Schülerexperimente mit Solarzellen

Transkript

1 Elektrodynamik: D Schülerexperimente mit Solarzellen Die Schüler werden in 4 bzw. 8 Kleingruppen (ca. 3 4 Schüler pro Gruppe) eingeteilt. Jede Kleingruppe wird einem der Experimente zugeteilt, die an den Stationen A bis D vorbereitet sind. Damit werden im Unterricht alle 4 Experimente gleichzeitig bzw. bei 8 Gruppen alle Experimente doppelt bearbeitet. Je nach Anzahl der Schüler kann das vierte Experiment entfallen und als theoretische Aufgabe gestellt werden. Auf den Experimentiertischen der Stationen werden für die Experimente die folgenden Geräte sowie das entsprechende Aufgabenblatt bereitgelegt. Die Hinweise zum Experimentieren, die auf Seite 2 abgedruckt sind, werden vorab gemeinsam besprochen. Station A: 100-W-Strahler, Solarzelle, Vielfachmessgerät, Kabel, Messlatte (Lineal) Station B: 100-W-Strahler, Solarzelle, Strommessgerät, Spannungsmessgerät, 5-Ω-Widerstand, Kabel, Messlatte (Lineal) Station C: 100-W-Strahler, Solarzelle, Strommessgerät, Spannungsmessgerät, Kabel, Messlatte (Lineal), Potentiometer Das Potentiometer muss einen bis 220 Ω fein regelbaren Widerstand besitzen. Damit das Experiment gelingt, müssen sich mehrere Widerstandswerte mit R 3Ω am Potentiometer einstellen lassen. Station D: 100-W-Strahler, 2 Solarzellen, Vielfachmessgerät, Kabel, Messlatte (Lineal) 6362 Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 1

2 D Elektrodynamik: Hinweise zu den Experimenten Arbeite bei den Messungen und der grafischen Auswertung präzise. Fertige die Diagramme mit Bleistift und Lineal bzw. mithilfe des Computers und einem Tabellenkalkulationsprogramm an. Nimm eine Messreihe aus mindestens aus 8 verschiedenen Messungen bzw. Messpunkten auf. Damit wird der Kurvenverlauf im Diagramm aussagekräftig. Vermeide Abstände zwischen der Solarzelle und dem Lichtstrahler, die kleiner als 20 cm sind. Bei diesen Abständen wird die Solarzelle nicht gleichmäßig ausgestrahlt und zusätzlich verfälscht die abgestrahlte Wärme der Lichtquelle die Messung. Kompetenzprofil Niveau: Mittelstufe/ Oberstufe, grundlegend Fachlicher Bezug: Kommunikation: argumentieren, präsentieren Problemlösen: vernetztes Denken Modellierung: Medien: Tabellenkalkulation Methode: Schülerexperimente Inhalt in Stichworten: Elektron, elektrisches Feld,, Ladung, Spannung, Solarzelle, Fotovoltaik, Stromquelle, p-n-übergang Autor: Dr. Bardo Diehl Zusätzliche Mediendateien finden Sie auf unter Zu meinen Digitalpaketen im digitalen Ordner zu diesem Beitrag Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

3 Elektrodynamik: D Station A: Stromstärke und Spannung der Solarzelle in Abhängigkeit vom Abstand Solarzelle Strahler Messgerät V Abstand r Abb. A1 A.1 Versuchsanweisung: Schließe die Solarzelle unmittelbar an das Spannungsmessgerät an (siehe Abbildung A1). Achte auf die richtige Polung. Stelle den Wählschalter auf 1 V und Gleichspannung. Stelle die Solarzelle in einem Abstand r von mindestens 20 cm vor den Strahler, sodass beide sich möglichst parallel gegenüberstehen. Miss den Abstand und die Spannung U. Erstelle eine Messreihe zu unterschiedlichen Abständen und trage die Messwerte in eine Tabelle ein. Zeichne das zugehörige r-u-diagramm. Der Abstand wird auf der waagrechten Achse und die Spannung auf der senkrechten Achse aufgetragen. Gib an, was du beobachtest. A.2 Versuchsanweisung: Stelle den Wählschalter auf 100 ma und Gleichstrom. Protokolliere die Stromstärken I zu unterschiedlichen Abständen r. Zeichne das r-i-diagramm und gib deine Beobachtung an Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 3

4 D Elektrodynamik: Station B: Leistung der Solarzelle in Abhängigkeit vom Abstand Messgerät A Solarzelle Strahler Messgerät V Abstand r Abb. B1 B.1 Überlege mithilfe einer Zeichnung, wie sich der Energiestrom, der auf die Solarzelle trifft, verändert, wenn sich der Abstand r zwischen Lampe und Solarzelle verdoppelt. Erläutere deine Überlegung. Stelle deine Hypothese, wie sich der Energiestrom in Abhängigkeit von r ändert, in einer Gleichung bzw. Funktion dar. B.2 Versuchsanweisung: Schließe den Widerstand von 5 Ω in Reihe mit dem Strommessgerät an die Solarzelle an und schalte parallel dazu ein Spannungsmessgerät. Achte auf die richtige Polung der Solarzelle. Stelle die Wählschalter an den Messgeräten auf 100 ma und Gleichstrom bzw. 1 V und Gleichspannung. Positioniere die Solarzelle in einem Abstand r von mindestens 25 cm vor den Strahler, sodass beide sich möglichst parallel gegenüberstehen. Miss die Stromstärke und Spannung in Abhängigkeit vom Abstand r zum Strahler. Berechne jeweils die Leistung P. Erstelle eine Wertetabelle und zeichne ein r-p-diagramm. B.3 Interpretiere die Ergebnisse und überprüfe deine Hypothese Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

5 Elektrodynamik: D Station C: Kennlinie der Solarzelle und Bestimmung des Maximal Power Point (MPP) Messgerät A Strahler Messgerät Potentiometer V Solarzelle Abb. C1 C.1 Versuchsanweisung: Ein bis 220 Ω regelbarer Widerstand (Potentiometer) und das Strommessgerät sind mit der Solarzelle in Reihe, das Spannungsmessgerät ist dazu parallel geschaltet (siehe Abbildung C1). Stelle die Wählschalter an den Messgeräten auf 300 ma und Gleichstrom bzw. auf 1 V und Gleichspannung. Die Solarzelle soll optimal auf den 100-W-Strahler ausgerichtet sein. Der Abstand bleibt unverändert. Protokolliere ihn. Verändere den Widerstand und lies jeweils die Spannung U sowie die Stromstärke I ab. Erstelle eine Messreihe mit möglichst vielen Messwerten. Wichtig sind viele Messwerte bei sehr kleinen Widerständen, da sich dort die Spannung erheblich ändert. Dazu ist es erforderlich, den regelbaren Widerstand in ganz kleinen Schritten zu ändern. C.2 Erstelle das U-I-Diagramm. Dieser Graph ist die Kennlinie der Solarzelle. Was beobachtest du an der Kennlinie für die Spannung und die Stromstärke? Vergleiche deine Beobachtungen mit einem elektrischen Leiter und einer elektrischen Stromquelle. Gib an, wie die Kennlinie einer optimalen Solarzelle aussieht, und zeichne eine ideale Kennlinie Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 5

6 D Elektrodynamik: C.3 Berechne zu jeder Messung die elektrische Leistung P und zeichne das U-P-Diagramm. Wie verläuft der Graph, wenn die Spannung gegen null geht? Ergänze das Diagramm und lies den höchsten Punkt im Diagramm ab. Dieser Punkt ist der Maximal Power Point (MPP). Interpretiere deine Beobachtung. Hinweis: Der MMP hängt von der Qualität der Solarzelle, aber auch von der Intensität des Lichts ab. In Solaranlagen wird zur optimalen Nutzung der MMP häufig elektronisch angesteuert. C.4 Bestimme zeichnerisch und rechnerisch, bei welchem Widerstand R die Solarzelle einen maximalen Energiestrom liefert Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

7 Elektrodynamik: D Station D: Parallel- und Reihenschaltung von Solarmodulen Solarzellen Strahler Messgerät V Abb. D1 D.1 Versuchsanweisung: Schließe eine Solarzelle direkt an ein Spannungsmessgerät an. Achte auf die richtige Polung. Der Abstand zwischen Solarzellen und Strahler wird in den folgenden Versuchen nicht geändert. Stelle den Schalter auf 1 V und Gleichspannung und miss die Spannung. Stelle den Wählschalter auf 100 ma und Gleichstrom und miss die Stromstärke. D.2 Erkläre, was zu erwarten ist, wenn zwei Solarzellen parallel bzw. in Reihe geschaltet werden. D.3 Erläutere, was passiert, wenn die Solarzellen falsch aneinander gepolt werden. D.4 Überprüfe experimentell deine Vermutungen. D.5 Begründe, was du erwartest, wenn eine der beiden Solarzellen abgedeckt wird. Hinweis: In einem Solarmodul werden Solarzellen in Reihe und parallel geschaltet. Wird in einer Reihenschaltung eine Solarzelle abgeschattet oder liegt ein Fabrikationsfehler vor, kann durch das Solarmodul nicht der gewünschte Strom fließen. Durch eine Bypass-Diode (Freilaufdiode) wird in diesem Fall die Solarzelle überbrückt Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 7

8 D Elektrodynamik: Lösung A.1 Messungen der Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung Messwerttabelle: r in cm U in V 0,575 0,56 0,545 0,53 0,52 0,51 0,495 0,48 0,465 Tab. A1 r-u-diagramm: Abb. A2 Beobachtung: Die Spannung nimmt mit dem Abstand zwischen Strahler und Solarzelle geringfügig ab Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

9 Elektrodynamik: D A.2 Messungen der Stromstärke in Abhängigkeit von der Entfernung Messwerttabelle: r in cm I in ma Tab. A2 r-i-diagramm: Abb. A3 Beobachtung: Die Stromstärke nimmt mit zunehmendem Abstand stark ab. Die Stromstärke nimmt nahezu quadratisch mit dem Abstand ab Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 9

10 D Elektrodynamik: B.1 Der Energiestrom verteilt sich bei einem doppelt so großen Abstand auf die vierfache Fläche, denn jede Seitenlänge verdoppelt sich aufgrund des Strahlensatzes. Auf die konstante Fläche der Solarzelle trifft somit nur noch 1 4 des Lichts auf. a b a b Abb. B2 Vermutung: Es ist also zu erwarten: P 1 r 2 B.2 Leistung einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Lampe und Solarzelle Messwerttabelle: r in m U in mv U in V I in ma I in A P in W 0, , ,083 0,0237 0, , ,077 0,0204 0, , ,069 0,0162 0, , ,06 0,0126 0, , ,053 0,0095 0, , ,047 0,0075 0, , ,041 0,0057 0,6 122,5 0, ,036 0,0044 0, , ,032 0, Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

11 Elektrodynamik: D r in m U in mv U in V I in ma I in A P in W 0,7 95 0, ,028 0,0027 0, , ,025 0,0021 0,8 72,5 0, ,022 0,0016 0, , ,019 0,0012 0,9 60 0, ,017 0,0010 0, , ,015 0, ,045 13,5 0,0135 0,00061 Tab. B1 r-p-diagramm: Abb. B3 Beobachtung: Die elektrische Leistung P = U I der Solarzelle nimmt mit dem Abstand ab Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 11

12 D Elektrodynamik: B.3 Vermutung: Wird 1 r 2 berechnet und darüber die gemessene Leistung P aufgetragen, lässt sich eine Ursprungsgerade einzeichnen. 1 r 2 -P-Diagramm: Abb. B4 Beobachtung: Die Gerade in Abbildung B4 verläuft nicht genau durch den Ursprung. Außerdem knickt die Gerade bei großen Werten auf der horizontalen Achse, also der 1 r 2 -Achse, ab, d. h. bei kleinen r-werten, also bei kleinen Abständen. Mögliche Ursachen für diese Beobachtungen sind: Hintergrundbeleuchtung Ist der Abstand zu gering (hier 25 cm und 30 cm), liefert die Solarzelle nicht die erwartete Leistung. Durch die große Strahlungswärme sinkt die Spannung und damit die Leistung der Solarzelle. Die Abbildung B4 bestätigt die Proportionalität P 1 für größere Abstände. r Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

13 Elektrodynamik: D C.1 Messreihe (Auszug): In der vierten Spalte der Tabelle C1 sind die Lösungen zu Aufgabe C3 notiert und vorerst nicht zu beachten. Tab. C1 U in mv I in ma R in Ω P in W ,04 0, ,10 0, ,77 0, ,79 0, ,11 0, ,43 0, ,4 0, ,5 0, ,0 0, ,6 0, ,5 0, ,3 0, ,6 0, Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 13

14 D Elektrodynamik: C.2 U-I-Diagramm: Abb. C2 Beobachtung: Die Spannung und die Stromstärke sind jeweils begrenzt. Bei einem elektrischen Widerstand gilt: Je größer die angelegte Spannung, desto größer ist auch der Strom durch den Verbraucher. Bei der Solarzelle ist ein entgegengesetztes Verhalten zu beobachten: Die größte Spannung wird gemessen, wenn kein Strom fließt (Leerlaufspannung). Wenn der maximale Strom fließt (Kurzschlussstrom), geht die Spannung gegen null, das ist genau wie bei einer gewöhnlichen Stromquelle. Die Solarzelle ist eine Stromquelle. Eine optimale Solarzelle hält bei zunehmender Spannung die Stromstärke möglichst konstant. Ihre Kennlinie tendiert zu einer rechteckigen Form. Abb. C Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

15 Elektrodynamik: D C.3 Die berechneten Werte sind in der vierten Spalte der Tabelle C1 dargestellt. U-P-Diagramm: Abb. C4 Wenn Strom oder Spannung null sind, ist die elektrische Leistung der Solarzelle null. Bei einer Spannung von ca. 270 mv erreicht diese Solarzelle ihre größte Leistung, den Maximal Power Point. C.4 Die für die Lösung relevanten Werte sind in der dritten und vierten Spalte der Tabelle C1 dargestellt. Rechnerische Lösung: Bei 270 mv erreicht die Leistung ihren maximalen Wert (siehe Abbildung C4). Dort fließt ein Strom von 98 ma, wie man aus Abbildung C2 und Tabelle C1 ablesen kann. Somit ist der Widerstand: U 0,27 V R = = = 2,8Ω I 0,098A 6362 Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 15

16 D Elektrodynamik: Zeichnerische Lösung: Im R-P-Diagramm (siehe Abbildung C5) kann man direkt ablesen, dass die Leistung P bei einem Widerstand R = 2,7 Ω maximal ist. Abb. C Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag

17 Elektrodynamik: D D.1 Messwerttabelle: Tab. D1 Spannung U mv Stromstärke I ma D.2 Bei der Reihenschaltung von Stromquellen addieren sich die Spannungen, während die Stromstärke konstant bleibt. In der Parallelschaltung addieren sich die Stromstärken und die Spannung bleibt konstant. D.3 Werden die Solarzellen in der Reihenschaltung falsch aneinander geschlossen, fließt kein Strom. Die Solarzellen pumpen gegeneinander. Der p-n-übergang kann nur in eine Richtung leiten, in die umgekehrte Richtung sperrt er. Werden die Solarzellen in einer Parallelschaltung falsch aneinander geschlossen, fließt ein Kurzschlussstrom zwischen den Solarzellen. Aber es fließt kein Strom zum Verbraucher. D.4 Messwerte bei einer Reihenschaltung mit 2 Solarzellen: Tab. D2 Spannung U mv Stromstärke I ma , Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen in etwa und die Stromstärke bleibt konstant: Summe der Spannungen von 2 Solarzellen (vergleiche Tabelle D1): 440 mv mv 882 mv Mittelwert der Spannung der Reihenschaltung (siehe Tabelle D2): 1 (821 mv 833 mv) 827 mv 2 + Die Stromstärken bei der Reihenschaltung der 2 Solarzellen und bei der Schaltung mit einer Solarzelle sind ungefähr gleich: 43 ma; 49 ma; 49,2 ma; 52 ma 6362 Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag 17

18 D Elektrodynamik: Messwerte bei einer Parallelschaltung mit 2 Solarzellen: Tab. D3 Spannung U mv Stromstärke I ma , ,5 Bei der Parallelschaltung addieren sich die Stromstärke in etwa und die Spannung bleibt konstant: Summe der Stromstärken von 2 Solarzellen (vergleiche Tabelle D1): 43 ma + 49 ma 92 ma Mittelwert der Stromstärke der Parallelschaltung: 1 (79,8 ma 87,5 ma) 83,7 ma 2 + Die Spannungen bei der Parallelschaltung der 2 Solarzellen und bei der Schaltung mit einer Solarzelle sind ungefähr gleich: 442 mv; 440 mv; 415 mv; 423 mv Systematisch bleiben die gemessenen Werte bei 2 Solarzellen jeweils unter den theoretisch zu erwartenden Werten. Ein Grund ist sicherlich, dass die gleichmäßige Bestrahlung zweier nebeneinander stehender Zellen nicht optimal gelingt. D.5 Wird eine Solarzelle abgedeckt, kann durch diese Solarzelle kein Strom fließen. In n erfolgt die elektrische Leitung mit Elektronen und Löchern. Diese Elektronen-Löcher-Paare entstehen nur durch Photoneneinfall. Ohne Licht sind Solarzellen Isolatoren. In der Reihenschaltung fließt somit kein Strom, in der Parallelschaltung nur der Strom der nicht abgedeckten Schaltung. Bei nicht vollständiger Abdeckung ist jeweils eine Abschwächung zu beobachten Unterrichts-Materialien Physik Stark Verlag