Physik/Klasse 8: Experimente mit Solarzellen/Reihen- und Paralllelschaltung von Solarzellen
Wie ändern sich Spannung und Stromstärke, wenn Solarzellen in Reihen- bzw. Parallelschaltungen zu Solarmodulen zusammengeschlossen werden?
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
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.
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:
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!).
Notiere deine Ergebnisse übersichtlich in geeigneten Tabellen.
Reihenschaltung:
Parallelschaltung:
Beispielmessung drinnen ohne direkte Sonneneinstrahlung in Fensternähe an einem sonnigen Sommertag:
a) Auf Hausdächern werden nicht einzelne Solarzellen, sondern sogenannte Solarmodule montiert. In einem gängigen Modul werden etwa 60 einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet (vgl. Module in den Abbildungen). Die Lehrlaufspannung einer einzelnen Solarzelle beträgt etwa 0,6V. Berechne die Leerlaufspannung eines ganzen Moduls. Baue anschließend aus deinen Solarzellen ein Solarmodul, das die dreifache Leerlaufspannung einer einzelnen Solarzelle hat und kontrolliere deinen Aufbau durch Messung. Hinweis: Du benötigst mehr als einen blauen Koffer.
Schaut euch eure Auswertung an. Wie verhalten sich die Spannungen einzelner Zellen in einer Reihenschaltung?
Lösung: Die Spannungen addieren sich, deshalb hat ein Solarmodul eine Spannung von etwa 36V.
Bau eures Moduls: Schalte drei Solarzellen in Reihe und miss die Spannung.
b) Leon möchte ein Modul bauen, mit dem er den Motor auch im Schatten betreiben kann. Er misst im Schatten eine Stromstärke von 6mA an einer Solarzelle. Jedoch dreht sich der Motor erst nach einem "Andrehen" per Hand weiter, wenn die gemessene Kurzschlussstromstärke 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 einen Motor am Laufen halten?
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) Auch die Solarmodule, die bereits jeweils aus etwa 60 einzelnen Solarzellen aufgebaut sind, müssen auf Hausdächern wieder miteinander verschaltet werden. Recherchiere, wie Solarmodule auf Hausdächern heute verschaltet werden und welche Ursachen dafür eine Rolle spielen. Vergleiche mit deinen Ergebnissen aus der Auswertung.
