Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle

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1 Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, elektrische Leistung, elektrische Energie Prinzip Sonnenenergie lässt sich mit Hilfe einer Solarzelle in elektrische Energie umwandeln. Diese ist sowohl im Haushalt als auch in der Industrie eine sehr wichtige Energieform, da sie sich leicht in andere Energieformen, wie z.b. Wärme, Licht oder mechanische Energie (Bewegung), umwandeln lässt. Im Versuch wird ein kleiner Elektromotor mit einer Solarbatterie betrieben. Der Versuch besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden bei unterschiedlicher Beleuchtung elektrische Leistung und Arbeit gleichzeitig gemessen, sodass der Zusammenhang zwischen den beiden Größen sehr anschaulich demonstriert und quantitativ ausgewertet werden kann. Bei großer Lichtintensität und langer Beleuchtungsdauer erwärmen sich Solarzellen und ihre Leistung wird geringer. Dieser Effekt lässt sich im zweiten Teil zeigen. Material 2 Leitungsbaustein Anschlussbaustein Motor mit Scheibe, 5 V, DB Solarbatterie aus 4 Zellen, magn Maßstab für Demo-Tafel Muffe auf Träger für Demo-Tafel Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E27, Reflektor Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor *1 Cobra4 Wireless Manager *1 Cobra4 Wireless-Link *1 Cobra4 Sensor-Unit Energy *1 Halter für Cobra4, magnetisch *1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 500 mm, gelb PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 **1 Heiß-/Kaltluftgebläse, 1700 W * In Cobra4 Ergänzungsset enthalten ** Optional Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. Darauf achten, dass der rote Stecker der Solarbatterie mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. - Über der Solarbatterie an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben, darin die Stativstange PASS befestigen und die Lampe haltern (Abb. 2). - Lampe auf die Solarbatterie ausrichten (z. B. mit Hilfe von Position der Stativstange und Richtung der Lampenneigung). - Der Abstand zwischen der Mitte der Solarbatterie und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. Abb. 2: Aufbau Lampe - Den magnetisch haftenden Maßstab senkrecht auf die Tafel bringen, sodass sich die Null an der Oberkante der Solarbatterie befindet (Abb. 1). Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. Abb. 3: Messwerterfassung Leistung und Arbeit 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle ENT 1. Zusammenhang zwischen Leistung und Arbeit - Experiment Teil 1 laden (Experiment > Experiment öffnen > ) - Lampe einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Messung endet automatisch nach 1 min. - Wiederholungsmessung wählen. - Solarbatterie um 22 cm verschieben. - Messung starten. - Messung endet automatisch nach 1 min. - Wiederholungsmessung wählen. - Solarbatterie weitere 5 cm verschieben. - Messung starten. - Messung endet automatisch nach 1 min. - Lampe ausschalten. 2. Leistung der Solarbatterie beim Erwärmen Vor dieser Messung müssen die Solarbatterie und auch die Wand dahinter möglichst kalt sein. Zum Abkühlen auf Raumtemperatur sollte nach dem vorherigen Versuchsteil für etwa 2 bis 5 min mit der Durchführung gewartet werden. Alternativ kann ca. 1 bis 2 min lang ein kalter Luftstrahl aus einem Kaltluftgebläse auf die Fläche der Solarbatterie gerichtet werden. - Abstand zwischen Lampe und Solarbatterie auf 30 cm verkürzen und Lampe wieder optimal auf die Solarbatterie ausrichten. - Experiment Teil 2 laden (Experiment > Experiment öffnen > ) Abb. 4: Messwerterfassung Leistung Solarbatterie beim Erwärmen P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle - Lampe einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Messung endet automatisch nach 8 min. - Lampe ausschalten. Beobachtungen 1. Zusammenhang zwischen Leistung und Arbeit Während der Messung werden die Leistung des Motors und die Arbeit (elektrische Energie, die während der Versuchsdauer in mechanische Energie umgewandelt wurde) in zwei getrennten Diagrammen dargestellt. Der qualitative Zusammenhang zwischen diesen Größen kann daher schon während der Messung oder auch vor der Übergabe der Werte an das measure Hauptprogramm besprochen werden. Bei konstanter Beleuchtung ist die Leistung des Motors (etwa) konstant und die elektrische Arbeit steigt linear mit der Zeit. Bei geringerer Beleuchtung wird die Leistung des Motors kleiner und auch die Steigung der Geraden für elektrische Arbeit ist kleiner, der Zähler läuft langsamer als bei voller Beleuchtung. Die kleinen Schwankungen in der Leistungskurve sind auf den Luftwiderstand der Scheibe bzw. auf die Reibung im Motor zurückzuführen. 2. Leistung der Solarbatterie beim Erwärmen Wird die Solarbatterie längere Zeit mit großer Lichtintensität beleuchtet, sinkt die Leistung allmählich ab (Abb. 4). Durch Berühren der Solarbatterie kann man fühlen, dass sie warm wird. Auswertung 1. Zusammenhang zwischen Leistung und Arbeit Der quantitative Zusammenhang zwischen Arbeit und Leistung wird nach der Übertragung der Messdaten in das measure Hauptprogramm erarbeitet. Dafür werden aus den aufgenommenen Messkurven nur die zu einer Position (Messung) gehörenden Werte für Leistung und Arbeit betrachtet. In diesem Fall Messung 1, die Position mit der maximalen Leistung (Abb. 5) - Im Diagramm nur Leistung und Arbeit von Messung 1 darstellen. - Die linke und die rechte Achse werden entsprechend beschriftet (Funktion Darstellungsoptionen ). - An die Messkurve für Arbeit mit Hilfe der Funktion Regression eine Gerade anlegen und deren Steigung bestimmen. - Mit Hilfe der Funktion Vermessen mit einer der waagerechten Linien den Wert der Leistung ermitteln. Der Wert für die Geradensteigung stimmt mit dem Wert der Leistung überein. Der mathematische Zusammenhang zwischen Arbeit und Leistung W = P. t ist dadurch bestätigt. Hinweis Um die Übereinstimmung der Werte deutlich hervorzuheben, lassen sich die Ergebnisse der Funktionen Vermessen oder Regression durch einen ZOOM größer und übersichtlicher darstellen. Dies geschieht mit Hilfe von Shift+Ctrl und Markieren des Feldes. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle ENT Abb. 5: Messung 1: Leistung der Solarbatterie 2. Leistung der Solarbatterie beim Erwärmen Nach Übertragung der Daten in das measure Hauptprogramm - Mit Hilfe der Funktion Vermessen die erste waagerechte Linie durch die Messwerte bei t = 0 0,5 min legen, die zweite waagerechte Linie durch die Messwerte von t = 9,5 10 min. - Den Abstand der Linien messen (Abb. 6) Abb. 6: Messung des Leistungsabfalls P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle Der Leistungsabfall ist trotz der großen Schwankungen in der Leistung des Motors deutlich zu sehen. Er beträgt nach einer Beleuchtungszeit von 8 min mehr als 5 mw, das sind bei einer Ausgangsleistung von 35 mw ca. 15 %. Anwendung In den Sommermonaten können sich Fotovoltaik-Anlagen stark erwärmen, z. B. auf 80 C. Wird mit einem Leistungsverlust von etwa 5 % je 10 C gerechnet, dann wäre ihre Leistung in diesem Fall um etwa ¼ niedriger als der Nennwert bei 25 C. Eine Kühlung der Anlage ist daher sehr wichtig. Dies geschieht entweder durch Luftzirkulation auf der Rückseite oder mit Hilfe von Wasserrohren. Das erwärmte Wasser wird entweder direkt genutzt (Duschen, Swimming Pool), gespeichert (z. B. Erdwärme- Speicher), oder mit Hilfe einer Kältemaschine zur Klimatisierung von Räumen verwendet. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN Umwandlung von Licht in Bewegung mit einer Solarzelle (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (*) gekennzeichneten Artikel durch folgende ersetzt: Versuch mit Mobile-Link 1 Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Cobra4, magnetisch Digitale Großanzeige Versuch mit Arbeits- und Leistungsmessgerät 1 Arbeits- und Leistungsmessgerät PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P