ENT 2.2 Spannung und Stromstärke bei Reihen

Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
ENT
2.2
Schlüsselworte
Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle,
Reihenschaltung, Parallelschaltung
Prinzip
Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine Spannung von 0,5 V, sie reicht nicht aus um Leuchtdioden oder
kleine Glühlampen zu betreiben. Zur Erzeugung höherer Spannungen werden daher mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet.
In diesem Versuch soll gezeigt werden, welche Eigenschaften Reihen- oder Parallelschaltungen von Solarzellen haben, wobei jeweils die Leerlaufspannungen und Kurzschlussstromstärken gemessen und mit
den Werten einer einzelnen Zelle verglichen werden.
Material
*2
*2
*2
*2
*1
1
1
1
1
**1
Leitungsbaustein, winklig, DB
Leitungsbaustein, t-förmig, DB
Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB
Solarzelle, DB
Muffe auf Träger für Demo-Tafel
09401-02
09401-03
09401-10
09470-00
02164-00
Zusätzlich wird benötigt
Demo Physik Hafttafel mit Gestell
Stativstange “PASS”, l = 630 mm
Lampenfassung E27, Reflektor, Halter
Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor
Cobra4 Wireless-Manager
02150-00
02027-55
06751-01
06759-93
12600-00
Abb. 1:
**1
**1
**1
**1
1
1
1
Cobra4 Wireless-Link
Cobra4 Sensor-Unit Energy
Halter für Handmessgeräte
Software measure für Cobra4
Verbindungsleitung 500 mm, rot
Verbindungsleitung 500 mm, blau
Verbindungsleitung 500 mm, gelb
12601-00
12656-00
02161-00
14550-61
07361-01
07361-04
07361-02
1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7
* In Set ENT 1 enthalten
** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten
09492-88
12608-88
Versuchsaufbau Reihenschaltung
www.phywe.com
P9502260
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
1
ENT
2.2
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
Hinweis
Die Bedeutung der Begriffe Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke sollten den Schülerinnen und
Schülern erläutert werden. Erklärt werden sollte das Messen der Kurzschlussstromstärke, da ein Amperemeter im Stromkreis immer mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Der Widerstand besteht
in diesem Fall allerdings nur aus einem Leitungsdraht. Auch das Amperemeter wird deshalb direkt an die
Solarzelle angeschlossen.
Wichtig ist außerdem mit einem hochohmigen Voltmeter zu messen und mit einem niederohmigen Amperemeter. Deshalb wird bei der Cobra4 Sensor-Unit Energy der Ampere-Messbereich verwendet. Dort
beträgt der Innenwiderstand nur 33 mΩ.
Bei großer Hitze sinkt die Leistung der Solarzelle. Die Lampe muss
deshalb nach jeder Messung sofort ausgeschaltet werden.
Aufbau
Den Stromkreis nach Abb. 3 aufbauen.
Über der Solarzelle an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf
Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS
befestigen und die Lampe haltern (Abb. 2).
Der Abstand zwischen der Mitte der Solarzelle und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen.
Abb. 3:
2
Abb. 2:
Aufbau Lampe
Versuchsaufbau Messung der Spannung
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
P9502260
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
ENT
2.2
Durchführung
PC und Windows starten.
Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken.
Softwarepaket measure am PC starten.
Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die
im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt.
Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit
und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt.
Abb. 4:
Messwerterfassung Spannung
www.phywe.com
P9502260
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
3
ENT
2.2
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
1. Messung der Spannung
1.1 Einzelne Solarzelle
Experiment „ENT 2.2 - Spannung“ laden (Experiment > Experiment öffnen >…).
Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten.
Messwertaufnahme in measure starten .
-
Eine Einzelmessung
Lampe ausschalten.
durchführen.
1.2 Reihenschaltung
Nach Abb. 1 eine Reihenschaltung mit zwei Solarzellen aufbauen.
Lampe einschalten und ausrichten.
-
Eine Einzelmessung
Lampe ausschalten.
durchführen.
1.3 Parallelschaltung
Eine Parallelschaltung nach Abb. 5 aufbauen.
Lampe einschalten und ausrichten.
-
Eine Einzelmessung durchführen.
Messwertaufnahme in measure beenden .
Lampe ausschalten.
Alle Messungen in das measure Hauptprogram übertragen.
Abb. 5:
4
Versuchsaufbau Parallelschaltung
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
P9502260
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
ENT
2.2
2. Messung der Stromstärke
Den Stromkreis nach in Abb. 6 aufbauen.
-
-
-
Neue Messung mit Cobra4 aufrufen .
Experiment „ENT 2.2 - Stromstärke“ laden
(Experiment > Experiment öffnen > …).
Darauf achten, dass der rote Stecker in die
A -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy
gesteckt wird.
Einzelmessungen wie bei der Spannungsmessung von einer Solarzelle vornehmen,
sowie von zwei Solarzellen in Reihen- und
Parallelschaltung.
Alle Messwerte in das measure Hauptprogram übertragen.
Lampe ausschalten.
Abb. 6:
Versuchsaufbau Messung der Stromstärke
Beobachtung
Die Parallelschaltung liefert in etwa die gleiche
Spannung wie eine einzelne Solarzelle. Die Reihenschaltung hingegen erzeugt etwa die doppelte Spannung.
Bei der Reihenschaltung dagegen wird in etwa die gleiche Stromstärke erreicht wie bei einer einzelnen
Solarzelle, während bei der Parallelschaltung die Werte für die Stromstärke etwa doppelt so hoch sind.
Abb. 7:
Messauswertung Stromstärke
www.phywe.com
P9502260
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
5
ENT
2.2
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung von Solarzellen
Auswertung
Nutzt man in measure die Funktion „Vermessen“ , so erkennt man deutlich, dass die Spannung bei einer Reihenschaltung doppelt so groß ist, wie bei einer einzelnen Solarzelle. Die Stromstärke ist bei einer
Parallelschaltung von zwei Zellen etwa doppelt so groß ist wie die einer einzelnen Zelle. Bei der Stromstärke können größere Messfehler auf, da sie von der Lichtintensität abhängig ist und die Ausleuchtung
der Solarzellen im Lichtkegel nicht immer genau gleich sein wird.
Einzelne Solarzelle
Reihenschaltung
Parallelschaltung
Spannung
0,52 V
1,02 V
0,51 V
Stromstärke
149 mA
146 mA
302 mA
Dies folgt den Gesetzen für elektrische Reihen- und Parallelschaltungen. In einer Reihenschaltung ist
die Stromstärke an jedem Punkt gleich, während sich die Spannung aus den einzelnen Spannungsquellen addiert. In einer Parallelschaltung hingegen verhält es sich umgekehrt. Die Spannung ist in jedem
Punkt der Schaltung gleich und die Stromstärke addiert sich.
Anwendung
Solarmodule bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen. Für größere Anlagen werden
diese Module dann sowohl in Reihe, als auch parallel geschaltet, dies hat auch den Vorteil, dass beim
Ausfall einzelner Zellen der Leistungsverlust minimiert wird. Diese Solaranlagen können direkt genutzt
werden. Häufig werden jedoch mit Hilfe von Transformatoren und Wechselrichtern höhere Spannungen
erzeugt um die gewonnene elektrische Energie in das bestehende Stromnetz einzuspeisen.
Hinweise
Korrespondenz Schülerversuche TESS EN
2.3 Spannung und Stromstärke bei Reihenschaltung
von Solarzellen (P9511300)
2.4 Spannung und Stromstärke bei Parallelschaltung
von Solarzellen (P9511400)
Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1)
aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt:
Versuch P9502263
1
1
1
1
1
Cobra4 Mobile-Link
Cobra4 Sensor-Unit Energy
Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger
Halter für Handmessgeräte
Digitale Großanzeige
12620-00
12656-00
12623-88
02161-00
07157-93
Versuch P9502200
1 Analog-Demomultimeter ADM 2
6
13820-00
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
P9502260