Physik/Klasse 8: Experimente mit Solarzellen/Abhängigkeit von äußeren Einflussgrößen

1. Fragestellung

Wie hängen Spannung und Stromstärke an Solarzellen von äußeren Einflussgrößen (z.B. Neigungswinkel, Verschattung) ab?

Benötigte Materialien

Für das Experiment benötigst du folgende Materialien:

Steckbrett, Box 1: Grundschaltungen, Multimeter, 2 Kabel, aus Box 3: 1 Solarzelle, 1 Motor, Sonnenlicht oder starke Lampe

2. Einstiegsversuch und Vermutung:

Bringe den Motor mit Hilfe der Solarzelle zum Rotieren. Manchmal muss der Motor zuerst angedreht werden. Experimentiere frei mit Neigungswinkel und Verschattung. Wie kannst du eine möglichst große (kleine) Drehzahl des Motors erreichen?

Hilfestellung: Aufbau

Hintergrundwissen

Bevor du mit dem Aufbau fortfährst:

In unserem Experiment wollen wir die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromstärke einer Solarzelle messen.

Die Leerlaufspannung ist die Spannung der Solarzelle, wenn kein Verbraucher (z.B. Motor) angeschlossen ist, wenn also kein Strom fließt.

Die Kurzschlussstromstärke ist die Stromstärke, die erreicht werden kann, wenn kein Verbraucher in den Stromkreis eingebaut wird, d.h. wenn die beiden Enden der Solarzelle einfach leitend miteinander verbunden werden.

Lernpfad aus drei Learningapps zur Messung von Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke

Messung der Kurzschlussstromstärke (Leerlaufspannung): Sortiere die Schaltbilder in der folgenden Reihenfolge:

1. Reihenschaltung (Parallelschaltung) mit einer Batterie zur Stromstärkemessung (Spannungsmessung)

2. Ersetzen der Batterie durch eine Solarzelle

3. Verbraucher wird aus dem Schaltplan genommen

4. Schaltplan zur Messung der Kurzschlussstromstärke (Leerlaufspannung) einer Solarzelle

5. Zusammenfassung und Fachbegriff

3. Aufbau:

Schließe eine Solarzelle mit Hilfe der Bauteile aus Box 1 und den beiden Kabeln an die entsprechenden Buchsen des Messgeräts an. Wähle zunächst für die Spannungsmessung den passenden Messbereich aus. Die Solarzelle liefert eine Gleichspannung (DC).

Erinnerung: Den passenden Größenbereich findest du, indem du vom höchsten Messbereich schrittweise zu kleineren Messbereichen wechselst.

Zeichne eine Schaltskizze.

Hilfestellung: Aufbau

Foto des Aufbaus:

Für die Messung der Stromstärke ist der Aufbau derselbe, jedoch muss am Messgerät der richtige Messbereich eingestellt werden. Auch hier solltest du vom höchsten Messbereich schrittweise zu kleineren Messbereichen wechseln.

Foto Einstellung Stromstärkemessung:

Schaltskizze Spannungsmessung:

Für die Stromstärkemessung muss statt des Voltmeters ein Amperemeter eingebaut werden (A statt V). Wir verwenden für beide Messungen dasselbe Messgerät.

4. Beschreibung der Durchführung:

Überlege dir, wie du in zwei separaten Messreihen die Abhängigkeit der Spannung und Stromstärke von…

a)     dem Neigungswinkel der Solarzelle und

b)     der Verschattung der Solarzelle

messen kannst. Beschreibe dein Vorgehen nachvollziehbar und führe die Messung durch.

Hilfestellung: Durchführung

a) Der Neigungswinkel der Solarzelle wird systematisch von oberer Maximaleinstellung (1) über die horizontale Einstellung (3) hin zur unteren Maximaleinstellung (5) in fünf Schritten (vgl. Skizze) variiert und für jede Neigungseinstellung werden Spannung und Stromstärke gemessen.

b) Der Verschattungsgrad der Solarzelle wird systematisch von vollständiger Bestrahlung mit Sonnenlicht über 1/4 Verschattung, 1/2 Verschattung, 3/4 Verschattung hin zu vollständiger Verschattung variiert und für jeden Verschattungsgrad werden Spannung und Stromstärke gemessen. Der Einstrahlungswinkel der Lichtquelle (z.B. hier: Sonne) relativ zur Solarzelle wird konstant gehalten.

5. Messergebnisse

Beschreibt übersichtlich eure Beobachtungen.

Hilfestellung: Messergebnisse

In den oben beschriebenen Beispielexperimenten draußen bei Sonnenschein gegen 11 Uhr Ende Juli wurden folgende Stromstärken und Spannungen gemessen:

a) Variation des Neigungswinkels

b) Variation des Verschattungsgrads

6. Auswertung

Formuliere Schlussfolgerungen aus deinen Messergebnissen und gib Tipps, worauf man bei der Installation einer Solaranlage achten sollte.

Hilfestellung: Auswertung

a) Wenn die Solarzelle so ausgerichtet wird, dass die Sonne senkrecht einfällt, sind sowohl Spannung als auch Stromstärke am größten. Wenn man den Einstrahlwinkel verändert, nimmt die Spannung nur leicht ab und auch bei vollständiger Abkehr von der Sonne ist die Leerlaufspannung noch vergleichsweise hoch. Die Stromstärke nimmt jedoch stark ab, wenn der Einstrahlwinkel des Sonnenlichts schlechter wird.

b) Ähnlich wie in Experiment a) ändert sich die Spannung mit zunehmendem Verschattungsgrad nur wenig. Die Stromstärke sinkt dagegen mit zunehmendem Verschattungsgrad drastisch ab, es kann ein annähernd proportionaler Zusammenhang zwischen bestrahlter Fläche und Stromstärke beobachtet werden: Wird z.B. die Hälfte der Fläche verschattet, sinkt die Stromstärke auf die Hälfte.

Tipps: Die Solarzelle sollte so montiert werden, dass ein möglichst senkrechter Einfall des Sonnenlichts ermöglicht werden kann. In Deutschland liegt der optimale Ausrichtungswinkel bei ca. 30°-35°. Auf Dächern, die gegen Norden ausgerichtet sind, lohnt sich ein Anbringen von Solarmodulen nicht. Das Süddach ist am ertragreichsten. Außerdem sollten die Solarmodule möglichst wenig verschattet werden.

Ausblick zu Experiment 2: Zusammenschluss zu Solarmodulen

Die in einzelnen Solarzellen entstehenden Spannungen und Ströme sind noch zu klein, um damit Geräte im Haushalt zu betreiben. Deshalb werden einzelne Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschlossen. Doch sollte hier besser eine Parallelschaltung oder eine Reihenschaltung verwendet werden und was ist jeweils der Unterschied? Das wollen wir in Experiment 2 herausfinden.