Charakteristiken von Batterien und PV

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NTSY1 Herbstsemester
Elektrische Systeme: Generatoren
Anleitung für Experimente 04-03
Charakteristiken von Batterien und PV-Modulen
Energie ist nicht direkt beobachtbar (ausser man nimmt einen relativistischen
Standpunkt ein und setzt Energie mit Masse gleich – das hilft aber im natürlichen
und technischen Alltag überhaupt nicht). Klassisch gesehen ist Energie eine gedachte Grösse, ein Konzept, mit dem man bestimmte Regelmässigkeiten erklärt.
Als Konzept ist sie nur durch ihre Verbindung mit den uns bekannten Grundgrössen eines Phänomens (fluidartige Menge und Potentialdifferenz) fassbar. Darum
gibt es auch nur wenige Experimente, die uns indirekt helfen, das Konzept zu
fassen.
Hier werden wir die charakteristischen Diagramme von zwei Typen von elektrischen Generatoren (Batterien und PV-Modulen) ausmessen und mit dem Konzept
Energie-Umsatzrate in Verbindung bringen.
Experiment A
4.0
+
R
V
V
UR
US
A
Current / A
IQ
3.0
[
[
2.0
[
[
[
[[
[
[
[
1.0
0.0
0
1
2
3
4
5
US / V
Abbildung 1: Elektrische Schaltung (links) zum Ausmessen der Charakteristik (rechts)
einer typischen 4.5 V Flachbatterie. Das Widerstandselement wird für jeden Datenpunkt
geändert. A und V symbolisieren Ampère- und Volt-Meter.
1. Bauen Sie eine Schaltung mit Batterie (zum Beispiel einer neuen 4.5 V Flachbatterie) und einem variierbaren Widerstandselement wie in Abb.1. Bauen Sie
zwei Voltmeter und ein Amperemeter ein.
2. Messen Sie die Spannungen über den beiden Elementen in der Schaltung und
die Stärke des Stromes, der durch die Schaltung fliesst.
Versuch A
2
3. Fangen Sie mit einem hohen Widerstandswert an; messen und speichern Sie
die drei Messwerte. Schliessen Sie den Stromkreis nur für kurze Zeit, um die
Batterie nicht unnötig zu belasten (besonders bei kleinen Widerstandswerten
und starken Strömen!).
4. Verkleinern Sie den Widerstandswert. Wiederholen Sie die Messung. Beachten
Sie, dass Sie den Messbereich der Multimeter wahrscheinlich ändern müssen,
wenn sich die Messwerte stark ändern. Schreiben Sie auch den an den Multimetern verwendeten Messbereich auf!
5. Beachten Sie, dass die Stromstärke je nach Widerstandselement nicht zu stark
werden darf! (1 A ist typischerweise die Grenze für Widerstandsdekaden!) Für
kleinere Widerstandswerte nehmen Sie entsprechend widerstandsfähige Elemente. Stromkreis nur für kurze Zeit schliessen, d.h., Messung schnell durchführen!
Daten
Wenn ein Versuch fertig ist und die zugehörigen Daten erfasst wurden, muss man
sich um die Datenaufbereitung (Speicherung, Beschriftung, grafische Darstellung,
Umrechnung, etc. kümmern. (Siehe Beschreibung in Anleitung NTS_Experiment_
02_01.pdf.)
1. Bestimmen Sie eine Interpolationsgerade durch die Messpunkte im charakteristischen IQ -US -Diagramm – bestimmen Sie die zugehörige Funktionsgleichung.
2. Messen Sie Leerlaufspannung und Kurzschluss-Strom und bestimmen Sie den
(als konstant angenommenen Innenwiderstand der Batterie).
3. Bestimmen Sie zu jedem Messpunkt die elektrische Leistung der Batterie.
Zeichnen Sie die Leistung als Funktion der Batteriepannung. Zeichnen Sie die
Leistung als Funktion des Logarithmus der Batteriespannung.
4. Bestimmen Sie graphisch und rechnerisch die Spannung US , bei der die Leistung der Batterie ihr Maximum hat (Maximum Power Point, MMP). Interpretieren Sie die Bedeutung des MMP geometrisch im charakteristischen Diagramm.
5. Bestimmen Sie die elektrische Leistung des Widerstandselements für jeden
Messpunkt. Vergleichen Sie mit der Leistung der Batterie. Beurteilen Sie, ob
die Anwesenheit des Ampèremeters den Unterschied verursacht. Falls nötig,
korrigieren Sie die Messwerte (für US und IQ für die Batterie).
Experiment B
Allgemeine Anleitungen wie in Versuch A.
Versuch B
1. Bauen Sie eine Schaltung mit PV-Panel und veränderbarem Widerstandselement wie in Abb.2.
2. Stellen Sie eine fixe Bestrahlung des Panels mit Sonnenlicht oder mit dem Licht
einer Lampe sicher. Versuchen Sie, die Einstrahlungsstärke (Energiestrom pro
Fläche zu quantifizieren.
3
3. Vermessen Sie die Charakteristik des Panels für diese Einstrahlung durch
mehrfache Veränderung des Widerstands des Widerstandselementes.
4. Verändern Sie die Einstrahlung und vermessen Sie die Charakteristik des Panels neu.
R
V
V
UPV
UR
A
Electric current / mA
150
IQ
XX X
X
X
X
100
50
0
X
X
[
[
[
[
[ [[[
[[ X
[X
[
F
FFF F
F
F
X
FF [
F
X
F
F[
0
4
8
12
Voltage UPV / V
Abbildung 2: Elektrische Schaltung (links) zum Ausmessen der Charakteristik (rechts)
eines PV-Panels bei drei verschieden starken Einstrahlungen der Sonne. Das Widerstandselement wird für jeden Datenpunkt geändert. A und V symbolisieren Ampère- und VoltMeter.
Dokumentieren und verarbeiten Sie die Daten analog zu Experiment A. Bestimmen
Sie den MMP in jedem Versuch.
Daten