P Arbeitsblatt: Untersuchung zur Beschattung einzelner Solarzellen

MINT Zirkel Mai / Juni 2015
Praxis | 9
Arbeitsblatt: Untersuchung zur Beschattung einzelner
Solarzellen bei Reihen- bzw. Parallelschaltung
Einführung
Wenn du ein Dach mit Solarzellen siehst, sind dort viele einzelne Solarzellen miteinander verschaltet. Manches Mal
kann es vorkommen, dass einzelne Solarzellen beschattet werden, z. B. durch einen Baum, der zu einer bestimmten
Tageszeit einen Schatten auf das Dach wirft. Was passiert dann, wenn einzelne Solarzellen beschattet werden?
Material
Solarzellen, Drehpotentiometer (logarithmisch, 10 kΩ), Amperemeter und Voltmeter oder alternativ ein Messwerterfassungssystem, Halogenstrahler, Schottky-Diode (z. B. DO41, 30 V, 1 A, 1N5818), Krokoklemmen
Experimentierphase
Die elektrische Leistung, welche eine Solarzelle liefert, ist unter anderem abhängig vom Widerstand des Verbrauchers,
der über die Solarzelle mit Energie versorgt wird. Um den optimalen Arbeitspunkt herauszufinden, an dem die Solarzelle die maximale Leistung erbringt (MPP: Maximum Power Point), wird eine Schaltung aufgebaut, durch die mögliche
Widerstände der Verbraucher (auch als Lastwiderstand bezeichnet) mit einem Potentiometer (= verstellbarer Widerstand) simuliert werden können. Hierzu werden bei unterschiedlich eingestellten Widerständen Stromstärke und
Spannung aufgetragen, die bei den jeweiligen Lastwiderständen zur Verfügung stehen.
Klassenstufen: Klasse 9–10
Fachbereiche: Physik, NwT, MINT-Fächer
Fachinhalte: Halbleiter, Regenerative
Energien
Methodik: Der Versuch kann in einer
Doppelstunde durchgeführt werden. Es
bietet sich an, immer zwei Schüler zusammenarbeiten zu lassen. Können die Schüler
bereits Strom und Spannung messen, so
reicht es, wenn ihnen das Material zur
Verfügung gestellt wird und sie den Versuch
selbst aufbauen.
Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler
können die Leistung von Solarzellen
abhängig vom Lastwiderstand beschreiben
und experimentell eine Strom-/Spannungskennlinie aufnehmen. Darauf aufbauend
können sie experimentell den Maximum
Power Point von in Reihe und parallel
geschalteten Solarzellen bestimmen, ferner
den Einfluss einer Beschattung einer
einzelnen Solarzelle in beiden Fällen
erläutern.
Abb. 1: Stromstärke I und Spannung U bei verschiedenen Lastwiderständen (links) sowie die
erreichte Leistung (P) in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung.
xxxxxxxxxxxxxxx
Um eine solche Strom-/Spannungskennlinie aufzunehmen, solltest du folgende Schaltung aufbauen:
Technikinitiative NwT
Abb. 2: Schaltplan zur Aufnahme einer Strom-/Spannungskennlinie. Strom und Spannung
können entweder manuell mit Ampere- und Voltmeter gemessen werden, dann müssen
verschiedene Arbeitspunkte am Potentiometer ausgewählt werden. Alternativ können die
Strom-/Spannungskennlinien mit einem Messwerterfassungssystem ermittelt und direkt am Computer angezeigt werden. Dann ist es möglich, während der Messung langsam am
Potentiometer zu drehen.
Hochschule Furtwangen
Projekt Technikinitiative NwT
www.technikinitiative-nwt.de
Aufgaben
1.Nimm die Strom-/Spannungskennlinie einer Solarzelle auf. Bei welcher Stromstärke/Spannung wird die maximale
Leistung erreicht?
2.Schalte nun drei Solarzellen parallel und ermittle die Strom-/Spannungskennlinie. Erkläre, bei welcher Stromstärke
bzw. Spannung die maximale Leistung erreicht wird.
3.Beschatte die mittlere Solarzelle, z. B. mit einem Stück Karton, und nimm wiederum die Strom-/Spannungskennlinie
auf. Beschreibe deine Beobachtung.
4.Schalte drei Solarzellen in Reihe und nimm dieses Mal die Strom-/Spannungskennlinie auf. Erkläre, bei welcher
Stromstärke/Spannung nun die maximale Leistung erreicht wird.
5.Beschatte die mittlere Solarzelle und ermittle erneut die Strom-/Spannungskennlinie. Was kannst du feststellen?
6.Baue nun eine Diode als Bypass zur beschatteten Solarzelle und miss erneut. Erläutere deine Ergebnisse und nehme
dabei Bezug auf deine bisherigen Beobachtungen.
Projektteam:
B.Sc. David Ankele
Dipl.-Ing. (FH) Ursula Eschenhagen
Dipl.-Betriebsw. (BA) Stefanie Lützow
Dipl.-Biol. Henrike Seidinger
B.Sc. Alexandra Ströbele
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrike Salat
Lösungen:
– Bei der Reihenschaltung bricht der Stromfluss komplett zusammen, da der Elektronenfluss nacheinander durch alle in Reihe geschalteten Solarzellen geht. In der beschatteten Solarzelle kommt es zu einem „Elektronenstau“, sodass der
Elektronenfluss auch in den anderen Solarzellen zum Erliegen kommt.
– Bei der Parallelschaltung kommt es in der beschatteten Solarzelle ebenfalls zu einem Elektronenstau, die anderen Solarzellen sind davon jedoch nicht betroffen, da die Elektronen nicht durch jene beschattete Solarzelle fließen müssen. Die
Gesamtleistung wird somit lediglich um die Leistung der beschatteten Solarzelle verringert.
– Eine Möglichkeit, den Schaden bei der Reihenschaltung zu begrenzen, ist es, die beschattete Solarzelle mit einer BypassDiode (am besten einer Schottky-Diode) zu umgehen. Dann kommt es bei der Reihenschaltung ebenfalls nur zur Leistungsverminderung um genau diejenige Leistung, welche die beschattete Solarzelle erbringen würde.
Download des Arbeitsblattes
www.mint-zirkel.de