Experiment 5
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leXsolar-PV Professional Anleitungen Inhalt Elektronische Grundlagenversuche: ........................................................................................................ 10 G.1 Aufbau eines einfachen Stromkreises.................................................................................................... 10 G.2 Das ohmsche Gesetz ............................................................................................................................ 10 G.3 Reihenschaltung von ohmschen Widerständen ..................................................................................... 10 G.4 Parallelschaltung von ohmschen Widerständen .................................................................................... 10 G.5 Anlauf- und Leerlaufverhalten eines Motors........................................................................................... 10 Was ist Photovoltaik? ................................................................................................................................ 10 1.1 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (phänomenologisch) ...................................................... 10 1.2 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (quantitativ) ................................................................... 10 1.3 Abhängigkeit der Leistung von der Fläche der Solarzelle ....................................................................... 10 1.4 Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Einfallswinkel des Lichtes ............................................... 10 1.5 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke ......................................................... 10 1.6 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke unter Last ........................................ 10 1.7 Abhängigkeit des Innenwiderstands der Solarzelle von der Beleuchtungsstärke .................................... 10 2. Teilverschattung von Solarmodulen ......................................................................................................... 10 3.1 Dunkelkennlinie der Solarzelle ............................................................................................................... 10 3.2 U-I-Kennlinie, MPP und Füllfaktor der Solarzelle .................................................................................... 10 3.3 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke ..................................................... 10 3.4 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit von der Temperatur ........................................................... 10 3.5 Modulkennlinien von Solarzellen ............................................................................................................ 10 3.6 U-I-Kennlinie bei Teilverschattung von Solarzellen ................................................................................. 10 4 Temperaturkoeffizienten von Solarzellen ................................................................................................... 10 5. Komponenten einer solaren Inselanlage .................................................................................................. 10 L3-03-084_14.05.2014 6. Mögliche Betriebszustände eines Inselsystems........................................................................................ 10 7. Funktionsweise von Shunt-Regler und Serienregler ................................................................................. 10 8.1 Vergleich von PWM-Regler und Serienregler ......................................................................................... 10 8.2 Die Ladecharakteristik des PWM-Reglers .............................................................................................. 10 9.1 Funktionsprinzip eines MPP-Trackers .................................................................................................... 10 9.2 Charakteristik eines MPP-Trackers ........................................................................................................ 10 10. Funktionsweise des Tiefentladeschutzes ............................................................................................... 10 11.1 Funktionsweise eines Wechselrichters ................................................................................................. 10 11.2 Bestimmung des Verlaufs der Ausgangsspannung am DC-AC-Wandler ............................................. 10 L3-03-084_14.05.2014 Allgemeine Informationen Allgemeine Informationen 1. Bestandteile Die folgende Übersicht enthält Informationen zu den Bestandteilen des Experimentiersystems. Abgebildet ist jeweils ein Foto des jeweiligen Moduls und nebenstehend das technische Symbol zur Darstellung des Moduls im Versuchsaufbau. Weiterhin erhalten Sie Informationen zu technischen Daten, beziehungsweise zur Handhabung der Geräte. Grundeinheit Stromversorgungsgerät Solarmodul, klein Solarmodul, groß Kenndaten Kenndaten U=0,5 V U=0,5 V I=420 mA I=840 mA Solarmodul, extragroß Kenndaten U=5 V I=420 mA Diodenmodul Potentiometermodul PV-Professional Versuchsanleitungen Radiomodul 5 Allgemeine Informationen Widerstandsmodul (3-fach) mit Widerstandssteckelementen Mit Hilfe des Widerstandsmoduls können Parallelschaltungen verschiedener Widerstandsteckelemente realisiert werden. Reihenschaltungen werden durch das Hintereinanderschalten der dreifachen Widerstandsmodule ermöglicht. Folgende Widerstandssteckelemente sind im Experimentiersystem enthalten: 2 x R=10Ω 1 x R=33Ω 3 x R=100Ω Glühlampenmodul Das Glühlampenmodul beginnt bereits ab einer Spannung von 0,5V zu leuchten. Allerdings wird die Glühlampe bei den vorherrschenden Stromstärken eher glimmen, anstatt hell zu leuchten. Für eine optimale Sichtbarkeit sollten die das Modul gegen andere Lichtquellen abgeschirmt werden. LED-Modul, superhell Das LED-Modul entspricht einer LED-Lampe in einem realen solaren Inselsystem. Aus Effizienzgründen kommen dort nahezu ausschließlich LED-Lampen zum Einsatz. Motormodul mit Propeller Startstrom I=20mA Startspannung U= 0,4V Laufspannung U=0,4V…12V PV-Professional Versuchsanleitungen 6 Allgemeine Informationen Kondensatormodul Kenndaten: Doppelmodul: Einzelmodul: U=5,4 V Innenwiderstand < 34mΩ C=5,0F Max.Stromstärke 10A Tiefentladesschutz Ein Tiefentladeschutz ist eine Vorrichtung, die das Unterschreiten einer bestimmten Ladespannung eines Akkus verhindern soll. Tiefentladung ist für viele Akkutypen, insbesondere für die in solaren Inselsystemen häufig eingesetzten Blei-Akkus schädlich und vermindert deren Lebensdauer drastisch. In Realanlagen ist die Funktionalität des Tiefentladeschutzes im Laderegler integriert. In leXsolar-PV Professional sind beide Komponenten aus didaktischen Gründen getrennt. Beim leXsolar-Tiefentladeschutzmodul handelt es um einen Zwei-Punkt-Regler, der den Verbraucher vom Akku trennt, wenn die Ladespannung 2,8V unterschreitet. Erst wenn der Akku auf mindestens 3,16V aufgeladen ist, wird der Verbraucher wieder zugeschaltet. Die Kontroll-LED leuchtet, solange der Verbraucher zugeschaltet ist. Shunt-Regler Der Shunt-Regler (auch Parallelregler genannt) ist ein Laderegler, bei dem der Stelltransistor parallel zum Akku angeordnet ist. Erreicht der Akku also die am Shunt-Regler eingestellte Ladeschlussspannung, schließt der Shunt-Regler die Eingangsspannung kurz und verhindert so das Überladen des Akkus. Der leXsolar-Shunt-Regler ist ein Zwei-Punkt-Regler mit einer oberen Schaltschwelle von 4,2V und einer unteren Schaltschwelle von 3,6V. Die Funktionsweise der Kontroll-LED ist identisch mit der des Serienreglers. Auch hier sollte vor Beginn eines Versuchs der Kondensator auf ca. 2V aufgeladen werden, um die korrekte Funktion der Kontroll-LED sicherzustellen. PWM-Laderegler Sogenannte Pulsweiten-Modulierte Laderegler, laden den Akku nicht kontinuierlich sondern mit Pulsen fester Frequenz aber unterschiedlicher Länge. Das Verhältnis von Pulsdauer zu Pulsperiode – das sogenannte Tastverhältnis – bestimmt dabei wie schnell der Akku geladen wird. Mit diesem Verfahren kann sichergestellt werden, dass der Akku immer auf maximaler Kapazität gehalten wird, solange kein Verbraucher angeschlossen ist. Damit wird auch der Vorteil gegenüber einem klassischen Zwei-Punkt-Regler klar, bei dem die Ladespannung aufgrund von Selbstentladung immer wieder bis zur unteren Schaltschwelle absinkt. Bei Blei-Akkus kann durch die Verwendung des PWM-Ladeverfahrens der Sulfatierung der Elektroden vorgebeugt werden. Das leXsolar-PWMLadereglermodul hat zwei Arbeitsmodi: Bis ca. 3,7V Ladespannung schaltet der PWM-Regler die Eingangsspannung voll durch. Danach beginnt er zu pulsen und verringert das Tastverhältnis so lange, bis sich eine konstante Ladespannung von 4,1V einstellt. Die Kontroll-LED des PWM-Ladereglers leuchtet solange geladen wird – d.h. sie ist nur dann aus, wenn entweder keine Eingangsspannung anliegt oder der Kondensator weniger als 2V Ladespannung aufweist (vgl. Erläuterungen zu Shunt- und Serienregler). PV-Professional Versuchsanleitungen 7 Allgemeine Informationen Serienregler Der Serienregler ist ein Laderegler, bei dem der Stelltransistor in Reihe zum Akku angeordnet ist. Im durchgeschalteten Zustand fällt daher eine Spannung am Transistor ab, was die nutzbare Leistung des Solarmoduls verringert. Beim leXsolar-Serienregler handelt es sich um einen Zwei-Punkt-Regler, der bei Erreichen der voreingestellten Ladeschlussspannung von ca. 4,1 V den Akku vom Solarmodul trennt. Wird der Akku nun entladen schaltet der Serienregler die Solarmodulspannung erst wieder zu, wenndie untere Schwelle von ca. 3,5V unterschritten wird. Die Kontroll-LED des Serienreglers leuchtet, solange geladen wird. Die LED erlischt, sobald die voreingestellte Ladeschlussspannung erreicht ist und der Speicher von der Solarmodulspannung getrennt wird. Die Kontroll-LED leuchtet jedoch erst, wenn der Speicher auf mindestens ca. 2V aufgeladen ist. Vor Beginn eines Versuchs sollte daher zunächst der Kondensator auf ca. 2V aufgeladen werden. Wechselrichter Wechselrichter werden verwendet, um die Gleichspannung eines Solarmoduls in eine Wechselspannung umzuwandeln, um diese entweder ins Netz einzuspeisen oder im Falle einer Inselanlage handelsübliche Haushaltgeräte nutzen zu können. Der leXsolar-Wechselrichter erzeugt keine Netzspannung sondern eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 2,5V und eine Frequenz, die mit dem Potentiometer zwischen 0,5 und 15 Hz einstellbar ist. Um die Verlustleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung gering zu halten, wurde auf ein aufwendiges Verfahren zur Erzeugung des Wechselspannungssinus verzichtet. Die Ausgangsspannung ist daher nur in erster Näherung Sinus-förmig. MPP - Tracker Schließt man an ein Solarmodul einen beliebigen Verbraucher an, so wird dieser im Allgemeinen nicht am Maximum-Power-Point (MPP) des Moduls arbeiten. Vielmehr wird der Arbeitspunkt durch den Schnittpunkt der Kennlinien von Solarmodul und Verbraucher definiert. Oftmals wird daher installierte Solarleistung „verschenkt“, weil man die maximal mögliche Leistung des Solarmoduls nicht nutzen kann. Ein MPP-Tracker (oder kurz MPPT) ist ein sogenannter DC/DC-Wandler, der in der Lage ist, die Eingangsspannung herauf- oder herabzusetzen. Dabei bleibt zwar das Produkt aus Spannung und Stromstärke, die Leistung also, konstant (abgesehen von der Verlustleistung der Elektronik), der Arbeitspunkt kann jedoch ständig angepasst werden. Das leXsolar-MPP-Trackermodul verfügt über zwei Arbeitsmodi, die mit Tastern gewählt werden können. Bei Anwahl des automatischen Modus („automatic mode“) wird zunächst die Ausgangsspannung breit variiert (LED blinkt) und anschließend der Arbeitspunkt ausgewählt, bei dem die Ausgangsleistung maximal war (LED leuchtet kontinuierlich). Danach wird kontinuierlich von diesem Punkt aus die Ausgangsspannung leicht variiert und der Arbeitspunkt immer in Richtung höherer Ausgangsleistung verschoben. So wird gewährleistet, dass der Verbraucher die MPP-Leistung entnehmen kann (abgesehen von der Verlustleistung).Im manuellen Modus („manual mode“) kann das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung mit dem Potentiometer per Hand eingestellt werden. So ist ein manuelles MPP-Tracking möglich. Um die Verlustleistung des leXsolar-MPP-Trackers zu begrenzen wurde auf eine Spannungsheraufsetzung verzichtet. Der leXsolar-MPP-Tracker kann nur Spannungsherabsetzung, hat also nur dann einen Vorteil, wenn der angeschlossene Verbraucher einen niedrigeren Innenwiderstand hat als das Solarmodul. PV-Professional Versuchsanleitungen 8 Handhabung & Sicherheit Hinweise zu Handhabung und Sicherheit Solarmodul mit Fuß Das Solarmodul wird gegenüber der Lampe ausgerichtet und mit Hilfe des Standfußes stabilisiert. Der Mindestabstand zwischen Lampe und Solarmodul sollte 25cm betragen. Der Einfallswinkel des Lichtes kann mit Hilfe des Standfußes eingestellt werden. Folgende Winkel können eingestellt werden:0°,15°,30°,45° und 55°. Durch Variation des Winkels, sowie des Abstandes zwischen Lampe und Solarmodul kann der Kurzschlussstrom am Solarmodul eingestellt werden. Die Lampe entwickelt bei längerem Gebrauch eine starke Hitzewirkung. Nach dem Gebrauch sollte die Lampe abkühlen und nicht heiß in den Koffer zurückgelegt werden, um die Schaumstoffeinlage nicht zu beschädigen! PV-Professional Versuchsanleitungen 9 Experiment G.1 Elektronische Grundlagenversuche: G.1 Aufbau eines einfachen Stromkreises Aufgabe Bauen Sie einen einfachen Stromkreis auf. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Spannungsquelle - 1 Widerstandsmodul 3-fach - 2 Widerstandssteckelemente (R=100Ω) - 1 Motormodul Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf. 2. Öffnen und schließen Sie den Stromkreis, indem Sie: a) ein Laborkabel lösen/Stecken b) eine Strombrücke entfernen/stecken c) einen Widerstand entfernen/stecken 3. Notieren Sie ihre Beobachtungen Beobachtungen Auswertung 1. Versuchen Sie, eine Begründung für das Verhalten des Motors zu formulieren. PV-Professional Versuchsanleitungen 10 Experiment G.2 G.2 Das ohmsche Gesetz Aufgabe Untersuchen Sie das ohmsche Gesetz mithilfe verschiedener Widerstände. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Spannungsquelle - 1 Widerstandsmodul 3-fach - 3 Widerstandssteckelemente (R=100Ω, R=33 Ω, R=10 Ω) - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf. 2. Messen Sie Strom und Spannung bei verschiedenen Widerständen: - R=100Ω - R=33Ω - R=10Ω 3. Notieren Sie Ihre Messwerte (siehe Tabelle) und berechnen Sie jeweils den Quotienten U/I. Messwerte R (Ω) 100 33 10 U (V) I (mA) U/I (Ω) Auswertung 1. Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Widerstand R und dem Quotienten U/I? Welche Gesetzmäßigkeit kann daraus abgeleitet werden? PV-Professional Versuchsanleitungen 11 Experiment G.3 G.3 Reihenschaltung von ohmschen Widerständen Aufgabe Untersuchen Sie die Reihenschaltung von ohmschen Widerständen Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Spannungsquelle - 2 Widerstandsmodule 3-fach - 4 Widerstandssteckelemente (2x R=100Ω, 2x R=10 Ω) - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf. Beginnen Sie mit 2 x 100 Ω Widerstand. 2. Messen Sie jeweils den Strom, die Spannung über beiden Widerständen (Uges) und die Einzelspannung (U1, U2) bei folgenden Schaltungen: - R1=100Ω / R2=100Ω - R1=100Ω / R2=10Ω - R1=10Ω / R2=10Ω 3. Notieren Sie ihre Messwerte in einer Tabelle. Messwerte R 1=100Ω / R2=100Ω R1=100Ω / R2=10Ω R1=10Ω / R2=10Ω U1 (V) U2 (V) Uges (V) I (mA) Rges=Uges/I (Ω) Hinweis: Beim Messen der Spannung sollte das Strommessgerät vom Stromkreis getrennt werden, da es aufgrund des Innenwiderstands des Multimeters sonst zur Verfälschung von Messwerten kommt. PV-Professional Versuchsanleitungen 12 Experiment G.3 G.3 Reihenschaltung von ohmschen Widerständen Auswertung 1. Berechnen Sie jeweils den Quotienten Rges=Uges/I und tragen Sie die Werte in die obige Tabelle ein. 2. Berechnen Sie jeweils die Summe der Einzelspannungen (U1 + U2) und vergleichen Sie diese mit der Spannung über beiden Widerständen (Uges). 3. Welchen Einfluss haben die Widerstände auf die Stromstärke I und die Spannungen U1, U2 und Uges? 4. Wie hängt der Gesamtwiderstand Rges mit den Einzelwiderständen zusammen? 5. Formulieren Sie, ausgehend von Ihren Messergebnissen eine Gesetzmäßigkeit für die Berechnung des Gesamtwiderstandes bei der Reihenschaltung von Widerständen. 2. U1 + U2 Uges R 1=100Ω / R2=100Ω: R1=100Ω / R2=10Ω: R1=100Ω / R2=10Ω: 3. 4. 5. PV-Professional Versuchsanleitungen 13 Experiment G.4 G.4 Parallelschaltung von ohmschen Widerständen Aufgabe Untersuchen Sie die Parallelschaltung von ohmschen Widerständen Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Spannungsquelle - 1 Widerstandsmodul 3-fach - 6 Widerstandssteckelemente (3x R=100Ω, 2x R=10Ω, 1x R=33Ω) - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf. Beginnen Sie mit 1 x 100 Ω Widerstand. 2. Messen Sie jeweils den Strom und die Spannung bei folgenden Schaltungen: - R1=100Ω - R1=100Ω / R2=100Ω - R1=100Ω / R2=100Ω / R3=100Ω - R1=10Ω / R2=10Ω / R3=33Ω 3. Notieren Sie ihre Messwerte in einer Tabelle. Messwerte R1=100Ω R1=100Ω / R2=100Ω R1=100Ω / R2=100Ω / R3=100Ω R1=10Ω / R2=10Ω / R3=33Ω U (V) I (mA) Rges=U/I (Ω) Auswertung 1. Welchen Einfluss haben die Widerstände auf die Spannung U und die Stromstärke I? 2. Formulieren Sie, ausgehend von Ihren Messergebnissen eine Gesetzmäßigkeit für die Berechnung des Gesamtwiderstandes bei der Parallelschaltung von Widerständen. PV-Professional Versuchsanleitungen 14 Experiment G.5 G.5 Anlauf- und Leerlaufverhalten eines Motors Aufgabe Untersuchen Sie das Anlaufverhalten und das Leerlaufverhalten eines Motors. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Spannungsquelle - 1 Potentiometermodul - 1 Motormodul - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf. 2. Suchen Sie mithilfe des Potentiometers den Arbeitspunkt, an dem der Motor beginnt, sich zu drehen. Messen Sie Spannung und Strom an diesem Punkt und wiederholen Sie den Versuch zweimal. 3. Suchen Sie anschließend den Arbeitspunkt, an dem der Motor sich geradeso noch dreht, bevor er in die Ruhestellung übergeht. Messen Sie Strom und Spannung an diesem Punkt und wiederholen Sie den Versuch zweimal. Messwerte 1. Arbeitspunkt: Motor beginnt sich zu drehen 1. Messung 2. Messung 3. Messung 2. Messung 3. Messung U (V) I (mA) 2. Arbeitspunkt: Motor geht in Ruhestellung über 1. Messung U (V) I (mA) PV-Professional Versuchsanleitungen 15 Experiment G.5 G.5 Anlauf- und Leerlaufverhalten eines Motors Auswertung 1. Bestimmen Sie die notwendige Einschaltspannung und den Einschaltstrom. 2. Bestimmen Sie die kleinste Betriebsspannung und kleinsten Arbeitsstrom. 3. Erklären Sie die Unterschiede. 1. 2. 3. PV-Professional Versuchsanleitungen 9 Vorbereitung Was ist Photovoltaik? Info Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht (Sonnenenergie) in elektrischen Strom (elektrische Energie). Diese Energieumwandlung kann mit Hilfe von Solarzellen stattfinden. Das auf die Solarzelle auftreffende Licht wird in elektrische Energie umgewandelt. Je mehr Licht auf die Solarzelle auftrifft, umso mehr Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Da der Lichteinfall je nach Jahres- und Tageszeit schwankt und wetterabhängig ist, schwankt auch die Erzeugung elektrischer Energie der Solarzelle. Aufgaben Es gibt einige wesentliche Vorteile der Solarzellen bei der Gewinnung des elektrischen Stromes gegenüber herkömmlichen Methoden (z.B. Kohlekraftwerk): Welche Vorteile kennen Sie? Aus dem täglichen Leben kennen Sie sicherlich Anwendungen und Einsatzgebiete von Solaranlagen. Nennen Sie einige: Der Name Photovoltaik setzt sich aus den Bestandteilen Photos (das griechische Wort für Licht) und Volta (nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität) zusammen. Experimentieren Bei den Solarzellen sehen Sie auf der einen Seite ein „Minus“ und auf der anderen Seite ein „Plus“. Diese Symbole geben die Polung an. Ebenso wie bei Batterien ist es wichtig, die Solarzellen richtig herum zu benutzen. Gesamtschaltplan der Grundeinheit 3 Solarzellen in Reihenschaltung PV-Professional Versuchsanleitungen 3 Solarzellen in Parallelschaltung 10 Experiment 1.1 1.1 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (phänomenologisch) Aufgabe Untersuchen Sie die Unterschiede zwischen serien- und parallelgeschalteten Solarzellen mit Hilfe des Motormoduls. Aufbau Benötigte Geräte Schaltung 1 - Grundeinheit - 3 große Solarzellen - 1 Motormodul - 2 Messleitungen Schaltung 2 Durchführung 1. Bauen Sie zuerst eine Reihenschaltung auf (Schaltung 1). Nutzen Sie dabei erst eine, dann zwei und schließlich drei Solarzellen und notieren Sie ihre Beobachtungen! 2. Bauen Sie nun eine Parallelschaltung auf (Schaltung 2). Nutzen Sie dabei erst eine, dann zwei und schließlich drei Solarzellen und notieren Sie ihre Beobachtungen! Hinweise: Achten Sie während des Versuchs darauf, dass sich die Versuchsbedingungen (z.B. die Helligkeit) nicht ändern! PV-Professional Versuchsanleitungen 11 Experiment 1.1 1.1 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (phänomenologisch) Auswertung 1. Halten Sie ihre Beobachtungen in der Tabelle fest. Reihenschaltung Parallelschaltung Eine Solarzelle Zwei Solarzellen Drei Solarzellen 2. Versuchen Sie, ihre Beobachtung zu erklären! Was passiert bei der Parallelschaltung und was bei der Reihenschaltung? PV-Professional Versuchsanleitungen 12 Experiment 1.2 1.2 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (quantitativ) Aufgabe Ermitteln Sie, wie sich die Gesamtspannung und die Gesamtstromstärke bei Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen verhalten! Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 3 große Solarzellen - 3 Beleuchtungsmodule - 1 kleine Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Stromversorgungsgerät (6V) Vorbereitung Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf und stellen Sie die Beleuchtungsmodule (parallel geschaltet mit 6V versorgt) auf die Solarzellen. Hinweis: Bei diesem Experiment werden zur Vereinfachung nur Kurzschlussstromstärken bzw. Leerlaufspannungen gemessen. Diese können nicht gleichzeitig gemessen werden. Zum Messen der Leerlaufspannung muss der Stromkreis jeweils unterbrochen werden. Durchführung 1. a) Messen Sie Spannung und Stromstärke an einer Solarzelle (siehe Schaltbild)! Verändern Sie die Schaltung danach so, dass zwei bzw. drei Solarzellen in Reihe geschaltet sind! Nehmen Sie erneut Spannung und Stromstärke auf! b) Schalten Sie nun 2 große Solarzellen und eine kleine Solarzelle in Reihe und messen Sie erneut Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung. 2. a) Führen Sie die Messungen zur Parallelschaltung analog 1a) durch! b) Schalten Sie nun 2 große Solarzellen und eine kleine Solarzelle parallel und messen Sie erneut Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung. Auswertung 1. a) Formulieren Sie Gesetzmäßigkeiten für den Gesamtstrom und die Gesamtspannung bei Reihen- bzw. Parallelschaltung von Solarzellen! b) Welche Schaltungsart sollte daher bei der Herstellung von Solarmodulen verwendet werden, um technisch verwertbare Ausgangsspannungen zu erhalten? 2. a) Welches Verhalten beobachten Sie bei der Verschaltung verschieden großer Solarzellen, insbesondere bei der Reihenschaltung? b) Was ist bei der Fertigung von Solarmodulen daher zu beachten? PV-Professional Versuchsanleitungen 13 Experiment 1.2 1.2 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (quantitativ) Messwerte Reihenschaltung: eine große Solarzelle zwei große Solarzellen drei große Solarzellen zwei große und eine kleine Solarzelle eine große Solarzelle zwei große Solarzellen drei große Solarzellen zwei große und eine kleine Solarzelle UL (V) IK (mA) Parallelschaltung: UL (V) IK (mA) Auswertung 1a) Gesamtspannung und –stromstärke in der Reihen- sowie Parallelschaltung von gleich großen Solarzellen gehorchen folgenden Gesetzmäßigkeiten: Spannung Stromstärke Reihenschaltung Parallelschaltung b) Bei der Herstellung von Solarmodulen sollten die Solarzellen _______________ geschaltet werden, um sinnvolle Ausgangsspannungen zu erhalten. 2a) Bei der Reihenschaltung verschieden großer Solarzellen ist zu beobachten, dass b) Für die Herstellung von Solarmodulen sollten daher nur ________________ Solarzellen verwendet werden. PV-Professional Versuchsanleitungen 14 Experiment 1.3 1.3 Abhängigkeit der Leistung von der Fläche der Solarzelle Aufgabe Messen Sie Spannung und Stromstärke einer Solarzelle bei unterschiedlich großer aktiver Oberfläche und bestimmen Sie daraus deren Leistung! Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Fläche und diesen drei Größen? Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 große Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - Zusätzlich benötigt: Solarzellenabdeckung Durchführung 1. Messen Sie an der Solarzelle Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke! 2. Wiederholen Sie diese Messung mit der Solarzelle, wenn sie zu 3/4, zur Hälfte sowie zu 1/4 abgedeckt ist. 3. Erfassen Sie alle Messwerte in einer Tabelle! Auswertung 1. Berechnen Sie aus den Messwerten die jeweilige Leistung P der Solarzelle! Hinweis: Die hier als Produkt von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom berechnete Leistung kann der Solarzelle real nicht entnommen werden. Sie zeigt jedoch das gleiche Verhalten wie die reale Leistung und wird daher zur Vereinfachung herangezogen. Dieser Zusammenhang wird später im Versuch zur U-IKennlinie näher beleuchtet. 2. Stellen Sie die Ergebnisse in Diagrammen dar! 3. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Spannung und Fläche sowie zwischen Stromstärke und Fläche? 4. Wie kann man dies erklären? 5. Welcher Zusammenhang folgt daraus zwischen der Fläche und der Leistung der Solarzelle? PV-Professional Versuchsanleitungen 15 Experiment 1.3 1.3 Abhängigkeit der Leistung von der Fläche der Solarzelle Messwerte 1 (ohne Abdeckung) Aktive Solarzellenfläche 3/4 1/2 (eine (zwei Abdeckung) Abdeckungen) 1/4 (drei Abdeckungen) 0 (ganz abgedeckt) UL (V) IK (mA) P = UL·IK (mW) Diagramme Auswertung Zusammenhang zwischen… … Spannung und Fläche: … Stromstärke und Fläche: … Leistung und Fläche: PV-Professional Versuchsanleitungen 16 Experiment 1.4 1.4 Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Einfallswinkel des Lichtes Aufgabe Nehmen Sie Stromstärke und Spannung einer Solarzelle in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtes auf! Bestimmen Sie daraus die Leistung. Welche Zusammenhänge stellen Sie fest? Aufbau Benötigte Geräte Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Fuß für Solarmodul - 1 Lampe Vorbereitung Richten Sie das Solarmodul mit Hilfe des Solarmodulfußes zunächst senkrecht zur Lampe aus. Stellen Sie einen Abstand zwischen Solarmodul und Lampe ein, sodass am Solarmodul ein Kurzschlussstrom von 100mA fließt. Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf. 2. Messen Sie Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung am Solarmodul für den Einfallswinkel von 0°(senkrechter Einfall). 3. Variieren Sie mit Hilfe des Standfußes den Einfallswinkel des Lichtes in den vorgegebenen Schritten (siehe Tabelle). Hinweise zur Handhabung des Standfußes finden Sie auf Seite 9. Auswertung 1. Zeichnen Sie das P- cos Diagramm! Welche Abhängigkeiten besteht? 2. Erklären Sie diese Abhängigkeit geometrisch unter der Voraussetzung IK ~ A, dass also der Strom proportional mit der Solarzellenfläche anwächst wie in Experiment 1.3 gesehen! PV-Professional Versuchsanleitungen 17 Experiment 1.4 1.4 Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Einfallswinkel des Lichtes Messwerte (°) UL (V) IK (mA) cos P=U·I (mW) Diagramme Auswertung 2. Platz für Zeichnungen zur geometrischen Erklärung: PV-Professional Versuchsanleitungen 18 Experiment 1.5 1.5 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke Aufgabe Nehmen Sie Kurzschlussstromstärke und Leerlaufspannung einer Solarzelle in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke E auf! Bestimmen Sie daraus die Leistung P der Solarzelle. Welcher Zusammenhang besteht zwischen P und E? Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Beleuchtungsmodul - 1 große Solarzelle - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Stromversorgungsgerät (8V) Vorbereitung Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf! Betreiben Sie zunächst nur eine Glühlampe des Beleuchtungsmoduls mit 8V! Hinweis: Bei diesem und den folgenden Versuchen wird die Anzahl der leuchtenden Glühlampen im Beleuchtungsmodul durch locker- bzw. festdrehen variiert. Das Beleuchtungsmodul liefert pro Glühlampe bei 8V Betriebsspannung eine Beleuchtungsstärke von 1,75 mW/cm² - Mit vier Glühlampen und 8V Betriebsspannung also 7 mW/cm². Somit kann für jeden Messwert die Beleuchtungsstärke errechnet werden. Durchführung 1. Stellen Sie das Beleuchtungsmodul auf das Solarmodul und messen Sie Kurzschlussstromstärke und Leerlaufspannung der Solarzelle! 2. Wiederholen Sie die Messung mit 2, 3 und 4 leuchtenden Glühlampen im Beleuchtungsmodul! Erfassen sie alle Messwerte in einer Tabelle! Hinweis: Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lange auf der Solarzelle stehen, um deren Erwärmung zu vermeiden. Auswertung 1. 2. 3. 4. Errechnen Sie die Beleuchtungsstärke sowie die Leistung der Solarzelle für jede Lampenanzahl! Zeichnen Sie das E-P-Diagramm! Welcher Zusammenhang ergibt sich zwischen Solarzellenleistung und Beleuchtungsstärke? Welche Abhängigkeit zeigt die Spannung von Beleuchtungsstärke? Erklären Sie Ihre Beobachtungen! PV-Professional Versuchsanleitungen 19 Experiment 1.5 1.5 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke Messwerte 1 Lampe 2 Lampen 3 Lampen 4 Lampen Beleuchtungsstärke E (W/m²) UL (mV) IK (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung PV-Professional Versuchsanleitungen 20 Experiment 1.6 1.6 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke unter Last Aufgabe Nehmen Sie Stromstärke und Spannung einer Solarzelle unter Last in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke E auf! Bestimmen Sie daraus die Leistung P der Solarzelle. Welcher Zusammenhang besteht zwischen P und E? Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Beleuchtungsmodul - 1 große Solarzelle - 1 Widerstandsmodul (R=33Ω) - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Stromversorgungsgerät (8V) Vorbereitung Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf! Betreiben Sie zunächst nur eine Glühlampe des Beleuchtungsmoduls mit 8V! Hinweis: Beachten Sie den Hinweis aus dem vorhergehenden Experiment zur Variation der Beleuchtungsstärke und der Berechnung der Beleuchtungsstärke. Durchführung 1. 2. Stellen Sie das Beleuchtungsmodul auf das Solarmodul und messen Sie Kurzschlussstromstärke und Leerlaufspannung der Solarzelle! Wiederholen Sie die Messung mit 2, 3 und 4 leuchtenden Glühlampen im Beleuchtungsmodul! Erfassen Sie alle Messwerte in einer Tabelle! Hinweis: Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lange auf der Solarzelle stehen, um deren Erwärmung zu vermeiden. Auswertung 1. 2. 3. 4. Errechnen Sie die Beleuchtungsstärke sowie die Leistung der Solarzelle für jede Lampenanzahl! Zeichnen Sie das E-P-Diagramm! Welcher Zusammenhang ergibt sich zwischen Solarzellenleistung und Beleuchtungsstärke? Welche Unterschiede ergeben sich zu Experiment 1.5? Wie kann man diese erklären? PV-Professional Versuchsanleitungen 21 Experiment 1.6 1.6 Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke unter Last Messwert Beleuchtung mit 1 Lampe 2 Lampen 3 Lampen 4 Lampen Beleuchtungsstärke E (W/m²) UL (mV) IK (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung PV-Professional Versuchsanleitungen 22 Experiment 1.7 1.7 Abhängigkeit des Innenwiderstands der Solarzelle von der Beleuchtungsstärke Aufgabe Bestimmen Sie den Innenwiderstand Beleuchtungsstärke E! Ri einer Aufbau Solarzelle und dessen Abhängigkeit von der Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Beleuchtungsmodul - 1 Widerstandsmodul (R=33Ω) - 1 große Solarzelle - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Stromversorgungsgerät (8V) Vorbereitung Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf! Betreiben Sie zunächst nur eine Glühlampe des Beleuchtungsmoduls mit 8V! Das Spannungsmessgerät für ULeer und UKlemm kann während des Versuchs umgesteckt werden, sodass nur ein Spannungsmessgerät benötigt wird. Hinweis: Beachten Sie den Hinweis aus Experiment 1.5 zur Variation der Beleuchtungsstärke und der Berechnung der Beleuchtungsstärke Durchführung 1. Stellen Sie das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle. 2. Messen Sie zunächst die Leerlaufspannung der Solarzelle (bei unterbrochenem Stromkreis), danach Klemmspannung und Stromstärke unter Last! Wiederholen Sie die Messung mit 2, 3 und 4 Glühlampen im Beleuchtungsmodul! Erfassen Sie alle Messwerte in einer Tabelle! Hinweis: Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lange auf der Solarzelle stehen, um deren Erwärmung zu vermeiden. Auswertung 1. Zeichnen Sie einen Ersatzschaltplan des Problems, in dem auch der Innenwiderstand der Solarzelle vorkommt. Errechnen Sie den Innenwiderstand der Solarzelle für jede Beleuchtungsstärke! Hinweis: ULeer = Uklemm + I·Rinnen 2. Zeichnen Sie das Rinnen-n-Diagramm (n...Anzahl der Lampen)! Welcher Zusammenhang ergibt sich? Zusatz: 3. Vergleichen Sie dieses Experiment mit 1.6 und erklären Sie den Verlauf der Rinnen-E-Kurve! PV-Professional Versuchsanleitungen 23 Experiment 1.7 1.7 Abhängigkeit des Innenwiderstands der Solarzelle von der Beleuchtungsstärke Messwerte 1 Lampe Beleuchtung mit 2 Lampen 3 Lampen 4 Lampen ULeer (mV) UKlemm (mV) I (mA) Rinnen (Ω) Schaltplan Diagramme Auswertung Begründung für das Verhalten: PV-Professional Versuchsanleitungen 24 Experiment 2 2. Teilverschattung von Solarmodulen Aufgabe Wie verändern sich Gesamtspannung und Gesamtstrom von drei in Reihe geschalteten Solarzellen, wenn eine der Zellen abgedunkelt wird? Wie verändern sie sich, wenn eine Solarzelle mit parallel geschalteter Diode abgedunkelt wird? Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 3 Solarzellen - 3 Beleuchtungsmodule - 1 Stromversorgungsgerät (6V) - 1 Diodenmodul - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Abdeckung für eine Solarzelle Durchführung 1. Schließen Sie alle drei Beleuchtungsmodule parallel, verbinden Sie diese mit dem Stromversorgungsgerät (6V) und stellen Sie sie auf die Solarzellen. 2. Messen Sie die Leeraufspannung und Kurzschlussstromstärke an der Reihenschaltung der drei Solarzellen. 3. Schalten Sie nun das Beleuchtungsmodul auf der rechten Solarzelle aus und messen Sie erneut UL und IK. Das Ausschalten des Beleuchtungsmoduls ist gleichbedeutend mit einer Verschattung der Solarzelle. 4. Schalten Sie das Beleuchtungsmodul wieder an, dafür aber das Beleuchtungsmodul auf der linken Solarzelle - an der eine Diode parallel geschaltet ist - aus! Messen Sie erneut UL und IK. Auswertung 1. Berechnen Sie, um wie viel Prozent die Leistung beim Verschatten der Solarzelle mit bzw. ohne Diode gegenüber der Anfangsleistung absinkt! 2. Welche Auswirkung kann dieser Effekt auf die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage haben? Zusatz: 3. Begründen Sie die gemessenen Werte anhand der Funktionsweise der Halbleiterdiode! (Hinweis: Bei Abdunkelung der Solarzelle steigt deren Widerstand über den der Halbleiterdiode in Durchlassrichtung.) 4. Wie kann dieser Effekt bei der Verschaltung von Solarmodulen genutzt werden? PV-Professional Versuchsanleitungen 25 Experiment 2 2. Teilverschattung von Solarmodulen Messwerte Reihenschaltung von drei Solarzellen (1) beleuchtetet (3) eine Solarzelle alle (2) eine Solarzelle verschattet und zu verschattet dieser ist die Diode parallel geschaltet UL (V) IK (mA) P=U·I (mW) Absinken der Leistung gegenüber Messung 1 % % Auswertung Ursache des Ergebnisses von Messung 2: Was bewirkt die Diode in Messung 3? PV-Professional Versuchsanleitungen 26 Experiment 3.1 3.1 Dunkelkennlinie der Solarzelle Aufgabe Nehmen Sie die Dunkelkennlinie der Solarzelle auf! Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 große Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - zusätzlich benötigt: variable Spannungsquelle (0...2V) Vorbereitung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf! 2. Verwenden Sie möglichst lange Zuleitungen zur Grundeinheit. Legen Sie die Grundeinheit in den Experimentierkoffer und schließen Sie den Deckel. So ist eine sehr gute Verdunklung der Solarzelle gegeben. 3. Stellen Sie die Spannungsversorgung auf 0V Durchführung Geben Sie sich sinnvolle Werte für die Spannung im Bereich -2 … +2 V vor und messen Sie für diese jeweils die Stromstärke! Polen Sie Spannungsquelle bei Erreichen von 0V um, damit Sie in positiver Richtung weiter messen können. Hinweis: Vermeiden Sie Messbereichsänderungen. Auswertung 1. Zeichnen Sie das U-I-Diagramm der Solarzelle! 2. Welchem Ihnen bekannten Bauteil entspricht diese Kennlinie? Heben Sie den markanten Punkt dieser Kurve hervor und benennen Sie ihn! PV-Professional Versuchsanleitungen 27 Experiment 3.1 3.1 Dunkelkennlinie der Solarzelle Messwerte U (V) I (mA) U (V) I (mA) Diagramme Auswertung Die Dunkelkennlinie der Solarzelle ähnelt sehr stark der Kennlinie einer PV-Professional Versuchsanleitungen 28 Experiment 3.2 3.2 U-I-Kennlinie, MPP und Füllfaktor der Solarzelle Aufgabe Nehmen Sie die U-I-Kennlinie der Solarzelle auf! Bestimmen Sie den MPP und den Füllfaktor (FF)! Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 große Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Potentiometermodul - 1 Beleuchtungsmodul - 1 Spannungsquelle (5V) Vorbereitung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf! 2. Schließen Sie das Beleuchtungsmodul an das Stromversorgungsgerät an (5V) und stellen Sie es auf die Solarzelle! Achten Sie darauf, dass alle vier Glühlampen leuchten! Hinweis: Höhere Spannungen am Beleuchtungsmodul haben eine Erwärmung und damit Verfälschung der Messwerte zur Folge! Durchführung Führen Sie die Messung von Stromstärke und Spannung entsprechend den Angaben in der Messwerttabelle auf der nächsten Seite durch. Hinweis: Vermeiden Sie Messbereichsänderungen während einer Messreihe! Auswertung 1. Zeichnen Sie das U-I-Diagramm der Solarzelle! 2. Berechnen Sie zu jedem Messpunkt die jeweilige Leistung der Solarzelle! Erweitern Sie das U-IDiagramm um eine zweite y-Achse auf der rechten Seite und tragen Sie daran die Leistung ab! Zeichnen Sie die U-P-Kurve ein! 3. Bestimmen Sie den Maximum Power Point (MPP) - den Punkt maximaler Leistung! 4. Bestimmen Sie den Füllfaktor (FF) der Solarzelle! Hinweis: Der Füllfaktor (FF) ist das Verhältnis der MPP-Leistung zu der Leistung, die sich aus dem Produkt von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom ergibt. Es gilt also: FF=PMPP/UL∙IK. Geometrisch interpretiert ist er also das Verhältnis der beiden Rechtecke, die im U-I-Diagramm von der MPP-Leistung, sowie der Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke aufgespannt werden. PV-Professional Versuchsanleitungen 29 Experiment 3.2 3.2 U-I-Kennlinie, MPP und Füllfaktor der Solarzelle Messwerte Messpunkte (1) (2) (3)… U (V) I (mA) P=U·I (mW) …(3) Messpunkte (4) U (V) I (mA) P=U·I (mW) (1) Leerlauf (Stromkreis geöffnet) (2) beide Potentiometer auf Rmax einstellen (3) Strommessung nun etwa alle 50mV durchführen: - die Spannung kann mit Hilfe der Potentiometer eingestellt werden - dazu zunächst das 1k Potentiometer verändern, ggf. Feineinstellung mit 100 Pot. vornehmen. - Wenn das 1k Potentiometer Rmin erreicht hat, mit dem 100 Pot. weiterregeln bis beide Pot. bei Rmin (4) Kurzschluss (Strommessgeräte direkt an Solarzelle anschließen) Diagramme Auswertung Der MPP (Maximum Power Point) der Solarzelle bei den Messbedingungen liegt bei: UMPP =_____________ und IMPP =________________. Die maximal abgegebene Leistung beträgt also PMPP =______________. Der Füllfaktor (FF) der Solarzelle beträgt ________________%. PV-Professional Versuchsanleitungen 30 Experiment 3.3 3.3 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke Aufgabe Nehmen Sie die U-I-Kennlinie der Solarzelle bei verschiedenen Beleuchtungsstärken auf und vergleichen Sie die MPPs und die Füllfaktoren. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 große Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Potentiometermodul - 1 Beleuchtungsmodul - 1 Spannungsquelle (5V) Vorbereitung Dieser Versuch ist eine Fortsetzung von Versuch 3.2. Es wird die gleiche Kennlinie nun mit geringeren Beleuchtungsstärken gemessen. Die Variation der Beleuchtungsstärke erfolgt durch Lockerdrehen der Glühlampen im Beleuchtungsmodul. 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf! 2. Schließen Sie das Beleuchtungsmodul an das Stromversorgungsgerät an (5V) und stellen Sie es auf die Solarzelle! Achten Sie darauf, dass genau 3 Glühlampen leuchten! Durchführung 1. Führen Sie nun die gleiche Messung wie bei Experiment 3.2 durch! Nehmen Sie also eine vollständige Kennlinie der Solarzelle auf! Gehen Sie bei der Einstellung der Potentiometer genau so vor wie in der Messwerttabelle in Experiment 3.2 angegeben. 2. Wiederholen Sie die Messung mit zwei sowie mit einer leuchtenden Glühlampe! Hinweis: Vermeiden Sie Messbereichsänderungen während einer Messreihe! Auswertung 1. Zeichnen Sie die U-I-Diagramme der Solarzelle bei den unterschiedlichen Beleuchtungsstärken in ein Diagramm! 2. Bestimmen Sie für jede Kennlinie den Maximum Power Point (MPP) und den Füllfaktor (FF) und vergleichen Sie die Werte der verschiedenen Kennlinien miteinander. PV-Professional Versuchsanleitungen 31 Experiment 3.3 3.3 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke Messwerte mit drei Glühlampen: U (V) I (mA) P=U·I (mW) mit zwei Glühlampen: U (V) I (mA) P=U·I (mW) mit einer Glühlampe U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung Beleuchtungsstärke 1 (Werte aus 3.1) ¾ (3 Glühlampen) ½ (2 Glühlampen) ¼ (1 Glühlampe) PMPP (mW) PV-Professional UMPP (V) IMPP (mA) Versuchsanleitungen FF 32 Experiment 3.4 3.4 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit von der Temperatur Aufgabe Nehmen Sie die U-I-Kennlinie der Solarzelle bei verschiedenen Temperaturen auf! Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 große Solarzelle - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Potentiometermodul - 1 Beleuchtungsmodul - 1 Spannungsquelle (5V / 12V) - 1 Laborthermometer Vorbereitung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf! 2. Schließen Sie das Beleuchtungsmodul an das Stromversorgungsgerät an (12 V) und stellen Sie es auf die Solarzelle! Achten Sie darauf, dass alle vier Glühlampen leuchten! Stecken Sie das Laborthermometer durch die Öffnung im Beleuchtungsmodul und beobachten Sie die Temperatur. 3. Wenn die Temperatur 55°C erreicht hat, regeln Sie die Spannung am Stromversorgungsgerät auf 5V zurück und beginnen Sie mit dem eigentlichen Versuch. Durchführung Führen Sie die gleiche Messung wie bei Experiment 3.2 durch! Nehmen Sie also eine vollständige Kennlinie der Solarzelle auf! Gehen Sie bei der Einstellung der Potentiometer genau so vor wie in der Messwerttabelle in Experiment 3.2 angegeben. Überwachen Sie während der Messung die Temperatur. Sollte die Temperatur unter 50°C fallen, unterbrechen Sie die Messung und heizen die Solarzelle zunächst wieder bis auf 55°C, indem Sie die Spannung am Stromversorgungsgerät kurzzeitig auf 12V erhöhen. Hinweis: Vermeiden Sie Messbereichsänderungen während einer Messreihe! Auswertung 1. Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie der Solarzelle bei Raumtemperatur (aus Versuch 3.2) sowie die mit diesem Versuch gewonnene Kennlinie in ein Diagramm. 2. Bestimmen Sie für beide Kennlinien den Maximum Power Point (MPP) und vergleichen Sie die Lage der MPPs der unterschiedlichen Kennlinien! 3. Vergleichen Sie qualitativ die Veränderungen der Kennlinien aus den Versuchen 3.3 sowie 3.4. PV-Professional Versuchsanleitungen 33 Experiment 3.4 3.4 U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängigkeit von der Temperatur Messwerte Messpunkte (1) (2) (3)… U (V) I (mA) P=U·I (mW) …(3) Messpunkte (4) U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung IMPP (mA) UMPP (V) PMPP (mW) FF Raumtemperatur 55°C PV-Professional Versuchsanleitungen 34 Experiment 3.5 3.5 Modulkennlinien von Solarzellen Aufgabe Vergleichen Sie die U-I-Kennlinien verschiedener Solarmodule! Bestimmen Sie jeweils den MPP und den Füllfaktor (FF). Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 3 große Solarzellen - 3 kleine Solarzellen - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Potentiometermodul - 3 Beleuchtungsmodule - 1 Spannungsquelle (6V) Vorbereitung Bauen Sie den Versuch entsprechend dem Schaltplan auf und stellen Sie die Beleuchtungsmodule (parallel geschaltet mit 6V versorgt) auf die Solarzellen. Hinweis: Höhere Spannungen am Beleuchtungsmodul haben eine Erwärmung und damit Verfälschung der Messwerte zur Folge! Durchführung Dieser Versuch ist eine Fortsetzung von Versuch 3.2. Es sollen nun die U-I-Kennlinien verschiedener Solarmodule gemessen werden: a. 3 große Zellen in Reihe b. 3 kleine Zellen in Reihe c. 2 große und eine kleine Zelle in Reihe Führen Sie nun die gleiche Messung wie bei Experiment 3.2 durch! Nehmen Sie also die vollständige Kennlinie der angegebenen Solarmodule auf! Gehen Sie bei der Einstellung der Potentiometer genau so vor wie in der Messwerttabelle in Experiment 3.2 angegeben. Auswertung 1. Zeichnen Sie die U-I-, sowie U-P-Diagramme der verschiedenen Solarmodule in ein Diagramm! 2. Bestimmen Sie für jede Kennlinie den Maximum Power Point (MPP) und den Füllfaktor (FF) und vergleichen Sie die Werte der verschiedenen Kennlinien miteinander. 3. Wie unterscheiden sich qualitativ die Kennlinien der Solarmodule? PV-Professional Versuchsanleitungen 35 Experiment 3.5 3.5 Modulkennlinien von Solarzellen Messwerte Drei große Zellen in Reihe: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Drei kleine Zellen in Reihe: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Zwei große und eine kleine Zelle in Reihe: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung Beleuchtungsstärke IMPP (mA) UMPP (V) PMPP (mW) FF (%) 1 (Werte aus 3.1) 3 große Zellen in Reihe 3 kleine Zellen in Reihe 2 große,1kleine Zelle in Reihe PV-Professional Versuchsanleitungen 36 Experiment 3.6 3.6 U-I-Kennlinie bei Teilverschattung von Solarzellen Aufgabe Wie verändert sich die U-I- Kennlinie eines Solarmoduls, wenn eine Solarzelle teilverschattet wird? Wie verändert sie sich, wenn zur abgeschatteten Solarzelle eine Diode parallel dazu geschaltet wird? Was passiert bei Parallelschaltung der Diode zu zwei der Zellen (eine davon verschattet?) Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 3 große Solarzellen - 1 Diodenmodul - 1-Potentiometermodul - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 3 Beleuchtungsmodule - 1 Spannungsquelle (6V) Durchführung Dieser Versuch ist eine Fortsetzung von Versuch 2 und Versuch 3.2 Es soll die U-I-Kennlinie eines Solarmoduls unter verschiedenen Bedingungen gemessen werden 1. Messen Sie die U-I-Kennlinie von drei großen, in Reihe geschalteten Solarzellen, wobei eine Solarzelle nur zur Hälfte beleuchtet sein soll (2 statt 4 Glühlampen an). (Das entspricht einer Verschattung der Solarzelle) 2. Führen Sie die gleiche Messung nochmals durch, wobei diesmal eine Diode parallel zur verschatteten Solarzelle geschaltet sein soll 3. Führen Sie die gleiche Messung wie in 2 durch, diesmal soll die Diode jedoch parallel zu zwei der Solarzellen geschaltet sein (eine davon mit Verschattung). Gehen Sie bei der Einstellung der Potentiometer genau so vor wie in der Messwerttabelle in Experiment 3.2 angegeben. Auswertung 1. Zeichnen Sie die U-I-, sowie U-P-Diagramme der verschiedenen Solarmodule in ein Diagramm! 2. Bestimmen Sie für jede Kennlinie den Maximum Power Point (MPP) und den Füllfaktor (FF) und vergleichen Sie die Werte der verschiedenen Kennlinien miteinander. 3. Wie unterscheiden sich die verschiedenen Kennlinien qualitativ? PV-Professional Versuchsanleitungen 37 Experiment 3.6 3.6 U-I-Kennlinie bei Teilverschattung von Solarzellen Messwerte Drei große Zellen in Reihe, eine teilverschattet: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diode parallel zu einer Solarzelle: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diode parallel zu zwei Solarzellen: U (V) I (mA) P=U·I (mW) Diagramme Auswertung IMPP (mA) UMPP (V) PMPP (mW) FF (%) 3 große Zellen in Reihe (Werte aus 3.1) 3 große Zellen in Reihe, teilverschattet Diode parallel zu 1 Solarzelle Diode parallel zu 2 Solarzellen PV-Professional Versuchsanleitungen 38 Experiment 4 4. Temperaturkoeffizienten von Solarzellen Aufgabe Bestimmen Sie die Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke und Leistung einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Temperatur. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Beleuchtungsmodul - 1 große Solarzelle - 1 Widerstandsmodul (R=33Ω) - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 Stromversorgungsgerät (12V) - Zusätzlich benötigt: 1 Laborthermometer Vorbereitung Bauen Sie den Versuch gemäß dem Schaltplan auf! Schrauben Sie alle 4 Glühlämpchen fest in das Beleuchtungsmodul! Stellen Sie das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle und schieben Sie das Thermometer durch die vorgesehene Bohrung, bis es auf der Zelle aufsitzt! Verbinden Sie das Beleuchtungsmodul mit dem noch ausgeschalteten Stromversorgungsgerät (12V)! ACHTUNG: Bei diesem Versuch werden wieder Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung gemessen. Beide Größen können nicht gleichzeitig gemessen werden. An jedem Messpunkt muss daher zur Messung der Leerlaufspannung das Strommessgerät kurz von der Solarzelle getrennt werden! Durchführung 1. Lesen Sie die Temperatur am Thermometer ab und nehmen das erste Messwertepaar UL und IK auf. 2. Schalten Sie nun die Spannungsquelle ein! 3. Messen Sie Spannung und Stromstärke jeweils alle 5°C in Abhängigkeit der Temperatur und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein! Setzen Sie die Messung bis ca. 60°C fort. Auswertung 1. Zeichnen Sie das IK-- sowie das UL--Diagramm. Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Temperatur und Leerlaufspannung bzw. Temperatur und Kurzschlussstrom? 2. Ermitteln Sie die Temperaturkoeffizienten von Kurzschlussstrom bzw. Leerlaufspannung in [% pro K]. 3. Welches Temperaturverhalten erwartet man für die Leistung? Gehen Sie davon aus, dass die Leistung P=UL∙IK sich genau wie die MPP-Leistung verhält. PV-Professional Versuchsanleitungen 39 Experiment 4 4. Temperaturkoeffizienten von Solarzellen Messwerte (°) IL (mA) UK (V) Diagramme Auswertung Der Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung beträgt ______________ % / K. Der Temperaturkoeffizient der Kurzschlussstromstärke beträgt ______________ % / K. Für die Leistung der Solarzelle kann man daher ein __________________ mit höherer Temperatur erwarten. PV-Professional Versuchsanleitungen 40 Experiment 5 5. Komponenten einer solaren Inselanlage Aufgabe Leiten Sie sich schrittweise den Aufbau einer solaren Inselanlage her! Erklären Sie die Funktion der einzelnen Komponenten! Aufbau (a) Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Ventilator - ____________ Durchführung (a) 1. Verschalten Sie das Solarmodul mit dem Ventilator und beleuchten es mit der Lampe. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Schalten Sie das Licht aus! Auswertung (a) 1. Beschreiben Sie Ihre Beobachtung! 2. Mit welcher Situation im Alltag ist das Ausschalten des Lichtes vergleichbar? 3. Nennen Sie eine Möglichkeit, das entstandene Problem mit Hilfe eines weiteren Moduls zu beheben, ergänzen Sie dieses in der Geräteliste und zeichnen es (farbig) in das Schaltbild richtig ein (Überlegen Sie sich, wie die Verbindungsleitungen gesteckt werden müssen). PV-Professional Versuchsanleitungen 41 Experiment 5 5. Komponenten einer solaren Inselanlage 4. Charakterisieren Sie die Funktion des Bauteils! Durchführung (b) 3. Fügen Sie das in (a) beschriebene Modul in Ihre Schaltung ein. 4. Schalten Sie nach kurzem Beleuchten (ca. 20s) des Solarmoduls nochmals die Lampe aus. Auswertung (b) 5. Beschreiben Sie erneut Ihre Beobachtung! Was hat sich verändert? Information Der Speicher für die elektrische Energie besitzt eine Ladeschlussspannung Umax und eine Entladeschlussspannung Umin. Ein Über- oder Unterschreiten dieser Werte würde auf Dauer zu einer Zerstörung des Bauteils führen. Um ein Überladen des Speichers zu verhindern benötigt man einen Laderegler, welcher den Ladevorgang kontrolliert. Für das Unterbinden einer zu starken Entladung wird ein sogenannter Tiefentladeschutz benutzt. Auswertung (c) 6. Zwischen welche zwei Module muss man den Laderegler und den Tiefentladeschutz einfügen? Erklären Sie, warum Sie sich so entschieden haben! (Hinweis: Überlegen Sie, welche Komponenten geschützt werden müssen und was die Ursache für eine mögliche Zerstörung des Speichers sein würde.) PV-Professional Versuchsanleitungen 42 Experiment 5 5. Komponenten einer solaren Inselanlage Den Laderegler schaltet man zwischen . und Den Tiefentladeschutz schaltet man zwischen und . Begründung: Durchführung (d) 5. Bauen Sie eine komplette solare Inselanlage mit allen nötigen Geräten auf und versorgen Sie damit einen Verbraucher mit Strom. Aufbau (e) Beschriften Sie die vier unbekannten Bauteile in dem Schaltbild! Verwenden Sie folgende Abkürzungen: T……. Tiefentladeschutz L……. Laderegler V …… Verbraucher S……. Speicher Auswertung (e) 7. Nennen Sie alle notwendigen Komponenten einer solaren Inselanlage! 8. Erklären Sie kurz die Aufgabe der jeweiligen Bauteile (Hinweis: Überlegen Sie dazu, aus welchem Grund Sie die Geräte einbauen müssen!) PV-Professional Versuchsanleitungen 43 Experiment 5 5. Komponenten einer solaren Inselanlage Komponente des Inselsystems Aufgabe / Funktion des Bauteils PV-Professional Versuchsanleitungen 44 Experiment 6 6. Mögliche Betriebszustände eines Inselsystems Aufgabe Stellen Sie die drei verschiedenen Betriebszustände eines solaren Inselsystems dar! Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Laderegler - 1 Tiefentladeschutz - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Kondensator - 1 Glühlampe - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät Durchführung 1. Bauen Sie ein vollständiges solares Inselsystem auf (siehe Schaltbild)! Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Simulieren Sie die möglichen Betriebszustände dieser Inselanlage durch Variation der Beleuchtung des Solarmoduls. a. Nachtbetrieb (keine Beleuchtung) b. Bewölkung (geringe Beleuchtungsstärke) c. Direkte Sonneneinstrahlung (hohe Beleuchtungsstärke) und messen Sie für jeden Zustand den Lade- und Verbraucherstrom (IL und IV) sowie alle 10s die Spannung (4 Messwerte) am Kondensator (U1...U4). Messwerte a) Nachtbetrieb IL (mA) IV (mA) U1 (V) U2 (V) U3 (V) U4 (V) U2 (V) U3 (V) U4 (V) b) keine optimale Einstrahlung IL (mA) IV (mA) U1 (V) PV-Professional Versuchsanleitungen 45 Experiment 6 6. Mögliche Betriebszustände eines Inselsystems c) sehr gute Einstrahlung IL (mA) IV (mA) U1 (V) U2 (V) U3 (V) U4 (V) Auswertung 1. Charakterisieren Sie alle drei Situationen der Anlage! Vergleichen Sie dazu jeweils IL und IV. Gehen Sie außerdem auf den Ladezustand der Batterie und die Art der Energieversorgung der Last ein. PV-Professional Versuchsanleitungen 46 Experiment 7 7. Funktionsweise von Shunt-Regler und Serienregler Aufgabe Erklären Sie die Funktionsweise eines Shunt-Reglers und eines Serienreglers. Erläutern Sie den Unterschied zwischen beiden Laderegler-Arten und ermitteln Sie deren Schaltschwellen. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Kondensator - 1 Shunt-Regler - 1 Serienregler - 1 Strommessgerät - 1 Spannungsmessgerät - 1 LED-Modul - Zusätzlich benötigt: 1 Stoppuhr Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf (verwenden Sie zuerst den Shunt-Regler) und beleuchten Sie das Solarmodul mit der Lampe! Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Beobachten Sie die Arbeitsweise des Reglers und messen Sie zu den vorgegebenen Zeiten die Spannung am Kondensator. 3. Beginnen Sie die Messung bei UKond≈4V und IStart≈40mA. 4. Messen Sie immer zum selben Zeitpunkt auch die Stromstärke. 5. Wiederholen Sie den Versuch mit dem Serienregler. Messwerte Shunt-Regler (Achtung: ab 120s vergrößert sich in den Tabellen das Messintervall von 20s auf 40s). t (s) 0 20 40 60 80 100 120 160 200 240 280 320 340 360 380 420 U (V) I (mA) t (s) U (V) I (mA) PV-Professional Versuchsanleitungen 47 Experiment 7 7. Funktionsweise von Shunt-Regler und Serienregler Serienregler (Achtung: ab 120s vergrößert sich in den Tabellen das Messintervall von 20s auf 40s). t (s) 0 20 40 60 80 100 120 160 200 240 280 320 340 360 380 420 U (V) I (mA) t (s) U (V) I (mA) Diagramme Shunt-Regler Serienregler PV-Professional Versuchsanleitungen 48 Experiment 7 7. Funktionsweise von Shunt-Regler und Serienregler Auswertung 1. Nennen Sie die Schaltschwellen von Shunt-Regler und Serienregler. 2. Erläutern Sie die Funktion von beiden Reglern! Erklären Sie die unterschiedliche Funktionsweise! (Hinweis: Beachten Sie den Verlauf der Stromstärke und das Schaltbild auf den Bauteilen.) PV-Professional Versuchsanleitungen 49 Experiment 8.1 8.1 Vergleich von PWM-Regler und Serienregler Aufgabe Vergleichen Sie die Funktionsweise eines PWM-Reglers und eines Serienreglers. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Serienregler - 1 PWM-Regler - 1 Kondensatormodul - 1 LED-Modul - 1 Spannungsmessgerät Durchführung Hinweis: Wenn Sie bereits Experiment 7 durchgeführt haben, können Sie die Ergebnisse des Serienreglers von dort übernehmen. 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgegeben auf (verwenden Sie zuerst den Serienregler) und beleuchten Sie das Solarmodul mit der Lampe! Positionieren Sie die Lampe so zum Solarmodul, dass der Kurzschlussstrom des Solarmoduls ~40mA beträgt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Beobachten Sie die Arbeitsweise des Reglers und messen Sie zu den vorgegebenen Zeiten die Spannung am Kondensator. Beginnen Sie die Messung bei UKond≈4V. 3. Wiederholen Sie den Versuch mit dem PWM-Regler. Messwerte Serienregler (Achtung: ab 120s vergrößert sich in den Tabellen das Messintervall von 20s auf 40s). t (s) 0 20 40 60 80 100 120 160 200 240 280 320 340 360 380 420 U (V) t (s) U (V) PV-Professional Versuchsanleitungen 50 Experiment 8.1 8.1 Vergleich von PWM-Regler und Serienregler PWM-Regler t (s) 0 20 40 60 80 100 120 160 200 240 280 320 340 360 380 420 U (V) t (s) U (V) Auswertung 1. Stellen Sie die Kondensatorspannung für Serien- und PWM-Regler über der Zeit dar. 2. Welche grundsätzlichen Unterschiede stellen Sie zwischen beiden Ladereglern fest? Was können Sie daraus über die Funktionsweise des PWM-Reglers schlussfolgern? Welchen entscheidenden Vorteil hat der PWM-Regler gegenüber dem Serienregler? PV-Professional Versuchsanleitungen 51 Experiment 8.2 8.2 Die Ladecharakteristik des PWM-Reglers Aufgabe Bestimmen Sie den zeitlichen Verlauf von Ladestrom und Ladespannung an einem PWM-Regler. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 PWM-Regler - 1 Kondensatormodul - Messwerterfassungssystem und PC Durchführung 1. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Kondensator vollständig entladen ist. 2. Bauen Sie den Versuch wie vorgeben auf und schließen Sie anstelle der Messgeräte die entsprechenden Sensoren der Messwerterfassung an. Schließen Sie jedoch das Solarmodul noch nicht an den Eingang des PWM-Reglers an. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 3. Starten Sie die Messwerterfassung (500 Samples pro Sekunde) und schließen Sie sofort das Solarmodul an den Eingang des PWM-Reglers an. 4. Erfassen Sie Strom und Spannung bis die Ladespannung ca. 4,0V beträgt. Auswertung 1. Stellen Sie drei Ausschnitte der Ladecharakteristik jeweils in der gleichen Skalierung der Zeitachse dar. Einen Ausschnitt direkt zu Beginn der Messung, einen bei der Ladespannung von 3,8V und einen bei einer Ladespannung von 4,0V. Stellen Sie jeweils einen Ausschnitt von ca. 5s dar. 2. Beschreiben Sie die qualitativen Unterschiede der Kurvenverläufe in den drei Ausschnitten. 3. Bestimmen Sie die Länge der Pulse und der Puls-Pausen sowie das Verhältnis von Puls-Länge zu PulsPause (das Tastverhältnis) 4. Erklären Sie anhand der Beobachtungen die Funktionsweise eines PWM-Reglers. PV-Professional Versuchsanleitungen 52 Experiment 9.1 9.1 Funktionsprinzip eines MPP-Trackers Aufgabe Vergleichen Sie je ein PV-System mit und ohne MPP-Tracker. Untersuchen Sie jeweils die elektrische Leistung des Verbrauchers. Aufbau Benötigte Geräte a) - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 MPP-Tracker - 1 Glühlampenmodul - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät b) Durchführung 1. Messen Sie den Kurzschlussstrom des Solarmoduls. Richten Sie das Modul so zur Lampe aus, dass der Kurzschlussstrom ca. 35 mA beträgt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Verbinden Sie das Solarmodul direkt mit der Glühlampe und messen Sie Spannung sowie Stromstärke am Verbraucher (Aufbau (a)). Notieren Sie Ihre Messwerte und berechnen Sie die Leistung 3. Fügen Sie den MPP-Tracker in die Schaltung ein (Aufbau (b)) und versuchen Sie zunächst im manuellen Modus auf maximale Ausgangsleistung zu optimieren. Sie können sich dabei an der Helligkeit der Glühlampe orientieren. Messen Sie Spannung und Stromstärke, notieren Sie Ihre Messwerte und berechnen Sie die Leistung. 4. Schalten Sie den MPP-Tracker nun in den Automatik-Modus (Taste „MPP search“) und messen Sie, nachdem die LED neben dem „MPP-search“ Taster dauerhaft leuchtet, erneut Spannung und Stromstärke und berechnen Sie die Leistung. PV-Professional Versuchsanleitungen 53 Experiment 9.1 9.1 Funktionsprinzip eines MPP-Trackers Auswertung ohne MPP-Tracker MPP-Tracker manueller Modus MPP-Tracker Automatik-Modus U (V) I (mA) P (mW) Beschreiben Sie Ihre Beobachtung! Was bewirkt der MPP-Tracker? PV-Professional Versuchsanleitungen 54 Experiment 9.2 9.2 Charakteristik eines MPP-Trackers Aufgabe Untersuchen Sie die Eingangsleistung und Ausgangsleistung des MPP-Trackers in Abhängigkeit der Ausgangsspannung. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 MPP-Tracker - 1 Potentiometermodul - 4 Multimeter (es wird ein zusätzliches Multimeter über den Lieferumfang hinaus benötigt) Durchführung 1. Richten Sie das Solarmodul so zur Lampe aus, dass es ca. 70mA Kurzschlussstrom liefert. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Bauen Sie den Versuch wie oben dargestellt auf. Drehen Sie beide Potentiometer auf Maximum. Drücken Sie die „MPP search“ Taste und warten Sie bis die LED neben der Taste nicht mehr blinkt. 3. Verringern Sie nun langsam den Widerstand am Ausgang des MPP-Trackers, indem Sie zunächst das 1k Potentiometer Richtung Minimum drehen und anschließend das 100 Potentiometer. Erfassen Sie folgende Messwerte in einer Tabelle: Eingangsspannung UEin Eingangsstrom IEin Ausgangsspannung UAus Ausgangsstrom IAus Nehmen Sie die Messwerte in Abhängigkeit der Ausgangsspannung auf und zwar im Abstand von ca. 0,25V. Berechnen Sie außerdem die Eingangs- und die Ausgangsleistung sowie die Innenwiderstände des Verbrauchers und des Solarmoduls für jeden Messpunkt. PV-Professional Versuchsanleitungen 55 Experiment 9.2 9.2 Charakteristik eines MPP-Trackers Messwerte UAus (V) IAus (mA) PAus (mW) RAus ( UEin (V) IEin (mA) PEin (mW) REin ( UAus (V) IAus (mA) PAus (mW) RAus ( UEin (V) IEin (mA) PEin (mW) REin ( Auswertung 1. Betrachten Sie zunächst Ihre Messwerte. Welche Gemeinsamkeit stellen Sie bei allen Eingangsgrößen fest? 2. Vergleichen Sie die Messwerte mit denen, die Sie beim Versuch „Kennlinie des Solarmoduls“ aufgenommen haben. Was ist bei der Messung mit dem MPP-Tracker passiert? PV-Professional Versuchsanleitungen 56 Experiment 9.2 9.2 Charakteristik eines MPP-Trackers Auswertung 3. Stellen Sie die Ausgangsstromstärke und die Ausgangsleistung über der Ausgangsspannung dar. Zeichnen Sie in das gleiche Diagramm die in einem vorangegangenen Experiment bereits gemessene Solarmodulkennlinie inklusive Leistungskennlinie. Vergleichen Sie die Verläufe der Ausgangsstromstärke und –leistung bei Verwendung des MPP-Trackers mit denen ohne MPP-Tracker. 4. Erklären Sie zusammenfassend, was der MPP-Tracker genau bewirkt! PV-Professional Versuchsanleitungen 57 Experiment 9.3 9.3 Vergleich von Shunt-Regler und MPP-Tracker zur Kondensatorladung Aufgabe Vergleichen Sie die Ladegeschwindigkeit des Kondensators unter Verwendung des Shunt-Reglers sowie des MPP-Trackers. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Shunt-Regler - 1 MPP-Tracker - 1 Kondensatormodul - 1 Stoppuhr - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgeben auf - verwenden Sie zunächst den Shunt-Regler. Bringen Sie den Kondensator zunächst auf eine offene Klemmspannung von 1V (entweder durch kurzes Aufladen oder durch kurzzeitiges Kurzschließen zum Entladen). Das Solarmodul sollte so zur Lampe positioniert sein, dass ein Kurzschlussstrom von etwa 85mA fließt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Laden Sie für 2 Minuten mit dem Shunt-Regler und unterbrechen Sie danach sofort den Stromkreis zum Kondensator. Notieren Sie während des Ladens Spannung und Stromstärke. Notieren Sie den Entstand der Kondensatorspannung nach Öffnen des Stromkreises (Uend). 3. Führen Sie die Messung analog mit dem MPP-Tracker durch (Wichtig: Entladen Sie den Kondensator zunächst wieder auf 1 V). Drücken Sie sofort nach dem Start der Messreihe die „MPP-search“-Taste. Messwerte Mit Shunt-Regler: t (s) 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 U (V) Ilade (mA) Uend= Mit MPP-Tracker: t (s) U (V) Ilade (mA) Uend= PV-Professional Versuchsanleitungen 58 Experiment 9.3 9.3 Vergleich von Shunt-Regler und MPP-Tracker zur Kondensatorladung Auswertung 1. Tragen Sie die Ladeströme und die übertragenen Leistungen für beide Laderegler-Typen über der Zeit ab. 2.Berechnen Sie den Energieinhalt des Kondensators am Ende beider Messungen. Welcher Laderegler ist zu bevorzugen? 3. Erläutern Sie Ihre Beobachtungen! Welcher Laderegler-Typ ist effizienter und warum? Diagramme Auswertung 2. 3. PV-Professional Versuchsanleitungen 59 Experiment 10 10. Funktionsweise des Tiefentladeschutzes Aufgabe Untersuchen Sie Systeme mit und ohne Tiefentladeschutz und leiten Sie daraus die Funktionsweise des Bauteils ab! Aufbau ohne Tiefentladeschutz mit Tiefentladeschutz Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Glühlampe - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Tiefentladeschutz - 1 Spannungsmessgerät - 1 Strommessgerät - 1 Stoppuhr - 1 Kondensator - 1 Laderegler Durchführung 1. Verschalten Sie zuerst den Kondensator (Spannung am Kondensator ca. 3V) mit der Glühlampe (siehe Aufbau ohne Tiefentladeschutz) und beleuchten Sie das Solarmodul. Positionieren Sie die Lampe so, dass am Solarmodul ein Kurzschlussstrom von etwa 70mA fließt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Messen Sie alle 10s die Spannung und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle ein. 3. Wiederholen Sie die Messung (UKond= 3V) nun mit Tiefentladeschutz (siehe Aufbau mit Tiefentladeschutz). Messen Sie auch hier alle 10s die Spannung und notieren Sie die Werte. Beleuchten Sie dabei wieder das Solarmodul! PV-Professional Versuchsanleitungen 60 Experiment 10 10. Funktionsweise des Tiefentladeschutzes Auswertung 1. Zeichnen Sie die U-t-Kurve für die Anordnung mit und ohne Tiefentladeschutz in ein Diagramm (Verwenden Sie unterschiedliche Farben)! 2. Bestimmen Sie aus der zweiten Kennlinie die Schaltschwellen des Tiefentladeschutzes! 3. Beschreiben Sie die Funktionsweise und Aufgabe des Tiefentladeschutzes! Messwerte a) ohne Tiefentladeschutz: t (s) U (V) t (s) U (V) b) mit Tiefentladeschutz: t (s) U (V) t (s) U (V) PV-Professional Versuchsanleitungen 61 Experiment 10 10. Funktionsweise des Tiefentladeschutzes Diagramme Auswertung Die aufgenommene Kennlinie ohne Tiefentladeschutz entspricht der herkömmlichen ________________________ des Kondensators. Durch den zusätzlichen Solarmodulstrom ist der Entladeprozess aber _________________. Die untere Schaltschwelle des Tiefentladeschutzes beträgt ____________, die obere Schwelle __________. Funktionsweise und Aufgabe des Tiefentladeschutzes: PV-Professional Versuchsanleitungen 62 Experiment 11.1 11.1 Funktionsweise eines Wechselrichters Aufgabe Untersuchen Sie die Funktionsweise eines DC-AC-Wandlers. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Serienregler - 1 Kondensatormodul - 1 Wechselrichtermodul - 1 Ventilator Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgeben auf – zunächst jedoch ohne Wechselrichter. Laden Sie den Kondensator vollständig auf, bis die Ladekontroll-LED des Serienreglers erlischt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Stecken Sie nun auch den Wechselrichter auf und schließen Sie den Ventilator an die beiden Ausgänge des Wechselrichters an. 3. Stellen Sie die Frequenz des Wechselrichters zunächst auf das Minimum – also 0,5Hz - ein. Beobachten Sie das Verhalten des Ventilators. 4. Erhöhen Sie nun langsam die Frequenz, was beobachten Sie? 5. Verwenden Sie nun anstatt des Ventilators die Glühlampe und das LED-Modul. Vergleichen Sie das Verhalten der Beiden. Auswertung 1. Welches Verhalten zeigte der Ventilator und warum? 2. Welchen Unterschied konnten Sie bei Glühlampe und LED beobachten? PV-Professional Versuchsanleitungen 63 Experiment 11.2 11.2 Bestimmung des Verlaufs der Ausgangsspannung am DC-AC-Wandler Aufgabe Bestimmen Sie den Spannungsverlauf am Ausgang eines DC-AC-Wandlers. Aufbau Benötigte Geräte - Grundeinheit - 1 Solarmodul, extra groß - 1 Lampe - 1 Shunt-Regler - 1 Kondensatormodul - 1 Wechselrichtermodul - Messwerterfassungssystem und PC Durchführung 1. Bauen Sie den Versuch wie vorgeben auf – zunächst jedoch ohne Wechselrichter. Laden Sie den Kondensator vollständig auf, bis die Ladekontroll-LED des Shunt-Reglers erlischt. Hinweise zur Handhabung der Lampe finden Sie auf Seite 9. 2. Stecken Sie nun auch den Wechselrichter auf und schließen Sie den Spannungssensor der Messwerterfassung an die beiden Ausgänge des Wechselrichters an. 3. Starten Sie die Messwerterfassung und betrachten Sie zunächst den Verlauf der Spannung. Verstellen Sie dabei langsam die Frequenz des Wechselrichters und beobachten Sie den Verlauf. 4. Nehmen Sie für drei verschiedene Frequenzen jeweils für ca. 10 s den Spannungsverlauf auf. (Auflösung: 50 Samples pro Sekunde) Zusatz: 5. Schließen Sie das Potentiometermodul in Reihe mit einem Stromsensor an die beiden Ausgänge des Wechselrichters an und stellen Sie das 1k-Potentiometer auf Minimum und das 100 Potentiometer auf Maximum. Erfassen Sie Spannung und Stromstärke mit der Messwerterfassung. Auswertung 1. Stellen Sie die drei Messungen bei verschiedenen Frequenzen in einem Diagramm dar und berechnen Sie die Frequenzen. PV-Professional Versuchsanleitungen 64
