Laborpraktikum 6 – Solarzellen

20. Februar 2017
Elektrizitätslehre I
Martin Loeser
Laborpraktikum 6 – Solarzellen
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Lernziele
• Sie kennen die Solarzelle als ein Beispiel für einen Energiewandler.
• Sie kennen das Verbraucher- und das Erzeugerpfeilsystem für Spannung, Strom
und Energiestrom von Zweipolen und können Kennlinien entsprechend des
Pfeilsystems umzeichnen und interpretieren.
• Sie können die Begriffe aktiver, passiver, aktiv wirkender und passiv wirkender
Zweipol erläutern und richtig verwenden.
• Sie verstehen die Bedeutung des Begriffs Leistungsanpassung und sind in der
Lage, den entsprechenden optimalen Arbeitspunkt für eine Quelle mit nichtlinearer Kennlinie zu ermitteln.
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Einleitung
Aus der Sicht der Schaltungstechnik sind Solarzellen nichtlineare Zweipole, die sich
je nach Schaltung und Lichteinfall aktiv oder passiv verhalten können. Ohne Lichteinfall unterscheiden sie sich nicht wesentlich von gewöhnlichen Halbleiterdioden.
Bei Lichteinfall verschiebt sich ihre U -I-Kennlinie – im Verbrauchersystem – in
vertikaler Richtung, so dass ein Teil nun im vierten Quadranten zu liegen kommt.
Hier wirkt die Zelle aktiv, wie auch in Abbildung 1 dargestellt.
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60
Strom I solar-cell in mA
50
I
40
U
30
20
10
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Spannung U solar-cell in Volt
Abbildung 1: U -I-Kennlinie einer beleuchteten Solarzelle im Verbrauchersystem.
Das Bauelement ist aktiv.
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Versuchsdurchführung
3.1 U -I-Kennlinie einer beleuchteten Solarzelle (aktiven Quadranten)
(a) Messaufgaben.
Bei dieser Messung stellt der Lichteinfall (Strahlungsintensität, W/m2 ) einen zusätzlichen Parameter dar. Wählen Sie zwei verschiedene Lichtintensitäten, eine
entsprechend der maximalen Leistung der LED-Lampen, die andere mit einer
etwas geringeren Lampenleistung (z. B. 60% der Nennleistung). Messen Sie diese Leistungen! Da die Solarzelle nur bei geringen Spannungen aktiv wirkt, wird
ihre Kennlinie im vierten Quadranten einer Schaltung gemäss Abbildung 2 ausgemessen: Für RL verwende man Widerstände zwischen 1 Ω und 2.5 kΩ. Die
Stromstärke wird in diesem Versuch nicht gemessen, sondern durch U und RL
berechnet. Um eine korrekte Kennlinie zu erhalten, kann es notwendig sein, RL
mit einer Wheatstone-Brücke genau auszumessen. Das ist insbesondere bei kleinen Widerständen wichtig.
Hinweise:
• Erklären Sie, warum hier die direkte Messung des Stromstärke mit einem
Strommessgerät nicht geeignet ist.
• Um die Polarität der Solarzelle feststellen zu können, ist vorab eine Messung der Leerlaufspannung bei Lichteinfall nötig.
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LED mit Ansmann Solarzelle
auf Sockel montiert
Im
Multimeter
Keysight
34450 A
V
RL
U0
Um
Solarzelle
Netzgerät
EL 302RT
12 V
9 V
LED Lampe
Abbildung 2: Messschaltung zur Untersuchung einer belasteten Solarzelle.
• Die Leerlaufspannung einer Solarzelle ist ein Mass für deren Temperatur.
Diese wird bei längerer Bestrahlung durch die LED-Lampe ansteigen, so
dass die Messbedingungen sich verändern, wenn die Beleuchtung der Zelle
zu lange dauert.
• Die Kurzschlussstromstärke einer Solarzelle ist ein Mass für die Strahlungsintensität – diese beträgt in der Schweiz. bei voller Sonneneinstrahlung etwa
1 kW/m2 .
(b) Auswertung.
(i) Mit Hilfe der Messpunkte bestimme man eine U -I-Kennline der belasteten
Solarzelle.
(ii) Stellen Sie für die beiden Lichtintensitäten von der Solarzelle abgegebene
Leistung in Abhängigkeit des Lastwiderstands RL dar.
(iii) Bestimmen Sie für die betrachteten Lichtintensitäten den Lastwiderstand,
bei dem die von der Solarzelle abgegebene Leistung maximal wird (Leistungsanpassung).
(iv) Sind diese optimalen Lastwiderstände in beiden Fällen gleich?
(v) Welche Leistung gibt die Solarzelle dabei pro cm2 ab?
3.2 Messen der U -I-Kennlinie einer Solarzelle im Verbrauchersystem
(a) Messen Sie die passive U -I-Kennlinie einer unbeleuchteten Solarzelle in Durchlassrichtung, für Spannungen zwischen 0 und 2.3 V. Überprüfern Sie dabei stets
den statischen Widerstand der Zelle und überlegen Sie, ob eine spannungs- oder
eine stromrichtige Messung bessere Resultate bringt.
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(b) For those who dare: Bestimmen Sie nun die Kennlinie in Sperrichtung, für
Spannungen zwischen 0 und −2.5 V. Geben Sie in diesem Bereich die Spannung
bei der Messung vor.
(c) Vergleichen Sie ihre gemessene Kennlinie mit der einer Siliziumdiode.
(d) Bestimmen Sie nun die gleiche Kennlinie für eine beleuchtete Solarzelle. Die
genaue Stärke der Beleuchtung spielt im Moment noch keine Rolle – das Ziel ist
primär, zu erkennen, wie sich die Kennlinie qualitativ verändert.
(e) Stellen Sie die Kennlinien von beleuchteter und unbeleuchteter Solarzelle im
Bereich von 0 V bis 2.3 V und im Bereich von −2.5 V bis 0 V in jeweils einer
gemeinsamen Figur dar.
3.3 Inventar
• Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung EL 302 RT
• Multimeter Keysight 34450A
• Widerstandsdekaden (1 Ω . . . 11 MΩ), Genauigkeit 1%, Belastbarkeit 1 W
• LED-Lampen
3.4 Messobjekte
Solarzelle auf Sockel, maximale Stromstärke in beide Richtungen: 400 mA, maximale
Spannung in Sperrrichtung: 3 V