Vorschau - Netzwerk Lernen

4. Solarzellen
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Solarzellen – fachliche Grundlagen, Anwendungen und Experimente
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Solarkraftwerk Neuhardenberg, 142 MW
Experimente mit
handelsüblichen
Lowcost-Solarzellen!
© picture alliance / dpa, Patrick Pleul
Dr. Rolf Winter, Potsdam
II/C
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Grundlage der von der Bundesregierung beschlossenen Energiewende ist die Gewinnung
elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien. Dabei spielt die Energie des Sonnenlichts
eine entscheidende Rolle. Räumen Sie ihr deshalb einen angemessenen Platz in Ihrem
Physikunterricht ein. Mit Solarzellen kann man Sonnenenergie auf direktem Weg in elektrische Energie umwandeln. Die damit zusammenhängende Technologie heißt Fotovoltaik.
Wir beschreiben nicht nur die physikalischen Grundlagen von Solarzellen. Wir gehen auch
auf Anwendungen ein.
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V
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 11/12
Inhalt:
Dauer:
• Aufbau und Wirkungsweise einer
Solarzelle
• charakteristische Größen einer
Solarzelle
• Solarzelle und Solarmodul
• Anwendungsgebiete von Solarzellen:
Konsumgüter, Inselanlagen, netzgekoppelte Anlagen
• Experimente zu Eigenschaften der
Solarzelle und Abhängigkeiten von
verschiedenen Parametern
kein geschlossener Kurs
Ihr Plus:
viele interessante Schülerexperimente
Erklärung der Wirkungsweise einer
Solarzelle im Teilchen- und im
Bändermodell
Beschreibung zahlreicher Anwendungen, z. B. Konsumgüter, Verkehrszeichen und Solarkraftwerke
Materialien unabhängig voneinander
einsetzbar
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32 RAAbits Physik August 2013
4. Solarzellen
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4. Wenn Sie in Ihrer Physiksammlung eine Thermosäule nach Moll besitzen, können Sie
mithilfe der bei Lichteinstrahlung entstehenden Thermospannung die aufgenommene
Strahlungsleistung bestimmen. Das Millivoltmeter muss dazu entsprechend kalibriert
werden.
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Das Angebot an zum Experimentieren geeigneten Solarzellen ist groß. Preisgünstige Zellen
gibt es im Versandhandel, z. B. bei Conrad: Miniatur-Solarzelle Monokristallin, Nennspannung 0,5 V, Nennstrom 200 mA, Preis 2,69 €; oder das Minimodul 191308 SOLARZELLE,
4 V/35 mA für 3,50 €. Der Nachteil dieser Solarzellen: Man muss meistens die Anschlüsse
selbst anlöten und entsprechende Halterungen bauen. Die großen Lehrmittelirmen Leybold, Phywe, Conatex, Cornelsen Experimenta usw. bieten komfortablere Lösungen für
den Physikunterricht an, mit Halterungen und Anschlussbuchsen oder Anschlusskabeln.
Die Preise für diese Solarzellen sind allerdings nicht unerheblich.
Als Lichtquellen können Sie z. B. optische Leuchten aus der Physiksammlung, Fotolampen
mit Fassung, Bauscheinwerfer oder auch eine gute Taschenlampe einsetzen.
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A
Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz
Allg.
physikalische
Kompetenz
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die Schüler …
Anforderungsbereich
H
C
F 1, F 2, B 1,
B 3,
K 1, K 3, K 7
… informieren sich im Internet über erneuerbare
Energien und die Energiewende und diskutieren über
Vor- und Nachteile (M 1 und M 2),
F 1, F 4, F 5
… kennen den Aufbau einer Solarzelle und können
ihn in einer Schemazeichnung skizzieren (M 3),
I, II
… können die Wirkungsweise einer Solarzelle,
insbesondere die Prozesse am p-n-Übergang,
beschreiben (M 4),
I–III
E 1, E 3, E 5
F 1, F 3
E3
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I–III
… kennen die charakteristischen Größen einer Solarzelle und können sie erläutern (M 6),
I, II
… kennen verschiedene alltagsnahe Anwendungen
von Solarzellen und können deren Funktionsweise
beschreiben (M 7),
I, II
E 7, E 8, E 9,
E 10
… führen verschiedene Experimente zu den Eigenschaften von Solarzellen durch und werten diese aus
(M 8–M 11),
I, II
E 7, E 8, E 9,
E 10
… untersuchen physikalische Fragestellungen und
Zusammenhänge zwischen mehreren physikalischen
Größen mittels eines vorstrukturierten Experiments
(M 8–M 11),
I, II
K 5, K 6
… interpretieren experimentell gewonnene Daten im
Hinblick auf die Fragestellung (M 8–M 11),
I, II
F 4, E 8
… können mit einem Lötkolben umgehen und ein
Spielzeugauto für den Solarantrieb umbauen (M 12).
III
F 1, E 1
F 4, B 2
K3
Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie
auf der beiliegenden CD-ROM 32.
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Mediathek
Literatur
Berge, Otto Ernst (Hrsg.): Fotovoltaik. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 2003 (77)
Winter, Rolf u. a.: Energie. Volk und Wissen Verlag. Berlin 2001. S. 18 – 29
Winter, Rolf (Hrsg.): Halbleiter. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 2012 (128)
Mikelskis, Helmut u. a.: Energie. Diesterweg Sauerländer Verlag. Frankfurt am Main 1984.
S.123 – 136
Hans-Joachim Wilke (Hrsg.): Physikalische Schulexperimente Band 3. Volk und Wissen
Verlag. Berlin 2002. S. 241, 242
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Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg Berlin 2000. 5. Band. S. 84
Hermann, Friedrich; Würfel, P.: Wie funktioniert die Halbleiterdiode? PdN-Ph/PhyS 2001
(Heft 7) S. 30 – 34
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Schanz, Rüdiger u. a.: Experimente mit dem Fotovoltaik – System – SUSE. Niedersächsische Lernwerkstatt für solare Energiesysteme NILS. Institut für Solarenergieforschung
ISFH- Hameln/ Emmerthal. Arbeitsblatt
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Internet-Adressen
Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten des kristallinen Siliziums für Solarzellen indet man z. B. in
http://www.leiiphysik.de/themenbereiche/regenerative-energieversorgung#Solarzelle
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Die Funktionsweise einer Solarzelle in einer Simulation bietet
http://www.leiiphysik.de/themenbereiche/regenerative-energieversorgung#lightbox=/
themenbereiche/regenerative-energieversorgung/lb/solarzelle-funktion-einer-solarzelle
Hinweise zur experimentellen Bestimmung des Wirkungsgrades einer Solarzelle bietet
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http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/16/pc/elektrochemie/
brennstoffzellen/h_tec/experimente/exp2.vlu/Page/vsc/de/ch/16/pc/elektrochemie/
brennstoffzellen/h_tec/experimente/ex2_wirkungsgrad.vscml.html
Beispiele verschiedener Experimente zu den charakteristischen Größen einer Solarzelle
inden Sie in
http://www.drollinger-wds.de/benjamin/study/docs/et_solar.pdf
Hinweise zu Kennlinienaufnahmen bieten
http://www.ld-didactic.de/literatur/hb/d/p4/p4113_d.pdf und
http://www.nils-isfh.de/index.php/fotovoltaik/experimente/56-bestimmung-der-leistung
Fachliche Hinweise zu den verschiedenen Strahlungsgrößen inden Sie in
http://wwwuser.gwdg.de/~aibrom/ppoek/konzept/IBK_Instrumentenpraktikum_Versuch_4_
Strahlung.pdf
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Materialübersicht
 V = Vorbereitungszeit
 D = Durchführungszeit
II/C
SV = Schülerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
LV = Lehrerversuch
(SW-)Fo = (Schwarz-Weiß-)Folie
M1
SW-Fo
Die Verteilung der Sonnenenergie
M2
Ab
Energie von der Sonne
M3
Ab
Aufbau einer Solarzelle – Beispiel Silizium-Solarzellen
M4
Ab
Die Wirkungsweise einer Solarzelle
M5
Fo
Solarzellen – ein Überblick
M6
Ab
Charakteristische Größen einer Solarzelle
M7
Ab
Anwendungen von Solarzellen
M8
SV / LV
Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke und Innenwiderstand
einer Solarzelle – eigene Messungen
 V: 5 min

Si-Solarzelle
 D: 20 min 
Lichtquelle
SV / LV
 V: 5 min

Si-Solarzelle
S
R

Beleuchtungsstärkemesser
(Luxmeter)

Föhn
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
Kühlakku
 V: 5 min

stellbarer Widerstand (50 Ω)

Winkelmesser

Thermometer

Leistungsmesser (Wattmeter)

mc-Si-Solarzelle

stellbarer Widerstand (50 Ω)

Lichtquelle
Aufbau eines Solarmoduls aus Reihen- und Parallelschaltung von
Solarzellen

2 Solarzellen
 D: 15 min 
Lichtquelle
M 12

Strommesser (30 mA)

a-Si-Solarzelle

Stromstärkemesser (30 mA)
 V: 5 min

Spannungsmesser (1 V)
Messung des Wirkungsgrades einer Solarzelle
 D: 15 min 
c-Si-Solarzelle
M 11 SV / LV

Schalter
Messung der Leistung einer Solarzelle
 D: 40 min 
Lichtquelle
M 10 SV / LV

Strommesser (100 mA)
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
Beleuchtungsstärkemesser
(Luxmeter)
M9
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
Spannungsmesser (1 V)

Multimeter
Arbeiten mit Lernbaukästen und Experimentiersystemen
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 22.
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4. Solarzellen
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Solarzellen – ein Überblick
Metallfinger Frontseitenkontakt
Antireflexionsschicht
n-dotiert
1 µm
Raumladungszone
p/n-Übergang
II/C
p-dotiert
metallischer Rückseitenkontakt
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Abb. 1
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Licht
Sammelschiene
Kontaktfinger
(–Pol)
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n-Schicht
p-Schicht
Metallplatte (+Pol)
Grenzschicht
ElektronLoch-Paar
Abb. 2
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p-Leiter
(Löcher)
Abb. 3
Leitungsband
Valenzband
EDiff
n-Leiter
(Elektronen)
x
Sperrschicht
Sonneneinstrahlung
MetallKontakt
V
Abb. 4
p-Schicht
Elektron
Loch
A
n-Schicht
elektrisches Feld
pn-Übergang
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4. Solarzellen
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Leistung P:
Für die praktische Anwendung von Solarzellen ist die maximal entnehmbare Leistung Pmax
von entscheidender Bedeutung. Allgemein ist von Spannungsquellen bekannt, dass sie
ihre maximale Leistung abgeben, wenn RL = Ri. Da bei der Solarzelle aber der Innenwiderstand nicht konstant ist, indet man Pmax experimentell entweder mithilfe eines Leistungsmessers oder durch Aufnehmen der U-I-Kennlinie. Dazu wird bei konstanter Beleuchtungsstärke der Belastungswiderstand schrittweise verändert (siehe M 9, Experiment 1).
Die U-I-Kennlinie (Abb. 2) zeigt, dass die Stromstärke in weiten Grenzen von der Belastung unabhängig ist. Da sich die Leistung P aus dem Produkt von Spannung U und Stromstärke I ergibt, kann man zu jedem Punkt auf der Kennlinie ein Rechteck zeichnen, dessen
Flächeninhalt die Leistung der Solarzelle beim jeweiligen Belastungswiderstand darstellt.
Bei einem bestimmten Punkt auf der Kurve ist dabei der Flächeninhalt am größten. Dieser
Punkt trägt die Bezeichnung MPP (Maximum Power Point). Aussagekräftiger ist die RL-PLeistungskennlinie. Aus ihr kann man den optimal angepassten Lastwiderstand RL opt, bei
dem die maximal entnehmbare Leistung erreicht wird, direkt ablesen (Abb. 3).
II/C
U
A
Der Verlauf der Leistungskennlinie hängt aber auch von der Beleuchtungsstärke, der
Temperatur und dem Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung ab (siehe M 9). Mit größerer Beleuchtungsstärke nimmt die Leistung der Solarzelle zu, da sich zwar die Spannung
wenig ändert, aber die Stromstärke steigt. Bei höheren Temperaturen wird die maximal abgegebene Leistung geringer. Das liegt daran, dass mit steigender Temperatur der
Bandabstand kleiner wird.
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nn
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ng
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h
tra
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ns
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Solarzelle
ϕ = 60°
a
b
ϕ
Abb. 4
Bei senkrechtem Lichteinfall, d.h. einem Winkel von 90° zwischen Solarzelle und Lichtstrahlung, ist die wirksame Fläche der Solarzelle und damit die Leistung maximal. Auf
der Erde steht an bestimmten Orten und an bestimmten Tagen mittags die Sonne genau
senkrecht über der Erdoberläche. An einer Solarzelle, die dort horizontal zur Erdoberläche ausgerichtet ist, kann dann die größte elektrische Leistung entnommen werden. In
Deutschland steht die Sonne im Sommer am Mittag etwa 60° über dem Horizont. Das
bedeutet, dass dann der optimale Neigungswinkel einer Solarzelle gegen die Horizontale
30° beträgt (Abb. 4). Zu anderen Tages- und Jahreszeiten ist φ kleiner, d. h. die wirksame
Fläche nimmt um den Faktor sin φ = a/b ab.
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4. Solarzellen
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Anwendungen von Solarzellen
Abb.1
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Abb.2
© picture alliance / dpa, Patrick Pleul
© Junghans
© mauritius images
Der praktische Einsatz von Solarzellen ist sehr vielfältig. Er reicht von Konsumgütern über
Inselanlagen bis hin zu großen netzgekoppelten Fotovoltaikanlagen. Zu den Konsumgütern
zählen z. B. Taschenrechner, Uhren und Ladegeräte (Abb. 1). Als Inselanlagen bezeichnet
man beispielsweise Notrufsäulen an Autobahnen, Parkscheinautomaten, Seezeichen und
Berghütten (Abb. 2). Netzgekoppelte Anlagen werden in Ein- und Mehrfamilienhäusern
installiert oder dienen als Fotovoltaik-Kraftwerke der zentralen Stromversorgung (Abb. 3).
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Abb. 3 (Solarkraftwerk Neuhardenberg, 142 MW)
Ein Grund dafür, warum die umweltfreundliche Energiequelle Sonne nicht intensiver
genutzt wird, ist das Problem, dass in bestimmten Regionen die Sonne zu selten und
zu unregelmäßig scheint. Andererseits besteht bei guten Witterungsbedingungen oft ein
Überangebot an elektrischer Energie. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den
überschüssigen Solarstrom zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zu nutzen.
Wasserstoff ist leicht zu speichern und kann in Brennstoffzellen zu jeder Zeit und an jedem
Ort wieder in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Solarmodule: In der Regel reicht die elektrische Leistung einer einzelnen Solarzelle nicht
aus, um in der Praxis sinnvoll eingesetzt werden zu können. Man schaltet daher meist
mehrere Solarzellen in Reihe, um die Spannung zu erhöhen, und parallel, um die entnehmbare Stromstärke zu vergrößern. Man spricht dann von einem sogenannten Solarmodul
(Abb. 4).
© Thinkstock/iStockphoto
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Abb.4
Abb.5 (Schaltung eines Solarmoduls)
Aufgaben
1. Berechnen Sie die Gesamtspannung des in Abb. 5 dargestellten Si-Solarmoduls.
Verwenden Sie die Kirchhoff’sche Maschen- bzw. Knotenregel. Nehmen Sie
für jede Solarzelle eine Spannung von 0,5 V an.
2. Durch Verschmutzung einzelner Zellen eines Solarmoduls erhöht sich deren Innenwiderstand. Wegen der dadurch hervorgerufenen Erwärmung können diese Zellen thermisch zerstört werden. Damit fällt ein ganzer Strang des Moduls aus. Das wird durch
Schutzdioden, sog. Bypassdioden, verhindert, die parallel zu jeder Solarzelle in Sperrrichtung geschaltet sind. Erklären Sie deren Wirkungsweise (Internetrecherche!).
3. Warum kann der mit Solarmodulen produzierte Strom nicht direkt in das 230V-Haushaltsstromnetz eingespeist werden?
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4. Solarzellen
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Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke und Innenwiderstand einer Solarzelle – eigene Messungen
Aufgabe
Untersuchen Sie an einer Solarzelle die Abhängigkeit der Leerlaufspannung, der Kurzschlussstromstärke und des Innenwiderstandes von der Beleuchtungsstärke.
 Vorbereitung: 5 min
Schülerversuch/Lehrerversuch
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Geräte
Durchführung: 30 min

Si-Solarzelle

Spannungsmesser (1 V)

Beleuchtungsstärkemesser (Luxmeter)

Schalter

Lichtquelle

Strommesser (100 mA)
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Versuchsaufbau
R
x
U
I
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1kΩ
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Lampe
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Solarzelle
0
V
0
A
A
Ω
A
S
R
V
A
Ω
Amperemeter
Voltmeter
Abb. 1
Abb. 2
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Versuchsdurchführung
Bauen Sie das Experiment gemäß Abb. 1 bzw. 2 auf. Die Solarzelle sollte senkrecht zur
Lichtquelle ausgerichtet sein. Bestimmen Sie zuerst mit dem Luxmeter die jeweilige
Beleuchtungsstärke EB dicht vor der Solarzelle. Messen Sie danach bei geöffnetem Schalter die Leerlaufspannung U0. Schließen Sie den Schalter und messen jetzt die Kurzschlussstromstärke IK. Verändern Sie nun schrittweise den Abstand Lichtquelle – Solarzelle und
führen die gleichen Messungen durch.
Tragen Sie alle Messwerte in eine Tabelle ein, berechnen Sie Ri mit der Gleichung Ri = U0 / IK
und werten Sie Ihre Messung graisch aus.
 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Zur Selbstkontrolle – Ergebnis
Die Leerlaufspannung U0 einer Solarzelle erreicht schon bei geringer Beleuchtungsstärke
EB fast ihren Maximalwert und ist damit weitgehend unabhängig von dieser.
Die Kurzschlussstromstärke IK wächst proportional zur Beleuchtungsstärke.
Der Innenwiderstand Ri ist umso geringer, je größer die Beleuchtungsstärke ist.
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4. Solarzellen
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Experiment 2: Abhängigkeit der Leistung von der Beleuchtungsstärke
Messen Sie mit dem Luxmeter die Beleuchtungsstärke EB für vier verschiedene Lichtquellen dicht vor der Solarzelle. Wählen Sie einen Belastungswiderstand von etwa 30 Ω.
Bestimmen Sie für jede Lichtquelle die jeweilige abgegebene elektrische Leistung der
Solarzelle entweder aus U-I-Messungen oder mit einem Leistungsmesser (Wattmeter).
Experiment 3: Abhängigkeit der Leistung von der Temperatur
II/C
Richten Sie die Solarzelle senkrecht zur Lichtquelle aus und wählen Sie deren Abstand
mindestens 50 cm von der Solarzelle. Während der gesamten Messreihe müssen die
Beleuchtungsstärke und der Belastungswiderstand konstant bleiben.
Führen Sie das Experiment zuerst bei Zimmertemperatur durch. Erhöhen Sie dann die
Temperatur der Solarzelle mithilfe eines Föhns oder mit einer sehr starken Lichtquelle
(z. B. Halogenscheinwerfer).
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A
Zur Abkühlung der Solarzelle können Sie entweder einen Kühlakku oder Eiswürfel benutzen.
Tragen Sie alle Messwerte in eine Tabelle ein, berechnen Sie die Leistung P und vergleichen Sie Leistung und Temperatur.
Experiment 4: Abhängigkeit der Leistung vom Einfallswinkel des Lichts
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Richten Sie die Solarzelle senkrecht zur Lichtquelle aus (Einfallswinkel des Lichts 90°) und
wählen Sie deren Abstand 40 cm von der Solarzelle. Während der gesamten Messreihe
muss dieser Abstand konstant bleiben. Verändern Sie schrittweise den Einfallswinkel des
Lichts.
Tragen Sie alle Messwerte in eine Tabelle ein, berechnen Sie die Leistung P und vergleichen Sie Leistung und Einfallswinkel.
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R
 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Zur Selbstkontrolle – Ergebnis
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1. Einer Solarzelle kann nur bei einem optimal angepassten Belastungswiderstand die
maximale Leistung entnommen werden.
2. Die Leistung einer Solarzelle ist umso größer, je größer die Beleuchtungsstärke ist.
3. Die Temperatur hat einen relativ geringen Einluss auf die Leistung einer Solarzelle. Mit
steigender Temperatur nimmt die Leistung der Solarzelle ab.
4. Die Leistung einer Solarzelle hängt in erheblichem Maß vom Einfallswinkel der Lichtstrahlung ab. Bei senkrechtem Einfall (Einfallswinkel 90°) ist sie am größten und wird
mit kleineren Winkeln, d. h. lacherem Einfall, immer kleiner.
Anmerkungen
1. Für eine efiziente Ausnutzung der Sonnenenergie ist es nötig, den Belastungswiderstand dem jeweiligen Betriebszustand (Beleuchtungsstärke, Temperatur, Einfallswinkel
der Sonnenstrahlung) anzupassen. Diese Aufgabe übernimmt neben der Umwandlung
von Gleich- in Wechselstrom ein elektronisch gesteuerter Wechselrichter.
2. Eine weitere Steigerung der Efizienz erreicht man durch eine mechanische Nachführung der Solarzellen entsprechend dem Sonnenstand. Das bedeutet, dass man die
Solarzellen je nach Tages- und Jahreszeit vertikal und horizontal ausrichten muss. Bei
der vertikalen Steuerung wird der Höhenwinkel (Elevation) dem Sonnenstand nachgeführt, die horizontale Steuerung folgt der Sonnenbahn (Azimut). Die Steuerung übernehmen elektronisch geregelte Elektromotoren.
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