und P-U-Kennlinie - des Robert-Bosch
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Solarpraktikum_V1 Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Experiment Regenerative Energien: Solarpraktikum V1 28.05.2012 Aufnahme der I-U-Kennlinie einer Solarzelle; Bestimmung der Leistung, Bestimmung des MPP (Maximum Power Point) EinfÄhrung Das elektrische Verhalten von Bauelementen kann am besten beschrieben werden durch eine entsprechende Kennlinie. Dies gilt auch fÄr den Fall der Solarzelle: trÅgt man die elektrische StromstÅrke Äber der Spannung der Zelle auf, lÅsst sich damit das Verhalten der Solarzelle charakterisieren. AuÇerdem kann man dem Diagramm andere Informationen (die Leistung, den maximum power point usw.) entnehmen bzw. hinzufÄgen. Materialien, Aufbau Solarmodul (oder Solarzelle) Beleuchtungseinrichtung (Hologenlampe, 150 W) Messkabel Amperemeter und Voltmeter Belastungswiderstand, regelbar (graue Box, 10-Gang-Wendelpotentiometer, 1000 ) DurchfÄhrung der Messung Die Solarzelle wird senkrecht zum einfallenden Licht aufgestellt. Der Abstand zwischen Lampe und Zelle sollte zwischen 15 und 20 cm betragen (messen!). Der Abstand darf wÅhrend der Messung nicht mehr geÅndert werden! Eventuell muss abgewartet werden, bis das Solarmodul durch die Beleuchtung eine konstante Temperatur angenommen hat. Nun wird nebenstehende Schaltung aufgebaut. Als Amperemeter kann ein Digital- oder AnalogmessgerÅt benutzt werden; fÄr die Spannungsmessung wird ein Digitalmessinstrument mit (sehr) hohem Eingangswiderstand benutzt. I U R L ZunÅchst wird die Leerlaufspannung U0 (ohne Lastwiderstand) gemessen. Dann wird der Kurzschlussstrom IK gemessen (statt Lastwiderstand nur Kabelverbindung). Seite 1 von 3 Solarpraktikum_V1 Nun wird der Lastwiderstand wie dargestellt angeschlossen und durch Verdrehen des Abgriffes werden verschiedene Widerstandswerte eingestellt. (Am eingesetzten 10-Gang-Wendelpotentiometer muss der Drehknopf zehn volle Umdrehungen ausfÄhren, bis der Abgriff einmal die komplette LÅnge der Widerstandsdrahtwicklung abgefahren hat). Am besten werden bestimmte Stromwerte eingestellt. Die jeweils anliegende Spannung wird zusammen mit der StromstÅrke tabellarisch erfasst. Es soll der gesamte Widerstandsbereich durchfahren werden. Besonders bei kleinen Widerstandswerten (groÇen StrÉmen) muss kleinschrittiger vorgegangen werden. Messtabelle Es werden die Spannung und die StromstÅrke erfasst. Eine dritte Tabellenspalte bleibt fÄr die Eintragung der Leistung frei. Auswertung Aus den Spannungs- und den Stromwerten wird jeweils die aktuelle Leistung P ermittelt (P = U*I) und in die dritte Tabellenspalte eingetragen (mit Excel automatisch berechnen lassen). Dann wird ein Diagramm erzeugt. Es werden zwei verschieden Ordinaten-Achsen benutzt. Anleitung zum Erzeugen einer zweiten Achse mit Excel: Wenn der Wertebereich der verschiedenen Datenreihe in einem 2D-Diagramm stark variiert oder das Diagramm unterschiedliche Datentypen enthÄlt (z. B. Preis und Anzahl), kÅnnen Sie eine oder mehrere Datenreihen auf einer sekundÄren GrÅÇenachse (fÉr den Wert Y) darstellen. Die Skalierung der SekundÄrachse entspricht den Werten der verbundenen Datenreihe. Seite 2 von 3 Solarpraktikum_V1 Klicken Sie auf die Datenreihe, die Sie auf einer sekundÄren GrÅÇenachse darstellen mÅchten. Klicken Sie im MenÉ Format auf Markierte Datenreihen und dann auf die Registerkarte Achsen. Klicken Sie auf SekundÄrachse In den Diagramm soll einerseits die I-U-Kennlinie dargestellt werden (I aufgetragen Äber U). Dann soll die Leistung Äber der Spannung aufgetragen werden. Es muss die sekundÅre Achse so formatiert werden, dass die P-U-Kennlinie innerhalb der I-U-Kennlinie liegt (Maximalwert der Achse anpassen). Aus dem Maximalwert der Leistung erhÅlt man den MPP (maximum power point) der I-U-Kennlinie: an der Stelle (bei demjenigen Spannungswert), an der die Leistung ihr Maximum hat, markiert man die I-UKennlinie. Der MPP ist diejenige I-U-Koordinate des I-U-Diagramms, in dem die Leistung maximal ist. Hinweis zur Fehlerrechnung: Bei einer GrÉÇtfehlerrechnung wird stets der kleinste Messwert benutzt. Nimmt man nun z. B. die Spannung bei (annÅhernd) KurzschlussstromstÅrke ist die Spannung (nahezu) Null Volt und es ergibt sich ein sehr groÇer Fehler, der nichts Sinnvolles Äber die Messfehler bei den anderen Spannungswerten aussagt. Benutze daher zur Fehlerrechnung den zweit- oder drittkleinsten Spannungswert. Das ist dann immer noch eine gut AbschÅtzung des GrÄÅt-Fehlers! Verfahre analog bei der Bestimmung des Fehlers bei der StromstÅrke (auch hier ist die Benutzung des StromstÅrkewertes bei Leerlaufspannung nicht sinnvoll!). Seite 3 von 3 Solarpraktikum_V2 Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Experiment Regenerative Energien: Solarpraktikum V2 28.05.2012 Bestimmung der AbhÅngigkeit der Solarzellenleistung vom Abstand der Lichtquelle EinfÄhrung Es soll untersucht werden, wie der Abstand der (divergentes Licht aussendenden) Lichtquelle die Solarzellenleistung beeinflusst. Ñber die AbhÅngigkeit der Leistung vom Abstand darf im Vorfeld spekuliert werden! Materialien, Aufbau Solarzelle oder auch Solarmodul Beleuchtungseinrichtung (Hologenlampe, 150 W) Messkabel Amperemeter und Voltmeter Belastungswiderstand, regelbar (graue Box, 10-Gang-Wendelpotentiometer, 1000 ) Lineal, Geodreieck oder Meterstab DurchfÄhrung der Messung Die Solarzelle wird senkrecht zum einfallenden Licht aufgestellt. Es wird die Schaltung aus Versuch I benutzt (siehe Bild rechts). Am Widerstand wird ein Wert eingestellt, der zu einem I-U-Wert in der NÅhe des MPP fÄhrt. I U RL Dann wird der Abstand zwischen Lampe und Zelle variiert. Zum Beispiel zwischen 10 cm und 70 cm. Bei jedem Abstandswert werden Spannung und StromstÅrke notiert. Messtabelle Es werden der Abstand zwischen Zelle und Lichtquelle, die Spannung und die StromstÅrke erfasst. Weitere Tabellenspalten (s. u.) bleiben frei. Seite 1 von 2 Solarpraktikum_V2 Auswertung Aus den Spannungs- und den Stromwerten wird jeweils die aktuelle Leistung P ermittelt (P = U*I) und in die vierte Tabellenspalte eingetragen (mit Excel automatisch berechnen lassen). Zur Untersuchung, wie die Leistung vom Abstand zur Quelle abhÅngt, untersucht man z. B. die lineare und die quadratische AbhÅngigkeit. Dazu trÅgt man in einer weiteren Spalte das Quadrat des Abstandes ein. In zwei weiteren Spalten berechnet man p*s und p*s2, wobei s den Abstand zwischen Solarmodul und Lichtquelle darstellt. Fertige sinnvolle Diagramme zur Untersuchung der AbstandsabhÅngigkeit an! Gib einen Ergebnissatz an! FÄhre eine Fehlerrechnung durch. Seite 2 von 2 3olarpraktikum_V3 Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Experiment Regenerative Energien: Solarpraktikum V3 28.05.2012 Bestimmung der AbhÅngigkeit der Solarzellenleistung von der beleuchteten FlÅche EinfÄhrung Es soll ermittelt werden, wie die Leistung des Solarmoduls von der GrÉÇe und Lage der beleuchteten bzw. der abgeschatteten FlÅche abhÅngt. Dazu wird ein wachsender Teil der SolarzellenflÅche aus verschiedenen Richtungen mit dunklem Karton abgeschattet. Es werden bei wachsender Abschattung (bei jedem Abschattungswert) sowohl die Leerlaufspannung als auch der Kurzschlussstrom und schlieÇlich die Leistung ermittelt. Materialien, Aufbau I Solarzelle Beleuchtungseinrichtung (Hologenlampe, 150 W) Messkabel Amperemeter und Voltmeter Belastungswiderstand, regelbar (graue Box, 10Gang-Wendel-Potentiometer, 1000 ) LichtundurchlÅssiger Karton, evtl. Befestigungsmaterial (Tesa-Film) U R L DurchfÄhrung der Messung Die Solarzelle wird senkrecht zum einfallenden Licht aufgestellt. Es wird zur Leistungsmessung die Schaltung aus Versuch 1 benutzt (siehe Bild rechts oben). Nun wird ein zunehmender Teil (0, 1/4, 1/2, 3/4,...) der SolarzellenflÅche mit Karton verdeckt (siehe Bild auf Seite 2). AnschlieÇend werden auch z. B. Ecken des Moduls abgedeckt oder ein Streifen in der Mitte. Zu jedem Wert unterschiedlicher Abdeckung werden die Leerlaufspannnung, der Kurzschlussstrom und die Leistung in NÅhe des MPP gemessen und tabelliert. Seite 1 von 2 3olarpraktikum_V3 Messtabelle In der Messwertetabelle werden die Abschattungsdaten (Prozentangabe oder Dezimalbruch fÄr beleuchtete FlÅche bezogen auf SolarzellengesamtflÅche, Richtung der zunehmenden Abschattung) eingetragen, die Spannung, die StromstÅrke und die Leistung. Auswertung In der Tabelle werden berechnet: der Quotient aus der Leistung und dem nicht abgeschatteten FlÅchenanteil sowie der Quotient aus dem Kurzschlussstrom und dem nicht abgeschatteten FlÅchenanteil. Fertige auch sinnvolle Diagramme an! Versuche aus den Daten herauszufinden, wie die Einzelzellen in dem Solarmodul angeordnet sind! Es sind entsprechende Ergebnisse verbal beizufÄgen. FÄhre eine Fehlerrechnung durch. Seite 2 von 2 3olarpraktikum_V4 Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Experiment Regenerative Energien: Solarpraktikum V4 28.05.2012 Bestimmung der AbhÅngigkeit der Solarzellenleistung vom Neigungswinkel EinfÄhrung Es soll ermittelt werden, wie die Leistung eines Solarmoduls vom Winkel abhÅngt, unter dem (paralleles) Licht auf die ZellenflÅche einfÅllt. Dazu werden Solarmodule verwendet, die auf KlapptrÅgern montiert sind. Durch EinhÅngen der seitlichen Lochrasterstreifen in verschiedene LÉcher kann der Neigungswinkel verÅndert werden. Die Beleuchtungseinrichtung ist mÉglichst horizontal auszurichten; der Abstand zwischen Solarmodul und Beleuchtungseinrichtung muss konstant bleiben. Dazu ist der Abstand zwischen Lampe und Solarmodul-Mitte bei jedem verÅnderten Winkel neu einzustellen und zu vermessen. Materialien, Aufbau Solarmodule auf KlapptrÅger Beleuchtungseinrichtung (Hologenlampe, 150 W) Messkabel Amperemeter und Voltmeter Belastungswiderstand, regelbar (graue Box, 10Gang-Wendel-Potentiometer, 1000 ) Lineal, Meterstab, Geodreieck I U RL DurchfÄhrung der Messung Das Solarmodul wird zunÅchst senkrecht zum einfallenden Licht aufgestellt. Es wird zur Leistungsmessung die Schaltung aus Versuch 1 benutzt (siehe Bild rechts) und ein Lastwiderstand im Bereich des MPP angeschlossen. Nun wird die Neigung des Solarmoduls zum einfallenden Licht allmÅhlich verÅndert (zu flacheren Einfallswinkeln hin). Es werden die KurzschlussstromstÅrke und die Leistung bei verschiedenen Winkeln erfasst und in eine Messwertetabelle eingetragen. Seite 1 von 2 3olarpraktikum_V4 Messtabelle In der Messwertetabelle werden der Neigungswinkel, der Sinus des Neigungswinkels, Spannung, StromstÅrke und Leistung sowie die KurzschlussstromstÅrke eingetragen Auswertung In der Tabelle werden der Quotient aus dem Sinus des Neigungswinkels und der Leistung sowie der Quotient aus dem Sinus des Neigungswinkels und der KurzschlussstromstÅrke ermittelt. Fertige auch entsprechende Diagramme an! Lichteinfall Das Ergebnis ist zu formulieren. Fertige eine Fehlerrechnung an. So dul o larm sin Hinweis: In Excel erwartet das Programm bei der Berechnung des Sinus oder Cosinus von Winkeln eine Angabe im BogenmaÇ. Die im GradmaÇ ermittelten Messwerte bei der Neigung der Solarmodul-KlapptrÅger mÄssen also zunÅchst ins BogenmaÇ umgerechnet werden. Es gilt: LÉst man also nach auf, so ergibt sich: in Grad 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 in BogenmaÄ 1,571 1,396 1,222 1,047 0,873 0,698 0,524 0,349 0,175 0,000 sin 1,000 0,985 0,940 0,866 0,766 0,643 0,500 0,342 0,174 0,000 In der Tabelle rechts wurden die entsprechenden Umrechnungen vorgenommen. Seite 2 von 2
