Speicherung der elektrischen Energie einer Solarzelle mit einem Kondensator

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1 Speicherung der elektrischen Energie ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, Kondensator, Speicherung, Sättigungsfunktion Prinzip Elektrische Energie lässt sich mit Hilfe von Kondensatoren speichern. In diesem Versuch wird zuerst gezeigt, wie sich eine Anlage aus Solarzelle und Motor durch Einbau eines Kondensators verändert. In einem zweiten Versuchsteil wird dann gemessen, wie sich unterschiedliche Ladezeiten auf die Laufdauer des Motors auswirken. Material *2 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *2 Leitungsbaustein, t-förmig, DB *2 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Umschalter, DB *1 Motor mit Scheibe, 5 V, DB *1 Solarbatterie *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel Kondensator, 1 F, DB Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E27, Reflektor, Halterung 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, rot Verbindungsleitung, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 250 mm, gelb Verbindungsleitung, 500 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau qualitativ P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Speicherung der elektrischen Energie Hinweis Bei großer Hitze sinkt die Leistung der Solarzelle. Die Lampe muss deshalb nach jeder Messung sofort ausgeschaltet werden. Der Kondensator ist so an die Spannungsquelle angeschlossen, dass die Stromstärke beim Aufladen positiv und beim Entladen negativ ist. Die Cobra4 Sensor-Unit Energy gibt die Werte für elektrische Leistung und elektrische Arbeit immer mit positivem Vorzeichen an. 1. Qualitativer Versuch Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen, jedoch zuerst ohne den Kondensator. - Auf die Polung des Motors achten. - Über der Solarbatterie an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen und die Lampe haltern (Abb. 2). - Der Abstand zwischen der Mitte der Solarbatterie und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. - Die Lampe ist ausgeschaltet. Abb. 2: Aufbau Lampe Durchführung - Die Lampe einschalten. - Nach einiger Zeit die Lampe ausschalten und dabei den Motor beobachten. - Den Kondensator wie in Abb. 1 einfügen. - Den Versuch wiederholen und dabei den Motor beobachten. Beobachtung Beim ersten Versuchsdurchgang ohne Kondensator stoppt der Motor sehr kurz nachdem die Lampe ausgeschaltet wurde. Beim zweiten Versuchsdurchgang mit Kondensator rotiert der Motor etwas langsamer. Wenn die Lampe ausgeschaltet wird, dann wird der Motor langsamer, läuft aber mehrere Sekunden lang nach. Auswertung Wenn die Solarbatterie nicht bestrahlt wird, dann fließt kein Strom. Folglich bleibt der Motor relativ schnell stehen. Ist ein Kondensator eingebaut, so besteht eine Parallelschaltung zwischen Kondensator und Motor, wodurch der Strom auf beide Bauteile aufgeteilt wird. Dadurch läuft der Motor etwas langsamer. Weiter wird beim Kondensator ein Spannung aufgebaut, solange die Lampe leuchtet. Wird die Lampe ausgeschaltet, so entlädt sich der Kondensator wieder und speist den Motor, weshalb er länger nachläuft, obwohl die Solarbatterie nicht mehr beleuchtet wird. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Speicherung der elektrischen Energie ENT 2. Quantitativer Versuch Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 3 aufbauen und dabei auf Folgendes achten: o Die Polung des Kondensators. o Der Umschalter schließt den Stromkreis des Motors. o Der rote Stecker soll in die ma -Buchse an der Cobra4 Sensor-Unit Energy gesteckt werden. 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. - Experiment ENT laden (Experiment>Experiment öffnen> ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 4). - Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten. Abb. 3: Versuchsaufbau mit Umschalter P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Speicherung der elektrischen Energie - Den Schalter umlegen (Kondensator aufladen) und gleichzeitig die Messwertaufnahme in measure starten. - Nach 30 Sekunden die Messwertaufnahme in measure beenden und gleichzeitig die Lampe ausschalten. - Direkt im Anschluss eine Wiederholungsmessung durchführen. - Die Lampe bleibt aus. - Beim Start der Messwertaufnahme in measure den Schalter umlegen (Kondensator entladen). - Den Motor beobachten. - Messwertaufnahme in measure beenden, wenn der Motor stoppt. - Alle Messungen in das measure Hauptprogram übertragen. - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. - Den Versuch mit einer Ladezeit des Kondensators von 60 Sekunden und anschließend auch mit 120 Sekunden wiederholen. Beobachtung Bei längerer Ladezeit läuft der Motor länger. Die jeweils zweite Kurve (entladen) verläuft deutlich flacher als die erste (laden). Abb. 4: Messwerterfassung Ladezeit 30 s 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Speicherung der elektrischen Energie ENT Auswertung Mit Hilfe der Funktion Vermessen, lassen sich folgende Werte ermitteln: Ladezeit 30 s 60 s 120 s Laufzeit 49 s 73 s 86 s Elektrische Arbeit (laden) 2,4 Ws 3,3 Ws 3,7 Ws Elektrische Arbeit (entladen) 0,4 Ws 0,7 Ws 0,9 Ws Das Verhältnis zwischen Laufzeit des Motors und Ladezeit des Kondensators wird schlechter, je länger der Kondensator geladen wird. Auf- und Entladekurve zeigen den für einen Kondensator typischen Verlauf einer Sättigungsfunktion (Exponentialfunktion). Bei einer Verlängerung der Ladezeit um z. B. 30 s wird daher nicht mehr so viel Energie zusätzlich gespeichert wie in den ersten 30 s. Die elektrische Arbeit ist beim Entladen deutlich geringer als beim Laden des Kondensators. Dies liegt daran, dass ein Kondensator relativ große Verluste aufweist, z. B. durch natürliche Entladung. Auch durch den Motor treten Verluste in Form von Reibung auf. Anwendung Kondensatoren eignen sich nicht nur zum Speichern von Energie, sondern sie können auch Schwankungen im Stromnetz abfangen. So wie im ersten Versuchsteil zu sehen werden zum Beispiel abrupte Spannungsausfälle durch den Kondensator kompensiert und zu einem langsamen sinken der Spannung überführt. Diese Speichermöglichkeit ist deshalb für die Solartechnik interessant, wenn Wetterbedingte Schwankungen ausgeglichen werden müssen. Abb. 5: Messauswertung Ladezeit 120 s P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Speicherung der elektrischen Energie Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 2.11 Speicherung der elektrischen Energie einer Solarzelle mit einem Kondensator (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P