Verschaltungsarten von Solarzellen

Protokoll für das NAWI-Profil
Namen:
/
Klasse:
Datum:
Station M6: Verschaltungsarten von Solarzellen
Aufgabe:
Untersuche die Verschaltungsarten von Solarzellen.
Vorbetrachtung:
1. Gib die Gesetzmäßigkeiten in der Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen an. Nenne
für jede Schaltungsvariante eine prinzipielle Anwendungsmöglichkeit.
2. Gib Aufbau, Arten und Funktionsweise von Solarzellen an und erläutere Leitungsvorgänge in
Halbleitern (Stichworte: Elektronen, Defektelektronen, p-leitende / n-leitende Schicht, pnÜbergang, photovoltaischer Effekt).
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
Fachberater der Regionalstelle Leipzig für das naturwissenschaftliche Profil Ralph Rüdiger (Max-Klinger-Schule Leipzig)
und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
Geräte:
Abbildung des Versuchsplatzes:
Vorsicht! Strahler und Solarmodule nicht berühren, da diese nach längerem Betrieb sehr heiß
werden können! Während des Umbaus der Schaltung ist der Strahler auszuschalten!
- Versuchsboard SO4203-4K “Photovoltaik Board” (rechtes Board) [1]
Drehschalter zum Ein- bzw.
Ausschalten des dimmbaren
120 W - Strahlers
(„künstliche Sonne“)
Potentiometer im
Feld „Load“ als
veränderbare Last
Dimmer für 120 W - Strahler
vier monokristalline Solarmodule (U = 6 V), an den
Anschlüssen der Module 1 – 4 zum Messen und
Verschalten im Feld „Photovoltaik Cells“ (linker
Pfeil) als Solargeneratoren G1 – G4 bezeichnet
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
Fachberater der Regionalstelle Leipzig für das naturwissenschaftliche Profil Ralph Rüdiger (Max-Klinger-Schule Leipzig)
und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
- Schnittstellenboard SO4203-2A “UniTrain-I-Interface“ mit Netzschalter (linkes Board) [1]
Schalter zum Ein- bzw. Ausschalten von Versuchs- und
Schnittstellenboard; der Schalter muss eingeschaltet sein,
damit das interaktive Lernprogramm L@Bsoft auf dem
Arbeitsplatzrechner gestartet werden kann!
Analog-Eingang B (Buchsen B+ und B-) im Feld „Analog In“
Analog-Eingang A (Buchsen A+ und A-) im Feld „Analog In“
- Messzubehör „UniTrain-I“ (2 mm - Messleitungen, Brückenstecker)
- Interaktiver Lernkurs L@BSoft „UniTrain-I Erneuerbare Energie – Photovoltaik“
Durchführung und Beobachtung:
Öffne das interaktive Lernprogramm „L@Bsoft“ auf dem Arbeitsplatzrechner durch Klicken auf das
Start-Menü. Navigiere zur folgenden Programmseite:
G1
G2
Abb. Programmstruktur Photovoltaik \ Das Solarmodul \ Experiment: Verschaltung von PV-Zellen
\ Messschaltung zur Ermittlung der Leerlaufspannung des Moduls 1 (G1) [1]
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
Fachberater der Regionalstelle Leipzig für das naturwissenschaftliche Profil Ralph Rüdiger (Max-Klinger-Schule Leipzig)
und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
1. Trage die Messwerte für Leerlaufspannung U OC und Kurzschlussstrom I entsprechend der
Tabelle für alle Module in die Tabelle im Programm ein (siehe Abbildung).
Bitte mit Komma eingeben.
Abb. Programmstruktur Photovoltaik \ Das Solarmodul \ Experiment: Verschaltung von PVZellen \ Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom der Solarmodule G1 bis G4 [1]
Betätige anschließend den Auswertebutton.
2. Führe den Versuch „Reihenschaltung“ für die Solarmodule 1 und 2 durch. Stelle im linken
Fenster des Programmes „Reihenschaltung“ ein (siehe Abbildung).
G1
G2
Abb. Programmstruktur Photovoltaik \ Das Solarmodul \ Experiment: Verschaltung von PV-Zellen
\ Reihenschaltung [1]
Baue dazu die Schaltung unter Zuhilfenahme von weißen Brückensteckern und farbigen
Messleitungen jeweils nach der Abbildung im Programm auf. Bei diesem Versuch wird ein
Potentiometer (siehe Abbildung auf Seite 2) verwendet, um den Arbeitspunkt der Schaltung
(U, I - Werte) einzustellen. Schalte den Strahler mit maximaler Bestrahlungsstärke ein.
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
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und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
Starte den Versuch jeweils mit dem Widerstandswert 0 Ω am linken Anschlag des
Potentiometers und verändere den Widerstandswert langsam bis zum rechten Anschlag. Stelle
den Strom I entsprechend der Tabelle ein und lies die zugehörige Spannung U ab.
Hinweis: Beachte die Einstellungen der virtuellen Messgeräte (siehe untere Abbildung):
- Spannungsmesser (Voltmeter) A die elektrische Spannung und
- Stromstärkemesser (Amperemeter) B die elektrische Stromstärke
Voltmeter A
Amperemeter B
Die virtuellen Messinstrumente können direkt auf der Seite im Programm angeklickt werden
oder über das Menü Instrumente \ Messgeräte \ Voltmeter A bzw. Amperemeter B aufgerufen
werden.
Trage die von den virtuellen Messgeräten abgelesenen Werte in die unten stehende Tabelle
ein. Erhöhe gegebenenfalls den Messbereich des Spannungsmessers (für Modul 1: 5 V,
für Modul 2: 10 V).
Messwerttabelle für die Reihenschaltung von PV-Modulen 1 und 2: U = f (I)
I in mA
U (1 Modul) in V
U (2 Module) in V
50
45
40
35
30
25
20
15
10
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
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und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
3. Führe den Versuch „Parallelschaltung“ für die Solarmodule 1 und 2 durch. Stelle im linken
Fenster des Programmes „Parallelschaltung“ ein (siehe Abbildung).
Abb. Programmstruktur Photovoltaik \ Das Solarmodul \ Experiment: Verschaltung von PV-Zellen \
Parallelschaltung [1]
Baue dazu die Schaltung jeweils nach der obigen Abbildung im Programm auf. Bei diesem
Versuch wird ein Potentiometer verwendet, um den Arbeitspunkt der Schaltung (U, I - Werte)
einzustellen. Starte den Versuch jeweils mit dem Widerstandswert 0 Ω am linken Anschlag des
Potentiometers und verändere den Widerstandswert langsam bis zum rechten Anschlag. Stelle
die Spannung U entsprechend der Tabelle ein und lies die zugehörige Stromstärke I ab.
Trage die von den virtuellen Messgeräten abgelesenen Werte in die untenstehende Tabelle ein.
Erhöhe ggf. den Messbereich des Stromstärkemessers (200 mA).
Messwerttabelle für die Parallelschaltung von PV-Modulen: I = f (U)
U in V
I (1 Modul) in mA
I (2 Module) in mA
0,5
1
1,5
2
2,5
3
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Anmerkung: Die Versuchsanleitung wurde konzipiert und ausgearbeitet von Dipl.-Ing. (FH) Matthias Bach,
Laboringenieur im Studiengang Service Engineering an der Staatlichen Studienakademie Leipzig, unter Mitarbeit der
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und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015
Auswertung:
1. Stelle den Zusammenhang von Stromstärke und Spannung für Reihenschaltung und
Parallelschaltung jeweils grafisch auf Millimeterpapier dar.
2. Interpretiere die beiden Diagramme (Stichpunkte).
3. Kreuze jeweils die richtigen Aussagen an. Beachte, dass mehrere Aussagen richtig sein können.
3.1) Bei der Reihenschaltung von Solarmodulen ...
a) ... addieren sich die Stromstärken der einzelnen Solarmodule.
b) ... bestimmt das Solarmodul mit der kleinsten Stromstärke den Stromfluss.
c) ... addieren sich die Spannungen der einzelnen Solarmodule.
d) ... ist die Spannung unabhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten
Solarmodule.
3.2) Bei der Parallelschaltung von Solarmodulen ...
a) ... addieren sich die Stromstärken der einzelnen Solarmodule.
b) ... sinkt die Spannung mit jedem weiteren parallel geschalteten Solarmodul.
c) ... bestimmt das Solarmodul mit der kleinsten Stromstärke den Stromfluss in der
Parallelschaltung.
d) ... bleibt die Spannung konstant.
4. Nenne für jede Schaltungsvariante eine prinzipielle Anwendungsmöglichkeit.
Quellenangabe: [1] Interaktiver Lernkurs L@BSoft „UniTrain-I Erneuerbare Energie –
Photovoltaik“ der Lucas-Nülle Lehr- und Meßgeräte GmbH
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und Holger Kaule (Geschwister-Scholl-Gymnasium Taucha). Bearbeitungsstand:03.09.2015