
hierfür unterschiedliche Verfahren notwendig.
Bei monokristallinen Zellen wird ein Tiegelziehverfahren angewandt. Ein Siliziumkristall wird in das heiße, flüssige Silizium eingetaucht. Das flüssige Silizium verbindet sich mit dem eingetauchten Siliziumkristall, während
dieser langsam aus dem Tiegel herausgezogen wird. So entstehen Siliziumstangen mit einer Länge von über 1
Meter und einem Durchmesser von ca. 12 cm.
Bei polykristallinen Zellen wird das heiße Silizium in eine Form gegossen und allmählich abgekühlt. Auch bei
diesem Verfahren entstehen Siliziumstangen.
Nun werden diese Stangen, die bei den beiden Verfahren entstehen, in hauchdünne Scheiben (< 0,5 mm)
geschnitten. Jede Scheibe wird durch Ätzen und Schleifen geglättet. Danach werden beide Seiten mit verschiedenen Fremdatomen gezielt verunreinigt. Dieses nennt man dotieren. Durch die Dotierung erreicht man,
daß die eine Seite positiv geladen ist und die andere Seite negativ, was später zur Folge hat, daß ein Strom bei
Lichteinfall fließen kann. Die Rückseite der Solarzelle wird mit einer sehr dünnen Schicht Aluminium überzogen.
Diese Aluminiumschicht dient als Pluspol. Die Vorderseite wird ebenfalls mit Aluminium überzogen, allerdings
nicht flächendeckend, sondern das Aluminium stellt lediglich schmale Leiterbahnen dar, damit weiterhin Licht
auf das Silizium fallen kann. Zuletzt wird noch eine Lötfahne auf die Leiterbahnen aufgebracht, die den zweiten
Anschluß darstellt, den Minuspol.
Die Umwandlung von Licht in Strom
Das Licht besteht aus unzähligen winzigen Energieträgern, den Photonen. Treffen diese Photonen auf der Solarzelle auf, werden Elektronen auf der n-Schicht freigesetzt. Diese Elektronen versuchen nun zur p-Schicht zu
wandern. Diese Wanderung nennt man den Stromfluß. Dieser findet immer von - nach + statt. Wird nun ein Verbraucher an der Solarzelle angeschlossen, führt die Wanderung des Elektrons durch den Verbraucher hindurch
und treibt zum Beispiel bei einem Motor die Motorachse an.
Leistung
Sonnenlicht beinhaltet viele Farben. Farbe und relative Leistung einer
jeder Farbe ist abhängig von der Wellenlänge.
Das Diagramm zeigt den Zusammenhang von Leistung und Wellenlänge
der einzelnen Farben.
Wellenlänge
ultraviolett sichtbar
infrarot
Solarzellen verarbeiten nur einen TeiI des sichtbaren Lichts. Sie arbeiten
vor allem im Wellenbereich von 0,4 µm bis 1,1 µm. Dies ist der InfrarotBereich, hier geben sie ihre größte Leistung ab.
Wellenlänge
Ampere
Bei vielen Standorten erhalten Solarzellen nicht das maximale Sonnenlicht. Das Diagramm zeigt die Leistung einer Solarzelle bei unterschiedlicher Lichteinstrahlung.
Volt
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Die Spannungserhöhung durch die Reihenschaltung
Um die Spannung einer Solaranlage zu erhöhen, müssen einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet werden. Das
ist z.B. typisch für Standardmodule, da diese in der Regel aus 36 Zellen, die in Reihe geschaltet sind,
bestehen.
Die Stromerhöhung durch die Parallelschaltung
Um den Strom einer Solaranlage zu erhöhen, müssen einzelne Solarzellen parallel geschaltet werden. Um
dieses zu beweisen, erstellen wir die folgende Schaltung. Zu beachten hierbei ist, daß nur Solarzellen des gleichen Typs parallel geschaltet werden dürfen.
Reihenschaltung
Parallelschaltung
Wieviel Energie kann man vom Solarmodul erhalten?
Der Sonnenenergie sind keine Grenzen gesetzt. In den folgenden Abbildungen wird in Reihen- und Parallelschaltungen die unterschiedliche Leistung der verbundenen Solarzellen dargestellt.
Reihenschaltung an unserem Solarmodul
U1
U
0,5V
100mA
U1
1,5V
100mA
U1
U2
U3
U2
3,0V
100mA
U2
U3
4,5 V
100mA
U3
Solarzellen nach Abbildung miteinander verbinden um die unterschiedlichen Spannungen zu erhalten.
Uges. = U1+U2+U3 = 1,5V+1,5V+1,5V = 4,5 V
Iges. = I1=I2=I3 = constant = 100 mA
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Parallelschaltung an unserem Solarmodul
200MA
U1
1,5V
100mA
U2
1,5V
200mA
I1
U3
1,5 V
300mA
I2
I3
Solarzellen nach Abbildung miteinander verbinden um die unterschiedlichen Stromstärken zu erhalten.
Iges. = I1+I2+I3 = 100mA+100mA+100mA = 300 mA
Uges. = U1=U2=U3 = constant = 1,5V
Der Aufbau der einzelnen Module kann der Anleitung ab Seite 10 entnommen werden (Text in Englisch, Bilder
aber ausreichend).
Beispiele sind auf den Seiten 6 bis 9 aufgeführt (Text in Englisch, Bilder aber ausreichend).
Spannungen für verschiedenen Verbraucher:
Lampe, Motor:
1,5 V /300mA
Musikwerk:
4,5 V /100mA
(Radio, Taschenrechner, Batterieladegerät, Spielsachen usw....
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4,5 V / 100 mA
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