Solare Energieversorgung - Photovoltaik. 0. Station: e-car solar

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1 0. Station: e-car solar ecs Ein reines Solarauto benötigt eine sehr große Fläche, um genügend Solarleistung zu liefern. Günstiger ist die Speicherung elektrischer Energie, die an einer Solartankstelle durch Solarmodule gewonnen wird. Aufgabe Konstruiere ein Solarmobil e-car solar, das mit einem und einem elektrischen Energiespeicher (Kondensator) betrieben wird. Das Ziel Das Fahrzeug soll eine möglichst große Fahrstrecke zurücklegen. Bedingungen Die Tankgröße ist vorgegeben, so dass die gespeicherte Energiemenge bekannt ist. Das Auftanken wird an einer Solartankstelle (Sonderprojekt!) überwacht. Kondensator als Energietank Tipps Wähle einen geeigneten Motor und eine günstige Übersetzung (Getriebe) aus. Verwende Materialien mit geringer Masse. IdeenSolartankstellen Achte auf einen Leichtlauf (wenig Reibung). Termine Prototyp: Ende der Sinusphase Nullserie: Ende des Schuljahres Genaue Termine werden noch veröffentlicht.

2 1. Station: Bewegung durch Solarzellen Eine Solarzelle erzeugt bei voller Sonneneinstrahlung eine elektrische Gleichspannung von ungefähr 0,5 Volt. Solarzellen lassen sich - so wie Batterien - in Reihe oder parallel schalten. Dabei ergeben sich unterschiedliche Spannungen und Stromstärken. Vergleich: Eine Mignonakku liefert im geladenen Zustand etwa 1,2 Volt. 1. Verbinde einen mit einer Solarzelle. Beleuchte die Solarzelle mit einer Lampe (oder Sonnenlicht). Lampe a) Wie lässt sich die Drehzahl des Motors verändern? b) Wie lässt sich die Drehrichtung des Motors verändern? 2. Verwende nun zwei Solarzellen. Schalte die beiden Solarzellen auf zwei unterschiedliche Arten parallel und schließe wieder den Motor Solarzellen a) Wie verhält sich jeweils der Motor bei gleichmäßiger Beleuchtung beider Solarzellen? b) Wie verhält sich jeweils der Motor bei ungleichmäßiger Beleuchtung beider Solarzellen? (Eine Solarzelle wird durch deine Hand abgeschattet!) Hinweis: Du musst bei dieser Aufgabe insgesamt vier Fälle unterscheiden! 3. Verwende wieder zwei Solarzellen. Schalte die beiden Solarzellen auf zwei unterschiedliche Arten hintereinander (Reihenschaltung) und schließe wieder den Motor Propeller stellung wie bei 2a) und 2b). Farbscheibe 4a) Fertige elektrische Schaltpläne M c) Zusatz: Erkläre die Wirkungsweise eines s (siehe Buch: magnetische Wirkung des Stromes). Symbol

3 2. Station: Lichtblitze treffen Solarzellen Eine Stroboskop erzeugt kurze und helle Lichtblitze. Die Anzahl der Blitze pro Sekunde kann eingestellt werden. Wird das Solarmodul von einem Lichtblitz getroffen, so entsteht eine positive und eine negative Ladung. Die kurzzeitig entstehende Spannung ( + -) wird auf einem Elektronenstrahl- Oszilloskop sichtbar gemacht. 1. Verbinde die Leuchtdiode mit dem Solarmodul. Beleuchte das Modul mit dem Stroboskop, mit dem oder mit dem Sonnenlicht. a) Welches Verhalten zeigen die verschiedenen Leuchtdioden? Blitzlampe (Stroboskop) 2. Schließe zusätzlich das Oszilloskop an das Solarmodul a) Was beobachtest du auf dem Bildschirm? Übertrage die Bilder in deine Mappe. b) Verändere nun die Anzahl der Blitze pro Sekunde und beschreibe deine Beobachtungen. c) Drehe die Lichtquelle langsam von der Solarzelle weg und beobachte das Ergebnis auf dem Schirm des Oszilloskops. Solarmodul Leuchtdiode (LED) 3. Schalte eine zweite (und eine dritte) Leuchtdiode parallel zur ersten. Beleuchte das Modul mit dem. Verändere die Strahlungsrichtung und vergleiche die Beobachtungen Oszilloskop 4a) Fertige elektrische Schaltpläne c) Zusatz: Erkläre die Wirkungsweise eines Oszilloskops (siehe Buch: Elektronenstrahl, Oszilloskop) Symbol Oszilloskop Symbol Leuchtdiode (LED)

4 3. Station: Gleich- und Wechselspannung mit Solarzellen Um eine Glühlampe dreht sich ein Halbzylinder (aufgeschlitzter Hohlzylinder). Dadurch können 4 Solarzellen nacheinander beleuchtet werden. Die Zellen sind parallel geschaltet. Die entstehende Spannung wird mit einem Oszilloskop gemessen. Der Versuch soll den Unterschied zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung veranschaulichen. (Hinweis: Bei großen Photovoltaikanlagen wird für die Erzeugung von Wechselspannung eine elektronischer Wechselrichter eingesetzt.) Vier Solarzellen mit Halbzylinder 1. Schalte alle Solarzellen parallel und schließe das Oszilloskop a) Welche Veränderung beobachtest du am Oszilloskop, wenn die Lampe eingeschaltet wird? b) Was beobachtest du am Oszilloskop, wenn sich bei eingeschalteter Lampe der Halbzylinder dreht? Glühlampe Anordnung der Solarzellen 2. Probiere nun verschiedene Polungen der Solarzellen aus. a) Wie müssen die Solarzellen geschaltet werden, wenn eine möglichst große Wechselspannung entstehen soll? b) Übertrage die beobachteten Bilder in deine Mappe. Oszilloskop 3. Lässt sich eine Wechselspannung auch mit zwei Solarzellen erzeugen? Unterschiede? Symbol Oszilloskop M 4a) Fertige einen elektrischen Schaltplan nach 2a) Symbol c) Zusatz: Beschreibe die Bedeutung der Wechselspannung bei unserer Stromversorgung: (Stichworte: Energieversorgung, Verbundnetz, Transformator)

5 4. Station: Große und kleine Solarzellen Solarzellen liefern unterschiedlich hohe Stromstärken. Mit einem Strommessgerät werden die Unterschiede angezeigt. 1. Schließe an die kleine Solarzelle den Ventilator und das Strommessgerät Beleuchte die Zelle mit dem. Unterschiedliche Solarzellen a) Was beobachtest du bei unterschiedlichen Einstrahlungswinkeln? b) Wie reagiert das Strommessgerät bei unterschiedlichen Einstrahlungswinkeln? 2. Verwende nun eine größere Solarzelle und wiederhole die Versuche nach 1a) und 1b). Führe die Versuche bei gleichen Abständen zum durch. Propeller 3. Schalte eine zweite Solarzelle parallel zur ersten. a) Welche Veränderungen beobachtest du? b) Pole eine Solarzelle um. Was beobachtest du jetzt? 4a) Fertige elektrische Schaltpläne für die durchgeführten Versuche c) Zusatz: Beschreibe die Bedeutung der elektrischen Stromstärke (Stichworte: Stromkreis, Elektronen, Ladungen). A Symbol Strommessgerät Strommessgerät M Symbol

6 5. Station: Solarer Energiespeicher Solarzellen liefern elektrischen Strom, wenn die Sonne scheint. Um auch bei Dunkelheit Licht zu haben, muss die elektrische Energie gespeichert werden. Dazu verwenden wir einen Energietank, der solar aufgeladen werden kann. Mit einem Spannungsmessgerät prüfen wir, wie voll der Tank ist. (Hinweis: Es handelt sich um einen Kondensator, der sehr schnell geladen werden kann. Er ist in seinen Eigenschaften mit einem Akku vergleichbar.) Solarmodul (mehrere Solarzellen) 1. Schließe den Energietank an das beleuchtete Solarmodul a) Beobachte den Tankvorgang mit dem Spannungsmessgerät etwa eine Minute lang. b) Wie groß ist die Spannung nach dem Abklemmen des Solarmoduls, wenn vorher eine Minute lang getankt wurde? Kondensator als Energietank Leuchtdiode (LED) 2. Klemme den geladenen Kondensator vom Solarmodul ab und schließe verschiedenen Leuchtdioden als Verbraucher a) Wie lange dauert es jeweils, bis die Spannung um 0,2 V abgenommen hat? b) Lassen sich drei verschiedenfarbige Leuchtdioden gleichzeitig zum Leuchten bringen? Wie lange dauert jetzt die Abnahme der Spannung um 0,2 V? Symbol Kondensator V Spannungsmessgerät 3 Nimm für einen Entladevorgang eine Messreihe auf. Wähle zum Beispiel eine Abnahme von 2,0 V auf 1,8 V. Symbol Spannungsmessgerät 4a) Fertige elektrische Schaltpläne für die durchgeführten Versuche c) Zusatz: Beschreibe wesentliche Eigenschaften von Leuchtdioden. Symbol Leuchtdiode (LED)

7 6. Station: Solarzellen liefern Spannung und Strom Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Möglich ist die Parallel- oder die Reihenschaltung. Durch Messung der Spannung und der elektrischen Stromstärke wird das unterschiedliche Verhalten bei- Beleuchtung der Zellen untersucht. Drei Solarzellen 1a) Bestimme die Spannung an einer Solarzelle sowie an zwei und drei hintereinander geschalteten und beleuchteten Solarzellen. b) Schließe zusätzlich einen als Verbraucher an und beobachte die Veränderungen am Spannungsmessgerät. Propeller 2 Bestimme die Stromstärke bei einer, zwei und drei parallel geschalteten Solarzellen. Spannungsmessgerät oder Strommessgerät 3 Schließe drei Solarzellen in Reihe. Über ein Strommessgerät wird ein Motor als Verbraucher angeschlossen. Mit einem zweiten Messgerät wird die Spannung am Motor bestimmt. Beobachte das Verhalten der Messgeräte, wenn die Lichtquelle weggedreht oder der Motor abgebremst wird. A Symbol Strommessgerät V 4a) Fertige elektrische Schaltpläne für die durchgeführten Versuche an Symbol Spannungsmessgerät c) Zusatz: Beschreibe die unterschiedliche Bedeutung der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes. M Symbol

8 7. Station: Solar spezial Mit Hilfe größerer Solarmodule ist eine höhere Leistungsausbeute möglich. Die Leistung kann ausreichen, um solare Kühlanlagen zu betreiben. Kondensatoren können auf höhere Spannungen geladen werden. Solare Freiheit! Freie Experimentiermöglichkeiten...! Beobachtungen, Erklärungen, Anwendungen,...?

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