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
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.
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
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 für jeden Aufbau eine Schaltskizze zur Spannungsmessung.
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:
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.
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.
Teste dein Wissen mit dem Abschlussquiz:
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.
