Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle

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1 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle ENT Schlüsselworte Solarzelle, Kennlinie, Spannung, Stromstärke, Leistung, Widerstand, Innenwiderstand, Anpassung Prinzip Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beschreibt ihr Verhalten bei Belastung. Die Ausgangleistung der Solarzelle ist maximal, wenn ihr Innenwiderstand so groß ist wie der äußere Widerstand. Zur Aufnahme der Kennlinie wird eine Widerstandsdekade an die Solarzelle angeschlossen. Sie besitzt 12 Schalterstellungen, mit verschiedenen Widerständen (auch Kurzschluss und offen), deren Werte so ausgewählt wurden, dass der Verlauf der Kennlinie gut dargestellt werden kann. Mit Hilfe der Cobra4 Sensor-Unit Energy werden Spannung, Stromstärke und Leistung gemessen. Material *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Anschlussbaustein, DB *1 Solarzelle, DB Widerstandsdekade, DB *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E27, Reflektor, Halter Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Cobra4, mag **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 500 mm, blau Verbindungs.eitung, 500 mm, gelb PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle Hinweis Werden Spannung und Stromstärke in einem Stromkreis gleichzeitig gemessen, dann kann die Anordnung von Voltmeter und Amperemeter im Stromkreis für die Genauigkeit der Messung wichtig sein. Wenn bei der Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie die Spannung nicht direkt an der Spannungsquelle gemessen wird, sollte der Innerwiderstand des Amperemeters sehr klein sein. Da der Innenwiderstand der Solarzelle selbst klein ist (ca. 2 Ω), muss beim Anschluss der Solarzelle an den Eingang der Cobra4 Sensor-Unit Energy unbedingt der A -Messbereich verwendet wird, der einen sehr kleinen Innenwiderstand von 32 mω hat. Aufbau - Auf der rechten Tafelhälfte nach Abb. 1 den Stromkreis mit der Widerstandsdekade aufbauen und an den Ausgang der Cobra4 Sensor-Unit Energy anschließen. - Links davon, in etwas größerem Abstand, die Solarzelle mit zwei Anschlussbausteinen setzen. - Solarzelle mit dem Eingang der Sensor-Unit Energy verbinden. Darauf achten, dass der positive Pol der Solarzelle mit der A -Buchse der Sensor Unit verbunden wird. - Über der Solarzelle, an der oberen Kante der Demo-Tafel, die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen (siehe Abb. 2). Abb. 2: - Am Ende der Stativstange die Reflektorlampe befestigen und auf die Solarzelle richten. Der Abstand soll etwa 40 cm betragen. Aufbau Lampe Abb. 3: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle ENT 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 laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). - Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss). - Lampe einschalten und so auf die Solarzelle ausrichten, dass die Stromstärke in dieser Stellung (Kurzschlussstromstärke) ca. 180 ma beträgt. - Messwertaufnahme in measure starten. - Einzelmessung durchführen. - Weitere Einzelmessungen zügig nacheinander (nur jeweils ca. 1 s warten) in den weiteren Schalterstellung bis einschließlich durchführen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. - Lampe ausschalten. - Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss). - Lampenstellung verändern und die Strom-Spannungs-Kennlinie für eine Kurzschlussstromstärke von ca. 140 ma messen. Beobachtung Die beiden gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzelle zeigen jeweils einen charakteristischen Verlauf: Bei kleinen Spannungen (kleinen Widerstandswerten) sinkt die Stromstärke nur wenig, erst wenn die maximale Spannung (Leerlaufspannung, Stellung ) fast erreicht ist, fällt die Kurve stark ab. Wie der gleichzeitig gemessene Verlauf der Leistung zeigt, erreicht die Leistung ungefähr in diesem Eckpunkt der Strom-Spannungs-Kennlinie ihr Maximum. Ist die Lichtintensität kleiner sind auch Kurzschlussstromstärke und Leistung kleiner. Die Leerlaufspannung nimmt nur geringfügig ab. Auswertung Nach der Übertragung der Messwerte in das measure Hautprogramm wird die Auswertung im Multigraph-Diagramm durchgeführt, in dem Stromstärke I und Leistung P über der Spannung U dargestellt sind. Durch Anklicken der Symbole "I" und P mit der rechten Maustaste kann auf der linken Seiten des Diagramms die skalierte Achse für die Leistung P gezeichnet werden und auf der rechten Seite die skalierte Achse für die Stromstärke I. Aus der Leistungskennlinie einer Spannungsquelle lässt sich ihr Innenwiderstand R i bestimmen, er ist so groß wie der äußere Widerstand im Maximum der Kurve. Liegt ein Messwert direkt auf dem Maximum der Leistungskennlinie, dann lässt sich der Widerstand direkt aus der Schalterstellung ablesen. Im allgemeinen Fall wird aus der Leistungskennlinie mit Hilfe der Funktion Regression und zwei P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle Regressionsgraden das Maximum der Leistung bestimmt, um an dieser Stelle die Spannung U abzulesen (Abb. 4). Anschließend wird zu dieser Spannung mit Hilfe der Strom-Spannungs-Kennlinie und der Funktion Vermessen die dazugehörige Stromstärke I abgelesen (Kurvenabschnitt etwas abrunden ) und der Innenwiderstand R i näherungsweise berechnet. R i = U / I An der Stelle des Maximums werden in Abb. 4 folgende Werte für Spannung U und Stromstärke I abgelesen: Messung 1 (I max = 180 ma) U = 438 mv, I = 150 ma, Entsprechend: Messung 2 (I max = 140 ma) U = 417 mv, I = 126 ma, R i = 2,9 Ω R i = 3,3 Ω Bei kleinerer Beleuchtung steigt der Innenwiderstand einer Solarzelle. Hinweis zur Auswertung Die aufgenommene Kennlinie beginnt bei der Schalterstellung 0 Ω der Widerstandsdekade (Kurzschluss) nicht mit einer Spannung von U = 0 V, da sich hier nicht nur der Innenwiderstand des Amperemeters der Cobra4 Sensor-Unit Energy sondern auch die Steckverbindungen der Kabel und die Bausteinverbindungen bemerkbar machen. Abb. 4: Kennlinien Messung 1 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle ENT Anwendung Zum Betrieb eines elektrischen Gerätes mit Solarenergie muss natürlich zuerst von der Solarzelle (oder dem Solarmodul aus mehreren Solarzellen) mindestens die erforderliche (Leerlauf-) Spannung bereitgestellt werden. Wegen des kleinen Innenwiderstandes der Solarzellen können nur Geräte mit geringem Strombedarf betrieben werden, also z. B. LED s oder kleine Solarmotoren. Kleine Glühlampen leuchten meistens nur sehr schwach. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 2.10 Strom-Spannungs-Kennlinie 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 P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Cobra4 Sensor-Unit Energy Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P