s - Hochschule Bochum

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1
2. Theorie der Solarzelle
2-8
•
•
•
•
2
Der Aufbau/ Die Herstellung einer Solarzelle
Unterschiede im Aufbau von monokristallinen,
polykristallinen und amorphen- I Dünnschichtzellen
3
Die Funktion einer Solarzelle
3-6
Wellenlängen des Lichts,
6-7
die in Strom umgewandelt werden
•
Erläuterung der genormten Messbedingungen
7,8
und der dabei entstehenden Probleme
3. Versuch zur Ermittlung der Effizienz verschiedener Solarzellen
•
•
•
•
Material und Methode
8-11
Messtechnik und Messprogramm
8,9
Erklärung und Berechnung der idealen Wie'derstände
9-11
11-12
Aufbau
•
Erklärung und Berechnung der idealen Ausrichtung
der Solarzellen in dem gegebenen Messzeitraum
•
•
•
•
•
und Messort
11
Befestigung der Solarzellen
11
Verkabelung
12
13
Messreihen
Erläuterung der Messreihen: Einbezug der Wetterdaten
Fazit
13-15
15-17
4. Anhang
18-30
5. Literaturverzeichnis
31
6. Eigenständigkeitserklärung
32
1
Einleitung
Liebe Leserinnen und Leser,
die Fragestellung mit der ich mich in dieser Facharbeit beschäftige ist, ob verschiedenen Solarzellentypen, die kleinere oder größere Unterschiede in der Herstellung und damit auch im Aufbau haben, Unterschiede in der Effizienz aufweisen.
Um die Fragestellung beantworten zu können , benötigt es sowohl das theoretische Wissen über den Aufbau der Solarzellen , wobei ich hier eine polykristalline,
eine monokristalline und eine amorphe Solarzelle untersuche, als auch praktische
Versuche, um aufgestellte Hypothesen eindeutig belegen zu können.
Da sich die Effizienz aber nur auf die Werte einer fertig produzierten Solarzelle
bezieht, werde ich weitergehend auch auf die Rentabilität der drei Solarzellen eingehen, um mir eine abschließende Meinung bilden zu können.
Ich habe dieses Thema ausgewählt, da ich an erneuerbaren Energien sehr interessiert bin und verstehen will, wie Solarzellen Strom produzieren , aber auch, weil
ich gerne eine konkrete Antwort auf folgendes Problem haben würde: Im Internet
gibt es zwar duzende Empfehlungen und auch Messreihen , doch nahezu alle beziehen sich verschönerte Idealwerte, die in der Realität aber fast nie so vorhanden
sind (nähere Erläuterung hierzu auf der Seite 7) .
Außerdem werden Solarzellen als Energieproduzenten aktuell sowohl ökologisch
als auch ökonomisch und politisch immer gefragter. Solarstrom ist einer der
Hauptträger der Energiewende, die die Lösung des Klimawandels ist.
Daher ist diese Facharbeit eine gute Möglichkeit für mich, all dies einmal zu hinterfragen und für die alltäglichen Bedingungen in Herne die effizienteste Solarzelle zu
ermitteln.
2
Theorie der Solarzelle
Der Aufbau/ Die Herstellung einer Solarzelle
Solarzellen, auch photovoltaische Zellen genannt, sind elektrische Bauteile, die
bestimmte Ausschnitte des Spektrums des Sonnenlichtes in Gleichstrom umwandeln . Die Grundlage hierfür ist der Aufbau einer Solarzelle.
Bis auf kleine Unterschiede in der Produktion haben alle Solarzellen das gleiche
Prinzip im Aufbau. Sie haben an ihrer Unterseite eine Metallfolie als Rückseitenkontakt und an ihrer Oberseite Metallkontakte, die aus dünnen Streifen bestehen ,
so dass die Lichteinstrahlung nicht behindert wird. Dort ist außerdem eine blau
schimmernde Schicht aus Titanoxid verbaut, die Reflexionsverluste verringert.1
Der wichtigste Bestandteil einer Solarzelle ist jedoch die Siliziumscheibe, die zwischen den beiden Kontakten liegt und aus gereinigtem Silizium, das aus QuarzSand gewonnen wird, besteht. 2 Silizium ist ein indirekter Halbleiter, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Nichtleiters und eines Leiters liegt. Mit Einstrahlung von Licht wird Silizium zu einem Leiter.3
Die Siliziumscheibe wird außerdem gezielt verunreinigt. Die untere p-dotierte
Schicht wird mit zum Beispiel Phosphor versetzt und die obere n-dotierte Schicht
mit Bor. Diese wird jedoch sehr dünn gehalten, damit sie lichtdurchlässig ist. 2
Antireflexschicht
n-Halbleiterschicht
ROckseiten-MetaJlkontakt
4
Abbildung 1 Aufbau einer Solarzelle im Modell
1
2
3
4
Vgl.
Vgl.
Vgl.
Vgl.
http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html, 13.03.2016
http://www.engelhardtelektro.de/faq/FunktionPhotovoltaik, 13.03.2016
http://www.chemie.de/lexikon/Halbleiter.html, 13.03.2016
http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html , 13.02.2016 (verändert)
3
Unterschiede im Aufbau von monokristallinen, polykristallinen und amorphen- / Dünnschichtzellen
Die drei bekanntesten Solarzellenarten sind die monokristallinen , die polykristallinen und die amorphen Solarzellen. Der Unterschied hierbei liegt in der Herstellung
und auch im Wirkungsgrad .
Die monokristalline Solarzelle wird aus hochreinem Halbleitermaterial gewonnen,
wobei aus einer Siliziumschmelze, wie der Name schon sagt, einkristalline Stäbe
gezogen werden welche danach in 0,25 mm dicke Scheiben geschnitten werden.
Dieses Herstellungsverfahren sorgt für hohe Wirkungsgrade zwischen 14-17 %, ist
allerdings im Vergleich zu anderen Verfahren auch sehr teuer.
Polykristalline Solarzellen haben mit 13-15% einen geringeren Wirkungsgrad als
monokristalline Solarzellen, aber ihre Herstellung ist dadurch günstiger. Das flüssige Silizium wird hierzu nur in Blöcke gegossen, was allerdings dazu führt, dass
sich unterschiedlich große Kristallstrukturen herausbilden. Entstehende Übergänge behindern zum Teil den Stromfluss und damit die Effizienz der Solarzelle. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Die amorphen Solarzellen oder auch Dünnschichtzellen genannt werden produziert, indem die zwei dotierte Siliziumschichten gasförmig auf eine Glasscheibe
aufgedampft werden und mit einer zweiten Glasplatte versiegelt werden . Die
Schichtdicken betragen weniger als ein 3 µm , was die Produktionskosten stark
senkt. Dieses Produktionsverfahren bedingt jedoch, dass sich die einzelnen Atome unabhängig voneinander anordnen und so keine Kristallstruktur entsteht. Der
Wirkungsgrad dieser Solarzellenart liegt nur bei 6-8%. Bei anderen Herstellungsverfahren können die Halbleiterschichten auch auf flexible Materialien aufgedampft werden.5
Die Funktion einer Solarzelle
Der Effekt der dafür verantwortlich ist, dass Solarzellen Sonnenlicht in Gleichstrom
umwandeln können, wird innerer photoelektrischer Effekt genannt. 6
Silizium, aus dem die meisten Solarzellen bestehen, ist ein chemisches Element
und befindet sich in der 3. Periode des Periodensystems der Elemente.
5
6
Vgl. http://www.engelhardtelektro.de/faq/FunktionPhotovoltaik , 13.03.2016
Vgl. http://www.spektrum.de/lexikon/physik/photovoltaischer-effekU11235, 13.03.2016
7
Wenn
4
Silizium in einer stabilen Kristallstruktur vorliegt, wird jedes Atom von vier anderen
umgeben . Dabei gehen die Atome aufgrund der angestrebten Edelgaskonfiguration untereinander Atombindungen ein . Die Edelgaskonfiguration ist ein energetisch
sehr stabiler Zustand des Edelgases der jeweiligen Periode.8
Bei der Atombindung, auch Elektronenpaarbindung genannt, bilden sich an den
Valenzschalen der jeweiligen Atome bindende Elektronenpaare, so dass jedes
Atom die Edelgaskonfiguration erreicht.
Abb. 2 Silizium Atom mit 4
Valenzelektronen
Abb. 3 Siliziumatome mit
Elektronenpaarbindungen
Abb. 4 Siliziumkristall
Diese Kristallstruktur ist ohne äußere Einflüsse ein Nichtleiter, da alle Elektronen
in Bindungen anliegen. 9
Da die Siliziumscheibe aber, wie im Aufbau beschrieben , gezielt verunreinigt wird,
bildet sich trotzdem eine Ladungsverschiebung. Die p-dotierte Schicht wird mit
Phosphor verunreinigt und die n-dotierte Schicht mit Bor. Da Phosphor 5 Valenzelektronen hat kann es zwar die vier Elektronenpaarbindungen mit den Siliziumatomen eingehen, doch es bleicht ein zusätzliches Atom übrig, dass die Edelgaskonfiguration verhindert. Bor hingegen hat 3 Valenzelektronen und damit eins
zu wenig um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Das fehlende Elektron wird
als „Loch" bezeichnet.
Logischerweise vereinigen sich die Löcher aus der n-dotierten Schicht mit den
Elektronen aus der p-dotierten Schicht, indem die Elektronen zu den Löchern flie-
7
6
9
Vgl. u.a. Grehn , Joachim: Metzler Physik. Braunschweig 2009,S. 578
Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/Edelgaskonfiguration.html, 13.03.2016
Vg l. http ://www.chemie.de/lexikon/Halbleiter.html, 13.03.2016
5
ßen . Daraus resultiert ein elektrisches Feld, denn in der p-dotierten Schicht („positiv"-dotierten Schicht) sind in Folge dessen weniger Elektronen als Protonen und
es entsteht eine positive Ladung. Die n-dotierte Schicht („negativ"-dotierte Schicht)
hat dem entsprechend mehr Elektronen als Protonen und ist somit negativ geladen. Es vereinigen sich so lange freie Elektronen und Löcher bis das Elektrische
Feld genauso stark ist wie das Anstreben der Edelgaskonfiguration. Dies wird photovoltaischer Effekt genannt.
10
Antireflexschicht
Während dieses Prozesses bildet
sich eine
Grenzschicht, in der alle
Atome der Edelgaskonfiguration entsprechen. In dieser Schicht liegt dann
auch das elektrische Feld. All dies
passiert, ohne das Licht auf die SolarROckselten-Metallkontakt
zelle fällt. In diesem Zustand hat die
Solarzelle den gleichen Aufbau und
Abb. 5 Grenzschicht
auch die gleiche Funktion wie eine
Diode.
Fällt jedoch Licht auf die Atome, wird Silizium zu einem Leiter. Dies funktioniert, da
die Valenzelektronen die Energie von Lichtquanten/ Photonen absorbieren können. Wenn sie die Energie absorbieren , haben sie ein höheres Energieniveau als
der Rest des Atoms und trennen sich aus dem Schalenverband (genaueres siehe
s,.,,1 6
unten). Die Elektronen haben damit einen freien Zustand und der Kristall wird zu
einem Leiter.
Auch die Elektronen in der Grenzschicht, die sich mit Löchern vereinigt haben,
werden auf ein höheres Energieniveau gehoben und trennen sich aus dieser Verbindung. Ist dies geschehen , werden sie aufgrund des elektrischen Feldes über
der Grenzschicht in Richtung des positiven Poles gezogen. So entsteht ein Strom
von der n- dotierten Schicht zur p- dotierten Schicht. Dort fließen die Elektronen
dann durch den Rückseiten- Metallkontakt in einen Leiter. Dieser ist mit den Kontaktfingern an der Oberseite der Solarzelle verbunden, so dass die Elektronen sich
wieder mit offenen Löchern verbinden können. So entsteht ein Stromkreislauf, der
10
Vgl. http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html , 13.03.2016 (verändert)
6
solange vorhanden ist, bis kein Licht mehr auf die Solarzelle fällt. Dann ist zwar
noch die Grenzschicht vorhanden, aber die Elektronen werden nicht mehr von den
Löchern abgelöst. 11
Wellenlängen des Lichts, die in Strom umgewandelt werden
Die Elektronen verlieren also mit der Zeit die absorbierte Energie der Photonen/
Lichtquanten , erreichen wieder einen niederenergetischen , stabilen Zustand und
kehren in die Schalenverbände der Atome zurück. Dies funktioniert, da Elektronen Energie in Form von Licht auch wieder emittieren können . Untersucht man
dieses emittierte Licht, so kann festgestellt werden , dass nur bestimmte Wellenlängen vorhanden sind. Auf der Grundlage des Wissens, dass Lichtquanten/ Photonen je nach ihrer enthaltenen Energie unterschiedliche Wellenlängen haben,
wird deutlich, dass nur bestimmte Energiebeträge von Elektronen emittiert werden
können. Dieses Licht ergibt ein sogenanntes Emissions- I Linienspektrum und ist
für jedes Element einzigartig.
Genau diese Wellenlängen können auch von den Elektronen absorbiert werden,
sie auf ein höheres Energieniveau heben und sie so aus dem Schalenverband des
Atoms trennen.
12
Diese bestimmten Wellenlängen werden in sogenann-
ten Emissions- und Absorptionsspektren dargestellt, wobei beide Spektren immer aufeinander aufbauen, da immer das Licht absorbiert wird , was auch emittiert werden
kann.
Wie in der Darstellung links sichtbar ist, können die
Elektronen nur ganz bestimmte Wellenlängen absorbieren und emittieren, was darauf schließen lässt, dass sie
nur bestimmte Energiebeträge aufnehmen können. Diese
Energiebeträge
nennt
man
Energieniveaus.
Abb. 6 Beispiel eines
Emissions- und Absorptionsspektrums
11
Vgl. http://www.sfv.de/lokal/mails/phj/solarzel.htm, 13.03.2016
Vgl. http://www.leifiphysik .de/sites/defaulUfiles/medien/spektren_atomeneraustausch_aus.gif , 13.03.2016
(verändert)
12
7
Die Abstände der einzelnen Energieniveaus zeigen die Energiedifferenz. Dies ist
die Energiemenge, die benötigt wird um Elektronen in höhere Schalen zu bringen
oder um Valenzelektronen vom Schalenverband zu trennen.
Von E1 nach E2 muss daher gelten :
(Energiedifferenz)
Die Energiedifferenz ist also die Energie des Photons:
h·c
c =Lichtgeschwindigkeit ( ~)
E=-
s
A.
Da f =
*:
E = h ·f
A. =Wellenlänge des Photon (m)
f = Frequenz ( Hz)
h ist hierbei das Planck'sche Wirkungsquantum. Dies ist eine Naturkonstante für
das Berechnen des photovoltaischen Effekts und gibt das Verhältnis von der
Energie und der Frequenz eines Photons an. Das Planck'sche Wirkungsquantum
beträgt h = 6,626 · 10- 34 ] s. 13
Die kinetische Energie eines Elektrons, das sich aus dem Schalenverband eines
Atoms gelöst hat, berechnet man daher mit der Formel:
EA =Austrittsenergie 14
Mit diesen Formeln und dem Absorptions- oder Emissionsspektrum kann ermittelt
werden, welche Wellenlängen von einer Silizium Solarzelle benötigt werden um
diese in Strom umzuwandeln. Silizium wird nur unter dem Einfluss eines bestimmten Teils des Spektrums der Solareinstrahlung elektrisch leitend. Dieses Spektrum
liegt fast nur im sichtbaren Teil des Lichts von 380-780 millionstel Millimeter Wellenlänge. In diesem Teil des Lichtes sind 47 Prozent der Sonnenenergie enthalten.15
Erläuterung der genormten Messbedingungen und der dabei entstehenden
Probleme
Um verschiedene Solarzellen miteinander zu vergleichen und zu bewerten müssen sogenannte Standardmessbedingungen eingehalten werden . Mit diesen
13
Winter, Dr. Rolf: Das große Tafelwerk interaktiv. Braunschweig 2013,S. 122
Vgl. http://elektroniktutor.de/grundlagen/spektral.html , 13.03.2016
15
Vgl. http://www.photovoltaiksolarstrom .de/photovoltaiklexikon/spektrum-solareinstrahlung, 13.03.2016
14
8
Messbedingungen können Solarzellen einheitlich und unabhängig voneinander
getestet werden. Die festgelegten Größen sind die Strahlungsmenge 1000 Watt
pro Quadratmeter, die Zellentemperatur mit 25 Grad Celsius und der Einfallswinkel der Strahlung mit 48 Grad. Außerdem ist ein einheitliches Lichtspektrum festgelegt. Da diese Werte während einer Messung kaum konstant eingehalten werden können, müssen die Werte zum Teil sogar errechnet werden. 16
Dies weist schon auf die eigentliche Problematik hin. Nicht einmal mit diesem
Testverfahren werden die genormten Bedingungen erreicht. In der Realität allerdings wird in Mitteleuropa bei optimalen Wetterbedingungen eine Strahlungsmenge von ca. 700 Watt pro Quadratmeter erreicht, doch zu jedem anderen Zeitpunkt
liegt der Wert weit darunter. Dasselbe gilt für die Temperatur, die bei dieser Strahlungsmenge weit über 25 Grad Celsius liegt.
Dieser Problematik gehe ich nachfolgend mit dem praktischen Teil auf den Grund .
Dabei werde ich die Leistungen der drei verschiedenen Solarzellen unter realen
Messbedingungen direkt gegenüberstellen.
Versuch zur Ermittlung der Effizienz verschiedener Solarzellen
Material und Methode
Um Effizienzunterschiede der drei verschiedenen Solarzellen feststellen zu können, muss eine Messtechnik verwendet werden, die es ermöglicht mit einer Frequenz von 10 Sekunden über 20 Tage die Spannung der Solarzellen synchron zu
messen . Außerdem müssen alle drei Solarzellen exakt gleich ausgerichtet werden
und die Ergebnisse müssen auf die aktive Fläche der Solarzellen bezogen werden. Um dieses Ziel zu erreichen , wurden zunächst drei ähnlich große Solarmodu4
6
le angeschafft (technische Datensätze: siehe Anhang Seite 23-25).
Abb. 7 Amorphe, monokristalline und polykristalline Solarzelle
16
Vgl. http://www.solaranlage.de/lexikon/stc-standard-test-conditions, 13.03.2016
9
Messtechnik und Messprogramm
Da über 20 Tage eine synchronisierte Messung der Solarzellen mit einer Messfrequenz von 10 Sekunden für den Versuch notwendig ist, muss die Messung von
einem Computerprogramm durchgeführt werden. In dem folgenden Versuch wird
mithilfe des Messsystems „meM-ADfo" (Abb. 8)
in
Kombination mit der Messsoftware „Nextview" gearbeitet. Dieses Programm ermöglicht im Anschluss an die
Abb. 8 Messsystem
„meM-ADfo"
Messungen den Export der Messdateien nach Exel,
wo sie weiterverarbeitet werden können.
Damit mit den aufgenommen Messdaten die Leistung der Solarzellen berechnet
werden kann, muss die Spannung über einen festgelegten Wiederstand gemessen werden. Dies führt zwingend zu der Fragestellung, welcher
Wi~derstand
ge-
wählt werden soll.
Erklärung und Berechnung der idealen Wiederstände
Solarzellen haben einen sogenannten Maximum Power Point (MPP), der von Faktoren wie dem angeschlossenem Verbraucher, der Strahlungsmenge, der Temperatur und dem Einfallswinkel der Strahlen abhängig ist. Am MPP erbringt die Solarzelle ihre maximale Leistung. „Maximum Power Point Tracking" wird mit Hilfe
von Mikro Prozessoren im Zusammenhang mit größeren Solarmodulen betrieben.17
Ich habe diese Technik zwar nicht zur Verfügung, kann aber
dennoch den durchschnittlichen optimalen Wiederstand mit
mehreren Messreihen ermitteln . Dazu habe ich wegen dauerhaft
schlechter
Wetterbedingungen
zunächst
auf
eine
Abb. 9
leistungsstarke Glühbirne zurückgegriffen (Abb. 9), was allerdings zu extrem schwachen Werten der Solarzellen führte , so
dass die Ergebnisse ungenau waren.
Bei der Wiederholung dieser Messreihen wurde daher ein
Baustellenstrahler (400 Watt) verwendet, der optimal vor den
Solarzellen platziert wurde (Abb.10). Der Baustellenstrahler erAbb. 10
17
http://www.photovoltaik.org/wissen/rnaximum-power-point, 13.03.2016
10
möglicht wie auch schon die Glühbirne in dem ersten Versuch , dass alle drei
Solarzellen einheitlich unter den gleichen Bedingungen gemessen werden
können. Zunächst wurde die Spannung der Solarzellen über Festwiederstände
mit den Werten SO 12 , 36012 und 1 Millionen 12 gemessen. Mit diesen Spannungswerten und den dazugehörigen Wiederständen wurde in Exel die Stromstärke
über die Formel: l = !!. berechnet. Die Leistung , welche das Produkt aus SpanR
nung und Stromstärke ist, konnte so berechnet werden. Da sowohl die Spannung
als auch der Strom bei verschiedenen Wiederständen variieren, gibt es eine
maximale Leistung nur bei einem einzelnen Wiederstand, der durch Tests herausgefunden werden kann. So ist in den Messreihen deutlich erkennbar, dass die
amorphe Solarzelle ihre optimale Leistung bei einem Wiederstand um die 360 12
erreicht, der optimale Wiederstand der mono- und polykristallinen Solarzellen lag
aber eher im Bereich um die SO 12. Um zu verdeutlichen, dass nicht einfach nur die
Spannung oder nur der Strom maximal sein dürfen, um die höchste Leistung zu
erhalten, wurde außerdem der Kurzschlussstrom (012 Wiederstand) und die Leerlaufspannung (oo 12 Wi,ederstand) gemessen . Die Leistung beträgt in Beiden Fällen
0 Watt, da die andere Größe den Wert null erreicht. (Messreihen : siehe Anhang
?'-
Seite 26 oben)
Da diese Werte allerdings noch zu ungenau sind, war eine dritte Messreihe nötig, die den optimalen Wiederstand so genau
wie möglich ermittelt. Diese wurde mit einem Potentiometer
(012 - 100012 Widerstand) durchgeführt. Dies ist ein Drahtdrehwiederstand, der manuell und sehr genau einstellbar ist.
Den erwünschten Wiederstand erreicht man durch eine manuelle Einstellung , die mit einem Multimeter überprüft werden
Abb. 11 Potentiometer
muss. So kann der optimale Wiederstand der einzelnen Solarzellen bis auf 10
n genau
bestimmt werden. Die Auswertung der langwierigen
Messungen zeigt eindeutig, dass der optimale Wiederstand der amorphen Solarzelle bei 500 n liegt. Die monokristalline Solarzelle erreicht ihre maximale Leistung
bei einem Wiederstand von 70
n und die polykristalline erreicht diese bei einem
"'1
Wiederstand von 6012. (exemplarische Messreihe: siehe Anhang Seite 26 unten)
Diese Werte ermöglichen einen Einheitlichen Vergleich der Solarzellen . Der Nachteil ist jedoch , dass sie bei anderen Messbedingungen noch variieren können. Au-
11
ßerdem sind nur Wiederstände von 75 Q und 64 Q in dem Sortiment von den Herstellern. Die Messwerte werden dadurch aber nicht stark beeinflusst.
Aufbau
Erklärung und Berechnung der idealen Ausrichtung der Solarzellen in dem
gegebenen Messzeitraum
Die Ausrichtung der Solarzellen ist wieder an der optimalen Leistung orientiert.
Diese erbringen Solarzellen , wenn das Licht im 90 Grad Winkel auf sie fällt, also
wenn sie orthogonal zu der Sonnenstrahlung liegen . Da die gesamte Messung im
Februar 2016 stattfand , ist die Ausrichtung genau auf diesen Zeitraum bezogen .
Zunächst wurden über den Internetdienst „www.gpskoordinaten.de" die exakten
Koordinaten des Messortes ermittelt. Diese Internetseite ermittelt den Längen und
Breitengrad des Messortes.
In
Folge
dessen
kann
auf
der
Internetseite
„www.sonnenverlauf.de" der Sonnenhöhenwinkel abhängig von der Zeit ermittelt werden . An dem Messort
wird in dem Messzeitraum der höchste Sonnenstand
12:44 Uhr erreicht. Hier steht die Sonne im Süden des
Messortes. Der Sonnenhöhenwinkel beträgt gemittelt
25,92 Grad (Abb . 12).
Abb. 12
Befestigung der Solarzellen
Für einheitliche Messergebnisse mussten alle drei Solarzellen exakt gleich ausgerichtet werden. Um dies Umzusetzen wurden sie alle drei auf einer Holzplatte befestigt.
Um den vorher berechneten
Winkel in der Ausrichtung
zu berücksichtigen wurden
an die Platte Stützen ange-
Abb. 13 optimale Ausrichtung der Solarzellen
s
hen ließen. (Berechnungen: siehe Anhang Seite 27)
bracht, die sie orthogonal
zu den Sonnenstrahlen ste-
12
Verkabelung
Zunächst werden
an die Solarzellen Anschlüsse Kabel
angelötet.
Abb. 13 optimale Ausrichtung der Solarzellen
Abb. 14 Hochlastwiederstände und Kühlkörper
Außerdem werden die Hochlastwiederstände auf einem Kühlkörper montiert.
Da die Verwendete Messtechnik nur Spannungen von
bis zu 5 Volt messen kann, ist außerdem ein Spannungsteiler notwendig . Dazu werden 4 in Reihe geschaltete Wiederstände mit jeweils 100 kfl zu dem eigentlichen Wiederstand parallel geschaltet. Über einen
Abb. 15 Schaltung der
Wiederstände
dieser 4 Wiederstände wird in dem Versuch dann ein
Viertel der Spannung gemessen. Die Wiederstände
werden so hoch gewählt, damit die das Messergebnis
J
Abb. 16 Anschluss an
das Messgerät
kaum beeinflussen.
Hier ist die Schaltung der Wiederstände mit dem Anschluss an das Messgerät zu sehen. Von diesem Gerät
gibt es eine USB - Verbindung zu einem Computer, auf
dem dann mit dem Programm Nextview sowohl die
Livedateien angezeigt, als auch Messdateien abgespeichert werden können . (Ge22 -30
samter Prozess des Aufbaus: siehe Anhang Seite#)
13
Messreihen
s 2
Die Messreihen sind im Anhang (Seite 171-2if) zu sehen. Diese zeigen in Abhängigkeit von der Zeit, die Leistung in Watt an. Die Werte sind wegen der unterschiedlichen Größen der verschiedenen Solarzellen auf einen Quadratmeter aktive Fläche normiert.
Die Tabelle zeigt die Gesamtleistung (normiert auf eine aktive Fläche von 1m 2 ) der
verschiedenen Zelltypen im Überblick:
Solarzelle
Gesamtleistung
Monokristalline Solarzelle
2,37063 kW Stunden
Polykristalline Solarzelle
2,37221 kW Stunden
Amorphe Solarzelle
0,616519 kW Stunden
Wie an den Gesamtleitungen erkennbar ist, haben die monokristalline Solarzelle
und polykristalline Solarzelle mit gerundet 2,37 kW Stunden fast dieselbe Leistung . Die Leistung der polykristallinen Solarzelle ist um 0,00158kW Stunden höher. Die amorphe Solarzelle hat im Vergleich dazu mit 0,616519 kW Stunden nur
eine sehr geringe Leistung. Gut erkennbar ist diese Leistungsaufteilung in den
q
0
Diagrammen über den gesamten Messzeitraum (siehe Anhang Seite 1111 .8).
Die gemessenen Daten zeigen, dass die monokristalline Solarzelle 99,93% der
Leistung der polykristallinen Solarzelle im Messzeitraum erbringt. Die Amorphe
Solarzelle erbringt nur 25,98% der Leistung der polykristallinen Solarzelle.
Einbezug der Wetterdaten
3
Bezieht man die Wetterdaten (siehe Anhang Seite 22) mit ein , ist deutlich erkennbar, dass die Leistung der Solarzellen von den Sonnenstunden abhängt. So leisten alle Solarzellen umso mehr Energie, desto mehr Sonnenstunden es an einem
Tag gibt. Diese Abhängigkeit ist schon ab dem Beginn der Messung zu sehen , da
die ersten 2 Tage jeweils ca. 0 Sonnenstunden haben und der Ausschlag der Leis-CS'
tung in den Graphen des Diagramms (Anhang Seite 18 ttAteR) über den ganzen
Tagesverlauf der beiden Tage hinweg sehr gering bleibt. Am dritten Messtag gibt
14
es ca. 3,5 Sonnenstunden und die Leistung aller drei Solarzellen steigt stark an.
Besonders gut ist dies in der Grafik über den gesamten Messzeitraum zu erkens
9
nen (siehe Anhang Seite 111 18). Die Sonnenstunden , von denen die Leistung
3
unter anderem abhängt, sind in dem Anhang auf Seite 22 aufgelistet. Daraus resultiert auch das Ergebnis, dass die Leistung der Solarzellen bei höherer Regenwahrscheinlichkeit abnimmt. Regen setzt eine Wolkenbildung voraus und schirmt
damit die Sonne ab, was wiederum die Sonnenstunden beeinflusst.
Die Leistung ist auch von der Temperatur abhängig . Dies beweisen die Messaufnahmen vom 24.02. und dem 25.02.2016. Beide haben die gleiche Anzahl an
Sonnenstunden, doch der Tag mit der niedrigeren Temperatur hat die höhere Ge;,
samtleistung (vgl. Anhang Seite 18.l:mten) .
Andererseits ist aber auch erkennbar, dass sich die Leistungen der verschiedenen
Solarzellen bei unterschiedlichen Wetterlagen differenziert ausprägen. Unterschieden wird hier zwischen gesamten Tagen, die entweder Sonnentage, Regentage oder Mischwettertage sein können. Zu den einzelnen Tageswetterlagen lie-
„
2
gen jeweils zwei Beispieltage in Diagrammform im Anhang auf den Seiten 1'9- 2f
vor. An Sonnentagen liegt die Regenwahrscheinlichkeit unter 10 % und die Sonnenstunden belaufen sich auf 5 und mehr. Die Beispieltage sind der 16.02.2016
und der 27.02.2016. Bei beiden Tagen ist erkennbar, dass die polykristalline Solarzelle die höchste Leistung erbringt. Kurz darauf folgt die monokristalline Solarzelle und die amorphe Solarzelle erbringt ca. ein Viertel dieser Leistung. Die Regentage haben eine Regenwahrscheinlichkeit von 100% und eine oder weniger
Sonnenstunden. Bei diesen Tagen ist die Leistung der monokristallinen Solarzelle
die höchste. Bei kurzen Sonneneinfällen übersteigt die Leistung der monokristallinen Solarzelle die der polykristallinen um bis zu 50%. Die amorphe Solarzelle
bleibt bei ca. einem Viertel der Leistung der monokristallinen Solarzelle. Mischwettertage sind der 24.02.2016 und der 18.02.2016. Die Sonne scheint hier zwischen
3 und 5 Stunden und die Regenwahrscheinlichkeit liegt zwischen 50 und 100%.
Die höchste Leistung erbringt hier wieder die polykristalline Solarzelle. Doch bei
Einbrüchen der Sonnenbestrahlung und erneut darauf folgender Sonnenbestrahlung hat die monokristalline Solarzelle höhere Leistungen . Die Leistung der amorphen Solarzelle beträgt wie auch bei den anderen Tagen ca. ein Viertel der Leistung der monokristallinen Solarzelle.
15
Auch während einzelner Tagesabschnitte haben die Solarzellen unterschiedliche
Leistungen . Ein Tag wird zur Auswertung hier in den Sonnenaufgang , der in der
Messzeit durchschnittlich um 7:38 Uhr stattfindet, den Sonnenuntergang um
durchschnittlich 17:50 Uhr und die Zeit dazwischen eingeteilt. Kurze Zeit nach
dem Sonnenaufgang und kurze Zeit vor dem Sonnenuntergang herrscht ein stark
diffuses Licht. In diesen Bereichen der Diagramme ist zu erkennen , dass die monokristalline Solarzelle oft die höchste Leistung hat. Auch die amorphe Solarzelle
hat selbst an Tagen mit sehr vielen Sonnenstunden in diesem Bereich der Diagramme eine höhere Leistung als die polykristalline Solarzelle. Die polykristalline
Solarzelle hat hier eine sehr geringe Leistung.
Verschiedene Wetterlagen tragen also stark zur Leistungsausbeute der verschiedenen Solarzellen bei. So hat die polykristalline Solarzelle zwar insgesamt eine
höhere Leistung als die monokristalline, doch die monokristalline Solarzelle hat
deutlich bessere Leistungen bei diffusem Licht. Zum Beispiel beim Sonnenaufgang und -untergang , sowie bei starker Bewölkung und bei Regen (vgl. Anhang
20
2
Seite ;l-9-2t). Scheint allerdings ungehindert die Sonne, erbringt die polykristalline
Solarzelle höhere Leistungen.
Die amorphe Solarzelle schneidet zwar mit rund 25% der Leistung der anderen
Solarzellen insgesamt schlechter ab, hat aber bei diffusem Licht eine höhere Leisto
z.
tung als die polykristalline Solarzelle (vgl. Anhang Seite W-21').
Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Leistung der monokristallinen , der polykristallinen und der amorphen Solarzellen , und damit auch ihre Effizienz, stark
abhängig von der jeweiligen Messumgebung und den damit zusammenhängenden
Wetterbedingungen sind. So ist das Ergebnis, das der durchgeführte Versuch erbringt, zwar eindeutig und zeigt, dass die polykristalline Solarzelle die effizienteste
ist. Dies gilt jedoch nur für den verwendeten Messort, an dem überwiegend direktes Licht auf die Solarzellen fiel. Jede Veränderung der äußeren Umstände kann
aber zu einem anderen Ergebnis führen . So hat den Messergebnissen zufolge die
monokristalline Solarzelle bei diffuseren Lichtbedingungen die höchste Effizienz.
Dies ist sowohl an Orten mit starker Bewölkung, Schattenwurf, usw. gegeben , als
auch bei einer Ausrichtung der Solarzelle nach Osten oder Westen. Im Vergleich
zu der mono- und polykristallinen hat die amorphe Solarzelle zwar eine so geringe
16
Leistung, dass ihre Effizienz sehr gering erscheint, doch wie bereits im Kapitel
„Aufbau" erwähnt, ist diese Solarzellenart sehr dünn, womit sie sehr flexibel und
leicht ist. Durch diese Eigenschaft ist die amorphe Solarzelle sehr vielfältig einsetzbar und kann Flächen besser bedecken als die anderen Solarzellen, was indirekt auch ihre Effizienz steigert. Ein Beispiel hierfür ist die Industrie, die mit Solarzellen arbeitet, die sich an die Form der jeweiligen Produkte anpassen. Die Effizienz der Solarzellen ist außerdem vom Wiederstand des angeschlossenen Verbrauchers abhängig.
Die Ergebnisse über die Gesamtleistung der einzelnen Solarzellen im Vergleich
sind unerwartet, da laut der angegebenen Wirkungsgerade eigentlich die monokristalline Solarzelle die höchste Effizienz haben sollte. Doch auch diese Wirkungsgerade sind unter den zuvor genannten genormten und unrealistischen
Messbedingungen entstanden. Unter realistischen Bedingungen ist jedoch eindeutig die polykristalline Solarzelle für den im Versuch verwendeten Messort und die
dazugehörige Wetterlage die effizienteste Solarzelle. Dies beweist eindeutig, wie
realitätsfern die so oft angegebenen Wirkungsgerade sind . Die tatsächlichen Wirkungsgerade müssen unter natürlichen Bedingungen gemessen werden und nicht
im Labor.
Ein Erklärungsansatz für die Mehrleistung der polykristallinen Solarzelle liegt in
dem Faktor Temperatur. Die aktive Fläche der polykristallinen Solarzelle ist mit
einem mittelblau heller als die, der monokristallinen Solarzelle, deren aktive Fläche dunkelblau bis schwarz gefärbt ist. Da dunkele Flächen besser Wärme absorbieren als helle, leitet dies zur Annahme, dass die monokristalline Solarzelle im
laufe der Zeit eine höhere Temperatur erreicht und aufgrund dessen eine geringere Leistung erbringt. Diese Annahme wird durch die Betrachtung der Bereiche in
den Diagrammen unterstützt, bei denen die Leistung wegen Wolken kurz einbricht
und dann schnell wieder ansteigt. Bei dem Wiederanstieg hat die monokristalline
immer kurzfristig eine höhere Leistung als die polykristalline Solarzelle, was an der
temporär niedrigen Temperatur liegen kann. Da der Fokus dieser Facharbeit allerdings nicht auf der Temperatur der Solarzellen liegt, kann diese Frage nicht eindeutig geklärt werden. Diese Fragestellung könnte aber gut im Rahmen einer weiteren Facharbeit geklärt werden .
17
Die Rentabilität der einzelnen Solarzellen bringt den Preis und die Effizienz in Zusammenhang. Die monokristalline Solarzelle ist mit 3,46€ pro dm 2 aktive Fläche
die teuerste Solarzelle. Darauf folgt mit 2,95€ pro dm 2 aktive Fläche die polykristalline Solarzelle und die amorphe Solarzelle kostet im Vergleich nur 1,92€ pro dm 2 •
Diese Unterschiede steigern sich allerdings bei der Anschaffung größerer Solarmodule, da die Kosten des Rahmens und des Glases vor der Solarzelle sowie die
Kabel usw., die bei allen Solarzellen gleich sind, dann sehr vie l wen iger von dem
Gesamtpreis ausmachen. Da die polykristalline Solarzelle die höchste Effizienz
am Messort hat und auch nicht die teuerste Solarzelle ist liegt es nahe, dass diese
die höchste Rentabilität hat. Die amorphe Solarzelle hat zwar einen geringeren
Preis, der ca. 65 % von dem Preis der polykristallinen beträgt, doch da die Leistung nur ca. 25 % von der der Leitung der polykristallinen Solarzelle beträgt ist die
Rentabilität deutlich geringer.
Es ist zu beachten, dass sich die Rentabilität der einzelnen Solarzellen an verschiedenen Messorten wegen veränderter äußerer Einflüsse ändert. So wäre zum
Beispiel an Orten mit diffusem Licht die monokristalline Solarzelle die rentabelste
Solarzelle. Die amorphe Solarzelle kann zwar die Effizienz der anderen Solarzellen kaum erreichen, hat aber vielseitigere und so im Bereichen der Industrie, die
anpassbares Material benötigen, eine höhere Rentabilität.
Bezogen auf den Messort und den verwendeten Messzeitraum im Februar ist jedoch die polykristalline Solarzelle eindeutig die rentabelste.
Anhang
Diagramme über den gesamten Mei
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28.02.2016
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Tag
24
Technische Datensätze
3 Watt Solarmodul Dünnschicht 17V 5W
3W Solarmodul Dünnschicht 17V (7255120103)
Technische Daten
Mechanische Parameter
Zellentyp
Dünnschicht
Maße LxßxT in mm
315 x 235 x 21mm
Gewicht
1,5kg
Rahmen
Robuster Aluminiumrahmen
Elektrische Eigenschaften
Maximalleistung bei STC(Pmax)
3W
Kurzschluss-Strom(lsc)
0,27A
Offener Kreislauf Spannung(Voc)
21 ,50V
Maximalleistung Strom(lmpp)
0,20A
Maximalleistung Spannung(Vmpp)
17V
Leistungstoleranz
+/-5% 18
18
http://www.ebay. de/itm/3-W att-Solarmod ul-Duennsch icht-17V-amorph-Solarpanel-Solarzelle-5W/381384678410, 13.03.2016
25
10Watt Solarpanel 12 Volt monokristallin
Hersteller: JWS-Solar
10Watt Solarpanel 12 Volt MONOKRISTALLIN
Solarpanel 10 Watt MONOKRISTALLIN für 12 Volt Systeme
Technische Daten
Nennleistung Pmax 10 Watt
Spannung bei Nennleistung Vpmax 17,8 Volt
Leerlauf Spannung Voc 22,2 Volt
Kurzschluss Strom lsc 0,601 Ampere
Strom bei Nennleistung lpmax 0,562 Ampere
Temperaturbereich -40°C / + 85°C
Toleranz +/-5 %
Solarzellen Monokristallin
Anschlussdose Rückseite
Abmessungen: 335 x 290 x 25 mm
Gewicht 1,2 kg 19
19
https://www.jws-store.de/solarenergie/solarpanels-mono/1Owatt-solarpanel-12-volt-monokristallin/a-1086/,
13.03.2016
26
Solarmodul 10W 12Volt polykristallin
Hersteller: JWS-Solar
Solarpanel Solarmodul 1OW 12Volt Poly
Solarpanel 10 Watt POLYKRISTALLIN für 12 Volt Systeme
Technische Daten
Nennleistung Pmax 10 Watt
Spannung bei Nennleistung Vpmax 17,5 Volt
Leerlauf Spannung Voc 21 ,6 Volt
Kurzschluss Strom lsc 0,643 Amper
Strom bei Nennleistung lpmax 0,572 Amper
Modul Type P10W-12V
Temperaturbereich -40°C I + 85°C
Toleranz +/-5 %
Solarzellen Polykristallin
Abmessungen 340 x 290 x 17mm
Gewicht ca. 1, 1 kg
Sicherheitsglas 3,2mm
20
20
https://www.jws-store.de/solarenergie/solarpanels-poly/solarpanel-solarmodul-1Ow-12volt-poly/a- 1201 / ,
13.03.2016
(
27
Ermittlung des optimalen Wi@derstandes
1. Grobe Orientierung des Wiederstandes an der entstehenden Leistung
Wiederstand
monokristalline
0
0
0,0562
Leistung
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monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
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17,4
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0,0246
0,00001
0
0,03458
0,18696
0,0001536
0
polykristalline
polykristalline
polvkristalline
polykristalline
polykristalline
amorphe
amorphe
amorphe
amorphe
amorphe
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1000000
unendlich
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1000000
unendlich
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1,04
3,15
22,7
22,5
0,05
0,0446
0,034
0,00001
0
0,086
0,01207
0,0139
0,00002
0
0
0,07805
0,3944
0,00019
0
0
0,0125528
0,043785
0,000454
0
Solarzelle
U in Volt
1in Ampere
(0)
2. Genaue Ermittlung des Wiederstandes (exemplarisch der Wiederstand der monokristallinen Solarzelle)
Solarzelle
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
Wiederstand (0)
0
250
500
1000
1500
2000
unendlich
U in Volt
0
19,42
18,75
18,99
19,31
19,42
19,4
1 in Ampere
0,26
0,075
0,0369
0,0182
0,00967
0,01
0
Leistung in Watt
0
1,4565
0,691875
0,345618
0, 1867277
0,1942
0
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
450
400
350
300
250
200
150
100
50
19,9
18,3
18,03
17,5
17,4
17,3
16,5
16,3
13,4
0,021
0,0443
0,0513
0,0582
0,0708
0,0853
0,1125
0,162
0,27
0,4179
0,81069
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1,0185
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monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
monokristalline
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70
60
50
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30
20
10
16,2
15,73
15,8
14,19
12,4
11 , 15
7,26
4,58
3,1
0,149
0, 175
0, 195
0,2
0,212
0,22
0,23
0,231
0,232
2,4138
2,75275
3,081
2,838
2,6288
2,453
1,6698
1,05798
0,7 192
in
28
Befestigung der Solarzellen (Berechnungen)
Die Leistung einer Solarzelle ist maximal, wenn die Sonne in einem Winkel von 90
Grad auf sie fällt. 21
180 ° - (26°
.
sm a =
tan a =
+ 90°) = 64° = a
Gegenkathete
Hypotenuse
Gegenkathete
Ankathete
Gegenkathete = sin a · Hypothenuse = 39,55 cm
Gegenkathete =
Gegenkathete
tan a
= 19 ,29cm
Gesamter Prozess des Aufbaus
Ermittlung des optimalen Wiederstandes
Grobe Orientierung
des optimalen
Wiederstandes mit
Festwiederständen
1. Versuch der
Ermittlung des
optimalen
Wiederstandes
2. Versuch der
Ermittlung des
optimalen
Wiederstandes
Da das digitale
Multimeter zu ungenau
war, wurde zu.ld'sätzlich
ein mechanisches
Messgerät benutzt
21
Vgl. http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/basiswissensolarenergie/dachneigung-sonnenstand.html, 13.03.2016
29
Messaufbau
Hochlastwiederstände
mit den ermittelten
Werten
Kühlkörper für die
Wiederstände
Besserer
Wärmeaustausch mit
einer Wärmeleitpaste
Wiederstände auf dem
Kühlkörper montiert
Bestandteile des
Gerüsts für die
Solarzellen mit Silicon
abgedichtet
Gerüst für die
Solarzellen
zusammengebaut
Befestigung der
Solarzellen
Löten eines Kabels an
die anschlussstellen
der Solarzellen
Gerüst mit Solarzellen
Kabeln und
'
zusätzlichen Stützen
30
Fertiges Gerüst von vorne
Anlöten von
Verbindungskabeln an
die Hochlastwiederstände
Fertiges Gerüst von hinten
Verbindung der
Wiederstände mit einer
Platine
Erstellen eines
Spannungsteilers
J
Parallelschaltung des
Messsystems über jeweils einen Widerstand
des Spannungsteilers
Verbindung des
Messsystems mit
einem Computer mit
der Messsoftware
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31
Literaturverzeichnis
Bücher
1. u.a. Grehn, Joachim: Metzler Physik. Braunschweig 2009,S. 578
2. Winter, Dr. Rolf: Das große Tafelwerk interaktiv. Braunschweig 2013,S. 122
Websites
3. http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html ,
13.03.2016
4 . http://www.engelhardtelektro.de/faq/FunktionPhotovoltaik, 13.03.2016
5. http://www.chemie.de/lexikon/Halbleiter.html , 13.03.2016
6. http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html,
13.02.2016
(verändert)
http://www.engelhardtelektro.de/faq/FunktionPhotovoltaik, 13.03.2016
7. http://www.spektrum.de/lexikon/physik/photovoltaischer-effekt/1 1235,
13.03.2016
8. http://www.chemie.de/lexikon/Edelgaskonfiguration.html, 13.03.2016
9. http://www.chemie.de/lexikon/Halbleiter.html , 13.03.2016
10. http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik. htm 1,
13.03.2016 (verändert)
11 . http://www.sfv.de/lokal/mails/phj/solarzel.htm, 13.03.2016
12. http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/spektren_atomenerausta
usch_aus.gif, 13.03.2016 (verändert)
13. http://elektroniktutor.de/grundlagen/spektral.html, 13.03.2016
14. http://www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/spektrumsolareinstrahlung , 13.03.2016
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16. http://www.photovoltaik.org/wissen/maximum-power-point, 13.03.2016
17. http://www.ebay.de/itm/3-Watt-Solarmodul-Duennschicht-17V-amorphSolarpanel-Solarzelle-5W-/381384678410, 13.03.2016
18. https://www.jws-store.de/solarenergie/solarpanels-mono/1 Owatt-solarpanel12-volt-monokristallin/a-1086/, 13.03.2016
19. https://www.jws-store.de/solarenergie/solarpanels-poly/solarpanelsolarmodul-1 Ow-12volt-poly/a-1201/, 13.03.20 16
20. http://www.renewable-energyconcepts.com/german/sonnenenergie/basiswissensolarenergie/dachneigung-sonnenstand.html , 13.03.2016
32
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Verbindliche Versicherung
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