Facharbeit im Grundkurs Physik

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1 ! Pius-Gymnasium, Aachen!!!!!! Schuljahr 2009/2010 Jahrgangsstufe 12 Facharbeit im Grundkurs Physik Grundlagen der Fotovoltaik und Messungen an einer Solarzelle zur technischen und physikalischen Erläuterung der Lichtbox Verfasser: Kursleiter: Herr Janßen!

2 ! Grundlagen der Fotovoltaik und Messungen an einer Solarzelle zur technischen und physikalischen Erläuterung der Lichtbox 1. Einleitung 3 2. Theoretische Grundlagen: Hintergrundwissen Thema Licht Die Solarzelle Halbleiter Der PN-Übergang Zusammenhang zwischen Solarzelle und Halbleiter/pn-Übergang Funktionsweise eines Akkumulators (Blei-Gel-Akku) Versuche zum Verhalten einer Solarzelle Versuchsaufbau Versuch 1: Eichung des verwendeten Versuchsaufbaus Versuch 2: Messung der Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Winkel der Lichteinstrahlung Versuch 3: Das Verhalten der Solarzelle beim Laden eines Akkumulators Kurze Zusammenfassung der Versuchsergebnisse Ergebnisse und Folgerungen zum praktischen Einsatz der Lichtbox Quellen Anhang Auswertetabellen und Diagramme zu Versuch Auswertetabelle zu Versuch Auswertetabelle und Diagramm zu Versuch Messprotokolle 29!

3 1. Einleitung In Ghana leben über die Hälfte der Menschen auf dem Land, das sind rund 13 Millionen Menschen, die bei Krankheiten oder Geburten erst in benachbarte Dorf fahren müssen. Trotz vieler Bemühungen des ghanischen Staates ist die derzeitige medizinische Versorgung schlecht. Es fehlt den betroffenen Krankenhäusern und Krankenstationen sowohl an Personal, Medikamenten und Wasser als auch an Energie. Um das Energieproblem zu verbessern, wurde das Projekt Lichtbox ins Leben gerufen. Der Name Lichtbox bedeutet zum einen, dass damit eine Energiebox gemeint ist, mit der man Licht erzeugen kann, zum anderen ist damit gemeint, dass die Energie bzw. Elektrizität durch Licht erzeugt wird. Das Projekt soll die Energiesituation kleinerer Krankenstationen verbessern, damit das Personal vor Ort, sowohl Licht in der Nacht, als auch eine Möglichkeit hat, zum Beispiel ein Mobiltelefon aufzuladen, oder einen Kühlschrank für Medikamente zu betreiben. Speziell um dieses Problem zu lösen, hat die Firma Energiebau Solarstromsysteme aus Köln die so genannte Solar-Licht-Box entwickelt. Bestehen tut diese aus 2 Solarmodulen a 100 Watt, einer Metallbox, einer wartungsfreien Blei-Gel-Batterie und 6 Energiesparlampen (Leuchtstoffröhren und LED-Lampen). Die Solarbox wird tagsüber aufgeladen und kann in der Nacht Strom liefern, um z.b. einen Behandlungsraum für Geburten zu beleuchten. Eine solche Solarbox braucht keine fossilen Brennstoffe (die ständige Kosten verursachen würden) wie ein Generator, der auch noch häufig gewartet werden müsste. 1 In dieser Facharbeit werde ich mich zum größten Teil mit dem Thema der Fotovoltaik beschäftigen, durch welche die Solarzelle die Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandelt. Hierzu werde ich zwei Versuche machen, um die Wirkungsweise der Solarzelle näher zu erläutern. Auch werde ich kurz auf die Speicherung der Energie bzw. die Funktionsweise einer Batterie eingehen. Um das Zusammenwirken dieser beiden Faktoren besser zu ver

4 deutlichen werde ich auch dazu einen Versuch machen. Zum Schluss werde ich kurz die praktischen Auswirkungen auf die Lichtbox beschreiben. Dieses Thema habe ich aus verschiedenen Gründen ausgesucht. Zum einen wurde in den letzten Jahren viel über Energieprobleme diskutiert, was mich dazu gebracht hat, mich auch so mit alternativer Energiegewinnung - also auch mit Solarzellen - zu beschäftigen. Zum anderen arbeiten meine Eltern bei der Kinderhilfsorganisation das Kindermissionswerk Die Sternsinger, welches das Projekt Lichtbox fördert, ich davon gehört habe und die Idee, die dahinter steht, sehr gut finde. 4

5 2. Theoretische Grundlagen:! 2.1. Hintergrundwissen Thema Licht Um Licht in Strom umzuwandeln wurde bereist 1893 die erste Solarzelle aus Selen gebaut. Hier stellt sich die Frage, wieso überhaupt aus Licht Energie gewonnen werden kann. Im 17. Jahrhundert standen sich zwei Meinungen gegenüber, zum einen Huygens Theorie, dass Licht aus einer Welle besteht. Diese Theorie konnte er aber nicht beweisen. Zum anderen Newtons Korpuskeltheorie, welche besagt, dass Licht aus kleinen Teilchen bestehen muss bewies der Physiker Thomas Young experimentell, dass Licht aus einer Welle besteht entwickelte Albert Einstein den so genannten Welle-Teilchen-Dualismus. Der Welle-Teilchen-Dualismus besagt, dass Objekte aus der Quantenwelt sich in manchen Fällen nur als Wellen, in anderen als Teilchen beschreiben lassen 2. Somit brachte er beide Theorien in Einklang und zeigte ausserdem, dass Newtons Theorie auch nicht falsch war, da die so genannten Photonen ( Lichtteilchen ) teilweise Eigenschaften von Teilchen annehmen können. Dies war der Einstieg in die Quantenmechanik, welche bei dem Thema Solarzellen eine wesentliche Rolle spielt Die Solarzelle Die erste Solarzelle wurde 1954 von den Bell Laboratorien in den USA entwickelt. Sie diente zur Energieversorgung Satelliten im Weltraum. Heut zu Tage sind Photovoltaikmodule für Satelliten und Raumstationen unentbehrlich und sind ihre Standard Energieversorgungsquelle. 4 Solarzellen werden heut fast ausschließlich aus Halbleitern hergestellt, wobei auch andere Materialien, wie z.b. polymere Verbindungen, organische Farbstoffe und Elektrolyt- Halbleiter- Kontakte möglich wären. Die meisten vgl. Berkeley Physik Kurs 4 Quantenphysik - Vieweg vgl. 5

6 Materialien sind derzeit noch nicht ausreichend untersucht und führen teilweise bei der Verwendung bei Solarzellen zu einem Wirkungsgrad von unter 10%., Halbleiter Als Werkstoffe für Halbleiter werden oft E- lemente wie z.b. Silizium, Germanium oder Selen, oder auch chemische Verbindungen wie z.b. Galliumarsenid oder Cadiumsulfid, benutzt. Die Leitfähigkeit dieser Stoffe liegt zwischen der der Metalle und der der Isolatoren (Nichtleiter), wobei sie durch die Anzahl der freien Elektronen bestimmt wird. 6 Abbildung 1 D.h. desto mehr freie Elektronen ein Halbleiter besitzt, desto besser leitet dieser. Die Elektronen selber stammen aus der äußersten Schale der Atome und werden Bindungselektronen (Valenzelektronen) genannt, da sie Bindungen zu Nachbaratomen herstellen können. (Abbildung 1) 7 Die Struktur der Atome in einem Halbleiterwerkstoffe ist sehr regelmäßig. Die Atome von Silizium oder Gallium wären bei der absoluten Nullpunkttemperatur durch ihre Bindungselektronen fest verbunden. Bei einer Abbildung 2 Energiezufuhr, welche durch Licht oder Wärme entstehen kann, fangen sich die Atome an zu bewegen bzw. zu schwingen. Ist somit mehr Energie durch das Schwingen ausgelöst worden, als die Energie die für die Bindung der Elektronen zum Atom nötig ist, so werden diese aus ihrer festen Struktur gelöst und fliegen dann als freie Elektronen

7 durch den Raum. Dort wo ein Elektron verschwindet, entsteht ein Loch oder auch genannt Defektelektron mit einer positiven Ladung (Abbildung 2) 8. Wenn sich ein Elektron in ein Loch setzt, so wird die elektrische Ladung an dieser Stelle wieder neutral. Diesen Vorgang bezeichnet man dann als Rekombination. Wenn nun eine Spannung an den Halbleiterkristall angelegt wird, so fließen die negative geladenen freien Elektronen zum Pluspol, und die Defektelektronen fließen zum Minuspol. Defektelektronen sind zwar keine Teilchen, jedoch werden Elektronen vom Pluspol, sowie vom Defektelektron angezogen. Dadurch springen Elektronen die zwischen Minuspol und Defektelektron liegen in das Loch. Durch diesen Prozess erhalten die Löcher die Eigenschaften eines positiven Körpers und können dadurch fließen. Da, wie schon oben gesagt, die Leitfähigkeit der Stoffe von der Anzahl der freien Elektronen abhängt, hat man bei Halbleitern einen Abbildung 3 Trick angewandt, damit die Leitfähigkeit erhöht wird. Stoffe wie Silizium und Germanium besitzen jeweils vier Bindungselektronen. Um mehr freie Elektronen zu bekommen, hat man so genannte Fremdatome in das Kristallgitter eingefügt. Diese speziellen Fremdatome besitzen entweder fünf oder drei Bindungsatome (Abbildung 3) 9. Dadurch gibt es entweder eine Bindungsmöglichkeit zu viel oder zu wenig, was bedeutet, dass ein Elektron einfach gelöst werden kann, bzw. bei leichten Schwingungen frei beweglich wird

8 Der PN-Übergang Der pn-übergang beschreibt eine Grenzschicht zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. In der Mitte dieser beiden also beim pn-übergang entsteht eine Halbleiterdiode, welche nur in einer Richtung durchlässig ist. Durch erhebliche Konzentrationsunterschiede der beiden Seiten entsteht eine sogenannte Ladungsträgerdiffusion. Unter Ladungsträgerdiffusion versteht man den Vorgang, bei dem freie Elektronen durch thermische Bewegung aus der n-dotierten Schicht über das Leitband in die p-dotierte Schicht übergehen und sich dort mit Löchern aus dem p-gebiet rekombinieren. Dies gilt ebenfalls umgekehrt, sodass sich die Löcher aus dem p-gebiet, durch thermische Bewegung, über das so genannte Valenzband, ins n-gebiet wandern und sich dort mit Elektronen rekombinieren. Dabei gilt das nur freie Ladungsträger also Elektronen oder Löcher wandern. Aufgrund dieser Diffusion, reduziert sich damit die Anzahl der Löcher auf der p-seite, sowie die Anzahl der freien Elektronen auf der n-seite. Somit hat sich die p-zone negativ aufgeladen und die n-zone sich positiv aufgeladen. Das dabei entstehende elektrische Feld wird auch Raumladungszone bzw. Diffusionsspannung genannt. Die Diffusionsspannung wirkt entgegengesetzt der Elektronenflussrichtung und verhindert somit einen kompletten Konzentrationsaugleich (Abbildung 4) 10 Zwischen Diffusionsspannung und Bestreben einer weiteren Diffusion stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die Raumladungszone ist nach dem Vorgang fast ohne freie Ladungsträger, wel- Abbildung 4 che sich in größerer Entfernung von der Grenzschicht bei der durch die Dotierung verursachten Ladungsträgerkonzentration befinden. In der Raumladungszone befinden sich dem entsprechend nur noch ortsfeste Raumladungen.(Abbildung 5)

9 Abbildung Zusammenhang zwischen Solarzelle und Halbleiter/pn-Übergang Wenn Licht von der Sonne abgestrahlt wird und auf die Erde trifft, besteht dieses grundsätzlich aus Photonen, masselosen Teilchen. Diese masselosen Teilchen sind praktisch gesehen kleine Energiebündel, welche verschieden Effekte haben, wenn sie auf Atome treffen. Wenn jedoch so ein Photon auf ein Silizium Atom, oder besser gesagt auf ein Elektron in der äußeren Hülle eines Siliziumatoms trifft, wird diesem Elektron Energie verabreicht. Durch diese große Energiezufuhr entfernt es sich weiter vom Atomkern und verändert somit die angestammte Kreisbahn des Atoms. In den meisten Fällen ist die Energie so hoch, dass sich das Elektron aus der Kreisbahn löst und als freies Elektron herumschwirrt. Dabei wird ein Loch hinterlassen, d.h. dem Abbildung 6 Atom fehlt ein Elektron und ist deshalb positiv geladen. Um zu verhindern, dass sich die Elektronen mit einem Loch rekombinieren, baut man in das 9

10 Siliziumgitter Fremdatome ein bzw. dotiert die beiden Siliziumplatten. Dabei ist wichtig, dass z.b. Phosphoratome auf der vorderen, also zum Licht hingewandten Seite eingesetzt werden. Das Element Phosphor hat den Vorteil, dass es ungefähr so groß ist wie Silizium ist, jedoch ein Elektron mehr auf der äußeren Schale besitzt. Durch diese weiteren freien Elektronen erzeugt man eine negative Ladung (den Minuspol) auf der vorderen Platte (Abbildung 6) 12. Wenn nun genügend Licht auf die Solarzelle gefallen ist - also viele freie Elektronen nun in der n-dotierten Schicht sind - kommt es zur Diffusion, es entsteht eine Spannung. Da die Elektronen nicht mehr durch die Diode zurück können, versuchen sie über den Verbraucher zurück in die n-dotierte Schicht zu kommen: 13 Es entsteht der gewünschte Strom Funktionsweise eines Akkumulators (Blei-Gel-Akku) Die Lichtbox verwendet zur Speicherung des Solarstroms Blei-Gel-Akkus. Deshalb soll hier kurz auf die Funktionsweise eines Blei-Gel-Akkus eingegangen werden. Ein Blei Akkumulator, kurz Blei-Akku, ist prinzipiell mit dem Prinzip der Elektrolyse zu erklären. Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Dieser Prozess entsteht beim Laden eines Akku s. Wenn dieser jedoch Energie abgeben soll, wird der Prozess umgekehrt und es entsteht aus elektrischer Energie chemische Energie. Das Prinzip: In eine leitfähige Flüssigkeit wird ein elektrischer Gleichstrom geleitet. Die leitfähige Flüssigkeit besteht in unserem Beispiel aus 38-prozentiger Schwefelsäure, welche durch Zugabe von Kieselsäure gebunden wird. Dieser Gleichstrom lässt ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektronen entstehen. Das elektrische Feld übt auf die positiv geladenen Teilchen und die negativ geladenen Teilchen die jeweils entgegengesetzte Kraft aus. Die A- node bedeutet dann einen Elektronenmangel (+ Pol), die Kathode bedeutet vgl. 10

11 einen Elektronenüberschuss (- Pol). Bei einer Elektrolyse können mit diesem Prinzip Moleküle in ihre Bestandteile zerlegt werden. So kann z.b. durch Elektrolyse H2O (Wasser) getrennt werden in Wasserstoff und Sauerstoff, je nach dem welche elektrischen Ladungszustände die einzelnen E- lemente haben. Bleiakkumulatoren bestehen zunächst an beiden Polen aus Bleisulfat (ungeladener Zustand). Durch das Anlegen eines Gleichstroms wird aus Bleisulfat am Pluspol Bleioxid und am Minuspol Blei hergestellt. Die Flüssigkeit zwischen diesen beiden Elektroden besteht zum Teil aus positiv und negativ geladenen Ionen. Positive Kationen wandern zur Kathode und nehmen dort Elektronen auf, wodurch sie reduziert werden. An der Anode läuft der umgekehrte Prozess ab. Wenn die Elektronen und Ionen sich komplett zu ihren Polen begeben haben, ist der Akku aufgeladen. Zwischen den beiden Polen ist eine Trennschicht, die verhindert dass sich dann wenn die äußere Spannung abgenommen wird, sich - trotz des jetzt vorhandenen elektrischen Feldes - der Akku selbst entladen kann. Einige Daten zum Bleiakku: Eine Bleiakkuzelle hat im geladenen Zustand etwa die Spannung von 2V. Ein 12 V Akku besteht somit aus 6 Zellen. Ein Bleiakku hat einen relativ geringen Innenwiderstand, ist daher sehr hoch belastbar: er kann sehr schnell viel Strom abgeben. 14 Der Energiewirkungsgrad des Bleiakkus (Verhältnis von elektrischer E- nergie bei Entladung zu elektrischer Energie bei Ladung) beträgt ca. 80%. Gelakkus haben gegenüber den Akkus mit flüssiger Säure den Vorteil, dass sie wartungsfrei sind Dem Nachteil des hohen Gewichtes steht der Vorteil des relativ geringen Preises gegenüber Die beiden letzten Punkte sind für eine Lichtbox besonders wichtig

12 3. Versuche zum Verhalten einer Solarzelle Im Folgenden möchte ich drei Versuche beschreiben, die ich zum besseren Verstehen einer Solarzelle und dem für die Lichtbox wichtigen Zusammenspiel einer Solarzelle mit einer Batterie (Akkumulator) durchgeführt habe: Versuch 1: Eichung der verwendeten Solarzelle bezogen auf die Leistung bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärken Versuch 2: Messung der Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Winkel der Lichteinstrahlung Versuch 3: Das Verhalten der Solarzelle beim Laden eines Akkumulators Vorher beschreibe ich den dafür notwendigen Versuchsaufbau 3.1. Versuchsaufbau Abbildung 7 zeigt den Versuchsaufbau. Ein Schlitten ermöglicht es, die Solarzelle in ihrem Abstand zur Lichtquelle kontinuierlich zu verändern bei konstantem Winkel zur Lichtquelle. Die Solarzelle ist so gelagert, dass man den Winkel zur Lichtquelle verstellen kann. Der Winkel der Solarzelle zur Lichtquelle wird über ein angehaltenes Geodreieck mit Winkelteilung abgelesen und eingestellt. Über ein festes Metermaß kann der Abstand zur Lichtquelle abgelesen werden. An die Solarzelle ist ein Spannungsmessgerät angeschlossen und in den Stromkreis mit einem Verbraucher ist ein Strommessgerät eingebaut. Als Verbraucher ist wahlweise ein kleiner Elektromotor angeschlossen oder ein fester Widerstand. Zur Erzeugung von annähernd parallelem Licht kann eine Lupe zwischen Lichtquelle und Solarzelle gehalten werden. Die Lichtquelle, eine 12 V, 50 Watt Halogenbirne, ist über einen Trafo an das 220 Volt Netz angeschlossen. Das Schaltbild ist in Abbildung 8 dargestellt. 12

13 Halogenbirne Solarzelle Schlitten Messstab Trafo Verbraucher (Elektromotor) Spannungsmessgerät Strommessgerät Abbildung 7: Versuchsaufbau Abbildung 8: Schaltbild 13

14 3.2. Versuch 1: Eichung des verwendeten Versuchsaufbaus Die Solarzelle (Abbildung 9) entstammt einem Kosmos-Experimentierkasten, mit dem man kleine solargetriebene Fahrzeuge bauen kann. Über sie gibt es leider keine weiteren Daten. Sie hat die Abmessungen ca. 3 cm * 6 cm und ist in einem praktischen Kunstoffgehäuse mit einer dazugehörenden Fassung eingebaut, dass eine Winkelverstellbarkeit ermöglicht. Um Daten über die Solarzelle zu erhalten, die für die weiteren beiden Versuche wichtig sind, habe ich zunächst eine Messung durchgeführt, in dem der Abstand zur Lichtquelle jeweils verändert wurde. Gemessen habe ich dabei die Spannung U [V] und die Stromstärke I [ma] mit dem kleinen Elektromotor (Messprotokoll 1 und Auswertetabelle 1 im Anhang), so wie in Abbildung 8 dargestellt. Die elektrische Leistung der Solarzelle ist P = U * I. Es zeigt sich erwartungsgemäß, dass Abbildung 9: Solarzelle die Leistung der Solarzelle mit kürzerem Abstand - also höherer Beleuchtungsintensität - steigt. Ab einer bestimmten Leistung der Solarzelle (Messwert 6) beginnt der Motor sich zu drehen. Abbildung 10 zeigt die Leistungskurve in Abhängigkeit vom Abstand der Solarzelle zur Lichtquelle. Aus der Leistungskurve kann man erkennen, dass sich die Leistung der Solarzelle während der Messung ab Messpunkt 6 stark ändert. Dies kann nur passieren, wenn der Motor, sobald er dreht, seinen Widerstand ändert, und damit die elektrischen Bedingungen für die Solarzelle sich ändern. Um konstante Verhältnisse zur Messung mit der Solarzelle zu erhalten, ist es deswegen besser einen festen Widerstand zu verwenden. Aus der Formel R = U / I kann man abschätzen, welcher Widerstand für die Messung sinnvoll ist. Der 14

15 Abbildung 10: Leistungskurve der Solarzelle mit einem Elektromotor Motor hatte im Messpunkt 7 (siehe Anhang) einen Widerstand von 88 Ohm. Ich habe für die weiteren Messungen einen festen Widerstand von ca. 150 Ohm verwendet, der genügend Energie (Wärme) aufnehmen kann ohne seinen Wert zu verändern. Die Messungen habe ich nun mit einem festen Widerstand von 150 Ohm wiederholt. Die Messwerte sind im Messprotokoll 2 (siehe Anhang) zu finden. In Abbildung 11 habe ich die Messwerte in ein Diagramm eingetragen und eine Ausgleichskurve gezeichnet. Wie man erkennen kann zeigt die Kurve bis zum Messwert 6 einen gleichmäßigen Verlauf. Der Messpunkt 7 zeigt eine zu geringe Leistung, was auf ein Sättigungsverhalten der Solarzelle zurückgeführt werden kann. 15

16 Abbildung 11: Leistungskurve (Eichkurve) der Solarzelle mit einem festen Widerstand (R = 150 Ohm) Aus diesem Diagramm können nun beliebige im Messbereich ( von ca. 2 mw bis ca 5 mw) liegende Leistungen der Solarzelle in Abhängigkeit vom Abstand abgelesen werden Versuch 2: Messung der Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Winkel der Lichteinstrahlung Je nach Winkel zur Lichteinstrahlung verändert die Solarzelle ihre Leistung. Im folgenden Versuchsaufbau (Abbildung 12) wird dieser Zusammenhang gemessen. Hierzu wird mit Hilfe einer Lupe (Brennweite f = 12 cm) das Licht der Halogenlampe zu annähernd parallelem Licht gemacht, indem die Lupe so positioniert wird, dass die Halogenlampe mit ihrem Glühfaden in dem Brennpunkt der Lupe ist. Das parallele Licht ist deswegen wichtig, um bei der Winkelmessung möglichst gleichmäßige Bedingungen der Beleuchtung der Solarzelle zu erzeugen. 16

17 Abbildung 12: Schaltbild zum Versuch 2 Bei der Messung, die bei Tageslicht durchgeführt wurde (Messprotokoll 3, siehe Anhang) zeigte sich, dass die Beleuchtung der Solarzelle im Messraum durch Fenster etc. beeinflusst wurde. Deshalb habe ich jeweils die Messwerte mit Beleuchtung durch die Halogenlampe aufgenommen und ohne Halogenlampe. Hieraus ergab sich die Leistung der Solarzelle mit Halogenlampe und ohne Halogenlampe (P = U * I). Die bereinigte Leistung ist dann die Differenz dieser Leistungen und ist die Grundlage für das Diagramm in Abbildung 13. Aus technischen Gründen konnte ich nur bis zu einem Winkel von 50 Grad messen. Abbildung 14 zeigt, dass sich die wirksame Fläche der gedrehten Solarzelle nach der Beziehung a = c * sin! verhält (mit a = Gegenkathete, und c = Hypotenuse). In das Diagramm in Abbildung 13 habe ich deshalb zusätzlich die danach berechneten Werte eingetragen. Die gemessenen Werte stimmen gut mit den berechneten Werten überein. Die zugehörige Tabelle mit den gemessenen und berechneten Werten befindet sich im Anhang (Auswerteprotokoll 3) 17

18 Abbildung 13: Diagramm zur Winkelabhängigkeit einer Solarzelle Abbildung 14: Veranschaulichung zur Winkelabhängigkeit 18

19 3.4. Versuch 3: Das Verhalten der Solarzelle beim Laden eines Akkumulators Wird ein Akkumulator geladen, so muss die Ladespannung höher sein, als die Restspannung im Akkumulator, da erst dann ein Ladestrom in den Akkumulator fließen kann. Bei der Solarzelle ist, wie im Versuch 1 dargestellt, die Spannung und der Strom von dem Widerstand des angeschlossenen Verbrauchers abhängig und von der auf die Solarzelle treffenden Intensität des Lichtes etc.. Die Intensität des Lichtes wird in dem hier verwendeten Versuchsaufbau durch den Abstand zur Punktlichtquelle verändert. Der Abstand ist allerdings, wie die Messkurve in Versuch 1 (Abbildung 11) zeigt, nicht direkt proportional zur auftreffenden Lichtintensität bzw. zur Leistung der Solarzelle - die Kurve in Abbildung 11 müsste sonst eine Gerade sein. In dem verwendeten Versuchsaufbau - er ist bei dieser Messung der gleiche, wie in Versuch 1 - bietet der Abstand aber die Möglichkeit, die Intensität der Lichteinstrahlung, die auf die Solarzelle trifft zu verändern. In diesem Versuch werden deshalb die Spannung bzw. der Strom beim Laden des Akkumulators in verschiedenen Abständen der Solarzelle zur Lichtquelle (also auch verschiedenen Lichtintensitäten) gemessen und in das Diagramm Abbildung 15 eingetragen. Die Messwerte sind - wie bei den beiden anderen Versuchen auch - im Anhang zu finden. Als Akkumulator wird ein handelsüblicher Nickel-Metallhybrid-Akku mit einer Kapazität von 800 mah verwendet. Bei der Lichtbox werden aus Kosten- und Leistungsgründen Blei-Gel-Akkus verwendet. Sie gibt es allerdings nicht in kleinen Größen, so dass ich keinen Blei-Gel-Akku verwenden konnte. Der Akku wird anstelle des Widerstandes in den Versuchsaufbau Abbildung 8 eingebaut. Die gleiche Polung des Akkus und der Solarzelle sind dabei wichtig! 19

20 Wie aus dem Diagramm Abbildung 15 (links vom ersten grünen Strich) zu erkennen ist, wird bei geringer Leistung der Solarzelle zunächst ein negativer Strom gemessen. Die Spannung der Solarzelle liegt hier unter dem Wert des Akkus. Das bedeutet, dass in diesem Fall der Akku sogar entladen würde. Ladezone des Akkus Abbildung 15: Strom- und Spannungsverhalten der Solarzelle beim Laden eines Akkumulators Bei hoher Leistung der Solarzelle ist der Strom positiv, das heißt es fließt Strom in den Akku: Jetzt wird der Akku geladen. Dabei liegt die von der Solarzelle erzeugte Ladespannung über dem Wert der eigentlichen Spannung des Akkus. Da der Akku je nach Ladezustand unterschiedliche Spannungen aufweisen kann, kann für den Beginn der Ladung kein fester Spannungswert angegeben werden. Er richtet sich somit nach dem Ladezustand des Akkus. Zwischen den beiden grünen Strichen in Abbildung 15 hat sich ein kleiner Übergangsbereich gebildet. Die Messung zeigt mit den hier verwendeten Geräten praktisch keinen Stromfluss, aber eine hohe Spannungsdifferenz. 20

21 3.5. Kurze Zusammenfassung der Versuchsergebnisse Der Versuch 2 hat gezeigt, dass die Solarzelle in einem bestimmten Winkelbereich zur Lichtquelle (Sonne) nur geringe Leistungsverluste aufweist. Wird der Winkel zur Lichtquelle (Sonne) bei senkrechtem Lichteinfall mit 90 Grad angenommen, so hat eine Solarzelle immerhin bei einer Veränderung des Winkels um 30 Grad noch 87 % der Leistung. In diesem Fall verändert sich die Leistung der Solarzelle mit dem Sinus des Winkels. Für die Aufstellung einer Solarzelle ist es wichtig, einen möglichst senkrechte Ausrichtung zu haben, damit die Sonne in vielen Stunden möglichst wirksam bleibt. Ab einem Winkel von 30 Grad und niedriger allerdings, sinkt die Leistung der Solarzelle sehr schnell von 50% bis auf 0% ab. Der Versuch 3 zeigt, dass im praktischen Betrieb für die Ladung einer Batterie durch eine Solarzelle eine Elektronik notwendig ist. Zumindest ist eine Diode notwendig, um den negativen Stromfluss bei einer zu niedrigen Spannung der Solarzelle beim Laden zu verhindern. Dies würde sonst bei einer Lichtbox vermutlich die gesamte Nacht sowie die Morgen- und A- bendstunden wie auch die Schlecht-Wetter-Perioden der Fall sein. Deshalb besitzt die Lichtbox eine Elektronik, die auch noch die maximale Spannung der Solarzelle regelt. Steigt die Spannung der Solarzelle nämlich über einen bestimmten Wert, kann der angeschlossene Akkumulator Schaden nehmen. 21

22 4. Ergebnisse und Folgerungen zum praktischen Einsatz der Lichtbox Um eine Solarzelle mit einem Akku praktisch z.b. in Ländern Afrikas zu verwenden, braucht es einer einfachen und wenig anfälligen Technik. Bei der Solarbox ist deshalb die gesamte Technik (Akkumulator und Elektronik) in einer geschlossenen stabilen Box untergebracht. Sie kann man einfach in einen Raum stellen und Lampen oder einen Kühlschrank betreiben. Abbildung 16 zeigt eine Lichtbox mit Lampen, Kabeln und zwei Solarzellen. Abbildung 16: Lichtbox mit Zubehör Die Solarzelle muss allerdings zur Sonne ausgerichtet werden und darf nicht durch Bäume etc. abgeschattet werden. In Ghana, welches in der Nähe des Äquators liegt, ist dies relativ einfach, da die Sonne zweimal im Jahr mittags absolut senkrecht steht und die Solarzelle damit z.b. einfach auf ein Flachdach montiert oder gelegt werden könnte. 22

23 Im schlechtesten Fall hat die Sonne mittags dort einen Winkel von 90 Grad - 23,5 Grad = 66,5 Grad, was noch 91,7 % der Leistung einer Solarzelle, wie sie in meinen Versuchen verwendet wurde, entsprechen würde. Da auch während der Regenzeit in Ghana tagsüber trotz starker Niederschläge mehrere Sonnenstunden vorhanden sind, kann bei richtiger Dimensionierung der Akkus und der Solarzellen eine ausreichende Stromversorgung leicht gewährleistet werden. Unter diesen Bedingungen ist eine Lichtbox meines Erachtens die beste Lösung zur Energieversorgung einer kleinen Geburten- oder Krankenstation, die nicht an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen werden kann. Ein Generator wäre wesentlich aufwändiger, anfälliger und bräuchte teuren Treibstoff, der noch beschafft und bevorratet werden müsste. Da ein Generator Treibstoff verwendet, der in zunehmenden Masse auch aus Pflanzen hergestellt wird und deshalb auch mittlerweile in Konkurrenz zur Erzeugung von Nahrungsmitteln steht, ist auch aus diesem Grund eine starke Nutzung der Solartechnik in Ländern wie Ghana wünschenswert. Die Solarbox verwendet, da sie auch Nachts funktionieren soll, Akkus zum Speichern des Stroms. Ein Gelakku hat aber eine begrenzte Lebensdauer von höchstens 6-8 Jahren. Dann wäre ein Austausch wieder notwendig. Für Kühlschränke etc. sollte deshalb überlegt werden, ob hier nicht Solarzellen ohne Batterien spezielle Kühlschränke direkt betreiben könnten, die u.a. gut isoliert sind und deswegen die Strompausen selbst überbrücken könnten. Diese Solaranlagen wären billiger, noch umweltfreundlicher (da keine Batterie) und langlebiger. Mir hat die Beschäftigung mit diesem Thema viel Spaß gemacht, und ich würde mir wünschen, dass möglichst bald viele kleine Krankenstationen in Ghana und anderen Ländern mit ähnlichen Bedingungen mit Solarboxen ausgestattet werden können. 23

24 Erklärung: Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe.insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht habe. 5. Quellen Berkeley Physik Kurs 4 Quantenphysik Verlag:Vieweg inersolarzelle/index.html

25 6. Anhang 6.1. Auswertetabellen und Diagramme zu Versuch 1 25

26 26

27 6.2. Auswertetabelle zu Versuch 2 27

28 6.3. Auswertetabelle und Diagramm zu Versuch 3 28

29 6.4 Messprotokolle 29

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