Material 2

Material 2
Unterrichtssequenz Solarzelle
In der ersten Stunde werden die physikalischen Grundlagen der Wirkungsweise einer
Solarzelle sowie ihr prinzipieller Aufbau erarbeitet.
Im Zentrum dieser Sequenz steht ein Schülerexperiment zur Solarzelle, welches die
Anwendung folgender Kompetenzen erfordert:
-
eine
elektrischen
Schaltung
Experimentieranordnungen aufbauen,
nach
Schaltplan
und
ergänzende
-
elektrische Messgeräte sicher einsetzen,
-
Messwerte systematisch erfassen und im vorgegebenen Diagramm darstellen,
-
Messergebnisse verallgemeinern,
-
Ursachen von Messabweichungen erkennen und beeinflussen
-
Schlussfolgerungen aus den Erkenntnissen ableiten.
Um die Schülerinnen und Schüler differenziert zu fördern, kann dieses Schülerexperiment in
verschiedenen Varianten durchgeführt werden (vgl. Arbeitsanleitungen für die Gruppen 1 bis
6).
Im Anschluss werden die Ergebnisse der Gruppenarbeit zusammengefasst und über die Vorund Nachteile des Einsatzes von Solarzellen diskutiert.
Hinweise:
-
Für die Schülerexperimente sollten keine Solarmodule verwendet werden, da sonst
die Messwerte durch die Schülerinnen und Schüler nur schwer ausgewertet und
verallgemeinert werden können.
-
Die Größe der Vorwiderstände und des Potentiometers sind im Vorfeld auf die jeweils
verwendeten Solarzellen abzustimmen. In der Regel ist ein Widerstand von 50 Ω
geeignet.
-
Der Abstand Lampe –Solarzelle kann gut mithilfe des Stativmaterials Optik variiert
werden.
Gruppe 1 (Variante 1)
Untersuchung von Solarzellen: Einfluss von Sonnenschein und Wolken
Aufgabe
Wird elektrische Energie mithilfe einer Solarzelle gewonnen, dann spielt auch das Wetter
eine große Rolle. Bei Sonnenschein wird viel Energie gewonnen und bei bedeckten Himmel
vielleicht gar keine mehr.
Untersuche den Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und der Leistung, die
eine Solarzelle abgibt.
Versuchsaufbau
V
A
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung entsprechend der Abbildung auf.
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke und die Spannung für den Abstand Lampe-Solarzelle s = 5 cm.
(3)
Die Beleuchtungsstärke wird mit zunehmendem Abstand Lampe-Solarzelle kleiner.
Wiederhole die Messung für drei weitere Abstände.
Auswertung
(1)
Berechne jeweils die von der Solarzelle abgegebene Leistung.
(2)
Stelle den Zusammenhang zwischen dem Abstand Lampe-Solarzelle s und Leistung P
in einem P(s) – Diagramm dar.
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messwertabweichung
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
Schlussfolgerung
Erläutere, wie deine Erkenntnisse aus diesem Versuch beim Einsatz von Solarzellen
(z. B. bei Parkautomaten, Nottelefonen) berücksichtigt werden muss.
Gruppe 1 (Variante 2)
Untersuchung von Solarzellen: Einfluss von Sonnenschein und Wolken
Aufgabe
Wird elektrische Energie mithilfe einer Solarzelle gewonnen, dann spielt auch das Wetter
eine große Rolle. Bei Sonnenschein wird viel Energie gewonnen und bei bedeckten Himmel
vielleicht gar keine mehr.
Untersuche den Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und der Leistung, die
eine Solarzelle abgibt.
Versuchsaufbau
V
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung entsprechend
der Abbildung auf.
A
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke und die Spannung für bei einer eingeschalteten Lampe.
(3)
Wiederhole die Messung für zwei und dann für drei eingeschaltete Lampen.
Auswertung
(1)
Berechne jeweils die von der Solarzelle abgegebene Leistung.
(2)
Stelle den Zusammenhang zwischen der Anzahl n der eingeschalteten Lampen und
Leistung in einem P(n) – Diagramm dar.
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messabweichung
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
Schlussfolgerung
Erläutere, wie deine Erkenntnisse aus diesem Versuch beim Einsatz von Solarzellen
(z. B. bei Parkautomaten, Nottelefonen) berücksichtigt werden muss.
Gruppe 2
Untersuchung von Solarzellen: Große und kleine Zellen
Aufgabe
Wird elektrische Energie mithilfe einer Solarzelle gewonnen, dann spielt die Größe der
Solarzelle eine Rolle
Untersuche den Zusammenhang zwischen der Größe der beleuchteten Fläche und der
Leistung, die eine Solarzelle abgibt.
Versuchsaufbau
V
A
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung entsprechend der Abbildung auf.
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke und die Spannung ohne Abdeckung.
(3)
Verdecke ein Viertel der Fläche der Solarzelle. Miss jetzt erneut die Stromstärke und
Spannung.
(4)
Wiederhole die Messung, indem du die Hälfte, drei Viertel und schließlich die ganze
Fläche verdeckst.
Auswertung
(1)
Berechne jeweils die von der Solarzelle abgegebene Leistung.
(2)
Stelle den Zusammenhang zwischen dem Anteil der bestrahlten Fläche A und Leistung
in einem P(A) – Diagramm dar.
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messwertabweichung
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
Schlussfolgerung
Formuliere eine Regel für die Benutzung von Geräten, die mit Solarzellen betrieben
werden.
Gruppe 3
Untersuchung von Solarzellen: Der Winkel entscheidet
Aufgabe
Wird elektrische Energie mithilfe einer Solarzelle gewonnen, dann ändert sich die
gewinnbare Energie im Verlaufe eines Tages und auch zu verschiedenen Jahreszeiten.
Untersuche die Zusammenhänge zwischen dem Einfallswinkel der Strahlung und der
Leistung der Solarzelle.
Versuchsaufbau
α
V
A
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung entsprechend der Abbildung auf.
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke und die Spannung für einen Einfallswinkel von α = 0°.
(3)
Vergrößere den Einfallswinkel. Miss erneut die Stromstärke und Spannung.
(4)
Wiederhole den Schritt (3) für fünf weitere Winkel.
Auswertung
(1)
Berechne jeweils die von der Solarzelle abgegebene Leistung.
(2)
Stelle den Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α und Leistung P in einem
P(α) – Diagramm dar.
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messwertabweichung
(1)
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
(2)
Bei der Veränderung des Winkels muss der Abstand Lichtquelle-Solarzelle nicht
verändert werden.
Begründe diese Aussage und erläutere, wie du das bei deinem Experiment beachtet
hast.
Schlussfolgerung
Erläutere, wie eine Solarzelle (z. B. bei einem Parkautomaten) angebracht werden
müsste, damit sie eine möglichst große Leistung abgibt.
Gruppe 4
Untersuchung von Solarzellen: Solarzellen im Verbund (Teil 1)
Aufgabe
Soll elektrische Energie mithilfe von Solarzellen gewonnen werden, dann reicht oft zum
Betrieb eines Gerätes eine Zelle nicht aus.
Untersuche wie sich die Gesamtspannung verändert, wenn drei Solarzellen nacheinander in
Reihe geschaltet werden.
Versuchsaufbau
V
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung mit einer Solarzelle entsprechend der Abbildung
auf.
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Spannung.
(3)
Schalte eine zweite Solarzelle zur ersten in Reihe. Miss erneut die Spannung.
(4)
Wiederhole den Schritt für die dritte Solarzelle.
Auswertung
(1)
Stelle den Zusammenhang zwischen der Anzahl n der Solarzellen und Spannung in
einem U(n) – Diagramm dar.
(2)
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messwertabweichung
(1)
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
(2)
Durch die Anordnung Lampe-Solarzellen können Messabweichungen entstehen
können.
Begründe diese Aussage und erläutere, wie du das bei deinem Experiment beachtet
hast.
Schlussfolgerung
Ein Taschenrechner soll mit Solarzellen betrieben werden. Er benötigt eine Spannung
von 5 V, aber nur eine sehr kleine Stromstärke.
Beschreibe eine Lösung für dieses Problem.
Gruppe 5
Untersuchung von Solarzellen: Solarzellen im Verbund (Teil 2)
Aufgabe
Soll elektrische Energie mithilfe von Solarzellen gewonnen werden, dann reicht oft zum
Betrieb eines Gerätes eine Zelle nicht aus.
Untersuche wie sich die Gesamtstromstärke verändert, wenn drei Solarzellen nacheinander
parallel geschaltet werden.
Versuchsaufbau
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung mit einer Solarzelle
entsprechend der Abbildung auf.
A
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke.
(3)
Schalte eine zweite Solarzelle zur ersten parallel. Miss erneut die Stromstärke.
(4)
Wiederhole den Schritt für die dritte Solarzelle.
Auswertung
(1)
Stelle den Zusammenhang zwischen der Anzahl n der Solarzellen und Stromstärke I in
einem I(n) – Diagramm dar.
(2)
Formuliere deine Erkenntnis aus dem Diagramm mithilfe einer „Je-desto-Aussage“.
Messwertabweichung
(1)
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
(2)
Durch die Anordnung Lampe-Solarzellen können Messabweichungen entstehen
können.
Begründe diese Aussage und erläutere, wie du das bei deinem Experiment beachtet
hast.
Schlussfolgerung
Ein Elektromotor soll mit Solarzellen betrieben werden. Er benötigt eine Stromstärke
ca. 300 mA.
Beschreibe eine Lösung für dieses Problem.
Gruppe 6
Untersuchung von Solarzellen: Solarzellen im Einsatz
Aufgabe
Wird ein elektrisches Gerät mit einer Solarzellen betrieben, dann müssen Gerät und
Solarzelle gut aufeinander abgestimmt werden.
Untersuche wie sich die von der Solarzelle abgegebene Leistung mit der Größe des äußeren
Widerstandes verändert.
Versuchsaufbau
V
A
Durchführung
(1)
Baue die Experimentieranordnung mit einer Solarzelle entsprechend der Abbildung
auf.
Lasse deinen Aufbau von der Lehrkraft kontrollieren.
(2)
Miss die Stromstärke und die Spannung für R = 0.
(3)
Markiere am Potentiometer 0,1 R, 0,2 R usw. bis 0,9 R.
(4)
Stelle den Widerstand jetzt auf 0,1 R und miss erneut die Spannung und die
Stromstärke.
(5)
Wiederhole den Schritt 4 für die anderen Markierungen.
Wertetabelle
R in Ω
I in mA
U in V
P in mW
Auswertung
(1)
Berechne jeweils die von der Solarzelle abgegebene Leistung.
(2)
Stelle den Zusammenhang zwischen der Größe des äußeren Widerstandes R und der
von der Solarzelle abgegebenen Leistung in einem P(R) – Diagramm dar.
Formuliere deine Erkenntnis aus diesem Diagramm.
Messwertabweichung
Erläutere, wie das Licht im Klassenraum dein Versuchsergebnis beeinflusst haben
könnte. Beschreibe eine Möglichkeit, wie dieser Einfluss verringert werden kann.
Schlussfolgerung
Erläutere die Regel: Der Widerstand des Wandlers muss an die Solarzelle angepasst
werden.