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