Physik/Klasse 8: Experimente mit Solarzellen/Reihen- und Paralllelschaltung von Solarzellen

1. Fragestellung

Wie ändern sich Spannung und Stromstärke, wenn Solarzellen in Reihen- bzw. Parallelschaltungen zu Solarmodulen zusammengeschlossen werden?

Benötigte Materialien

Für das Experiment benötigst du folgende Materialien:

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

2. Aufbau:

Schließe…

a) eine einzelne Solarzelle

b) zwei Solarzellen in einer Reihenschaltung

c) zwei Solarzellen in einer Parallelschaltung

…mit Hilfe der Bauteile aus Box 1 und den beiden Kabeln an die entsprechenden Buchsen des Messgeräts an. Wähle jeweils 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:

a) eine einzelne Solarzelle

Schaltskizze Spannungsmessung:

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:

b) zwei Solarzellen in einer Reihenschaltung

Schaltzskizze:

c) zwei Solarzellen in einer Parallelschaltung

Schaltzskizze:

3. Beschreibung der Durchführung:

Messe für den ersten Aufbau Spannung und Stromstärke der Solarzelle. Messe anschließend für jeden der beiden anderen Aufbauten b) und c) Stromstärke und Spannung des entstandenen Solarmoduls…

(1) ...wenn beide Solarzellen mit Licht bestrahlt werden.

(2) ...wenn eine Solarzelle beschattet wird (Abdecken mit Papier!).

4. Messergebnisse

Notiere deine Ergebnisse übersichtlich in geeigneten Tabellen.

Hilfestellung: Messergebnisse

Reihenschaltung: Parallelschaltung:

Beispielmessung drinnen ohne direkte Sonneneinstrahlung in Fensternähe an einem sonnigen Sommertag:

5. Auswertung

Formuliere Schlussfolgerungen aus deinen Messergebnissen. Erkläre insbesondere, wie sich Spannung und Stromstärke des Gesamtmoduls verhalten, wenn

a) eine Reihenschaltung der Solarzellen vorliegt.

b) eine Parallelschaltung der Solarzellen vorliegt.

Gehe jeweils auch darauf ein, wie sich eine Verschattung einer Solarzelle auf das gesamte Modul auswirkt, wenn eine Reihenschaltung bzw. eine Parallelschaltung vorliegt.

Hilfestellung: Auswertung

Reihenschaltung:

a) In einer Reihenschaltung von Solarzellen addieren sich die Spannungen der einzelnen Solarzellen. Die Stromstärke entspricht der an einer einzelnen Zelle gemessenen Stromstärke. Bei Beschattung einer Zelle sinkt die Stromstärke auf 0mA, die Spannung entspricht der Spannung einer einzelnen (der nicht verschatteten) Zelle. Bei einer Reihenschaltung kann also durch Abdeckung/starke Verschattung einer einzelnen Zelle kein Strom mehr fließen.

Parallelschaltung:

b) In einer Parallelschaltung von Solarzellen addieren sich die Stromstärken der einzelnen Zellen. Die Spannung ändert sich nicht. Bei Abdeckung einer Zelle halbiert sich die Stromstärke wieder, d.h. es trägt nur die nicht abgedeckte Zelle zum Stromfluss bei. Es fließt kein Strom durch den abgedeckten Zweig. Der Stromfluss durch den anderen Zweig wird nicht beeinflusst. Die Spannung wird nicht beeinflusst.

Zusatzaufgaben für Schnelle

a) Baut nach euren Überlegungen aus der Auswertung ein Solarmodul, mit dem einer der blauen Motoren aus Koffer 3 betrieben werden kann. Wenn eure Stromstärke zu gering ist, könnt ihr mit starken Lampen (z.B. Lampe vom Overhead-Projektor) nachhelfen. Der Motor dreht sich nach einem „Andrehen“ per Hand weiter, wenn die Stromstärke der Anlage mindestens 24mA beträgt.

Hilfestellung

Schaut euch eure Messung der Stromstärke und Spannung von einer einzelnen Solarzelle an. Genügt die Stromstärke bereits, um den Motor am Laufen zu halten? Wenn das nicht der Fall ist: Wie könnt ihr die Stromstärke erhöhen, um mindestens 24mA zu erhalten? Wenn eure Stromstärke bei einer Solarzelle unter 6mA liegt, braucht ihr Lampen zur Verstärkung.

Wenn ihr nicht weiterkommt, kann euch die Lösung von Teil b) weiterhelfen.

b) Leon versucht es an einem schattigen Ort. Er misst dort eine Stromstärke von 6mA an einer Solarzelle. Jedoch dreht sich der Motor erst nach einem "Andrehen" per Hand weiter, wenn die Stromstärke seiner Anlage mindestens 24mA beträgt. Der Spannungswert einer einzelnen Zelle ist bei ihm hoch genug. Fertige eine Schaltskizze eines Aufbaus an, mit dem sich der Motor auch bei ihm weiterdreht. Könnt auch ihr im Schatten mit diesem Aufbau den Motor am Laufen halten?

Lösung

In einer Parallelschaltung addieren sich die Stromstärken der einzelnen Solarzellen. Da Leon auf den vierfachen Wert kommen muss, braucht er eine Parallelschaltung von vier Solarzellen, um den Motor am Laufen zu halten:

c) Recherchiere, wie Solarmodule auf Hausdächern heute verschaltet werden und welche Ursachen dafür eine Rolle spielen. Vergleiche mit deinen Ergebnissen aus der Auswertung.

Hilfestellung

interessante Links:

Reihenschaltung oder Parallelschaltung? (solaranlage.eu)

Reihen- oder Parallelschaltung von Solarmodulen I Photovoltaik4all