Solar Hydrogen Extension. Experimentieranleitung. Heliocentris Academia GmbH

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1 Solar Hydrogen Extension Experimentieranleitung

2 Solar Hydrogen Extension, Experimentieranleitung Version 2 Dezember 2015 Rudower Chaussee Berlin Deutschland Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Experimentieranleitung darf vervielfältigt, in einem Datenabfragesystem gespeichert oder weitergeleitet werden, ohne die vorab schriftliche Genehmigung des Herausgebers. Ausnahme bildet der folgende Fall: Fotokopieren von Seiten der Anleitung für den Unterricht für oder durch Lehrpersonal ist erlaubt. Komponenten des Solar Hydrogen Extension sind durch Patente und /oder Gebrauchsmuster geschützt. Änderungen vorbehalten.

3 Inhalt 1 Einführung Solarenergie... 5 Alle Experimente im Überblick... 5 Messwerte der PV-Anlage bei Veränderungen der Position ermitteln... 7 Experiment Arbeitsblatt Lösungen Wandlungsverluste beim Be- und Entladen von Batterien erkennen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Tag- und Nachtprofile testen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Wasserstoff Alle Experimente im Überblick Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 1

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5 1 Einführung Übersicht TIPP TIPP TIPP In dieser Experimentieranleitung finden sich 4 Experimente über das Thema regenerative Energien. Diese Anleitung ist in folgende Themen aufgeteilt: Solarenergie Wasserstoff Zu Beginn jedes Kapitels gibt es für alle Experimente einführende Erläuterungen und jeweils eine Checkliste. Gehen Sie vor jedem Experiment die Checkliste für das jeweilige Experiment durch. Zu jedem Experiment gibt es ein Arbeitsblatt. Die Beispiellösungen zu den Experimenten und den Arbeitsblättern sind auf dem Lösungsblatt zu finden. Auf den Lösungsblättern finden sich Beispielantworten, die keineswegs einen Anspruch an Vollständigkeit und einzige Richtigkeit haben, vielmehr zeigen sie Lösungsmöglichkeiten auf. Wenn Ihre Schülerinnen und Schüler zu abweichenden Lösungen kommen, so heißt dies keineswegs, dass die Antworten nicht richtig sind es sind lediglich Beispiellösungen. Machen Sie sich, bevor Sie die Experimente durchführen, mit dem SOLAR HYDROGEN EXTENSION vertraut. Lesen Sie dazu die Bedienungsanleitung. Folgende Einstellungen gelten für alle Experimente: Externer Computer ist über ein RJ-45 Kabel mit der Buchse LAN am SOLAR HYDROGEN EXTENSION verbunden. Software POWER MANAGEMENT MONITOR ist auf dem Computer installiert. Die Werte, die bei den Experimenten abgelesen werden, können auch digital erfasst und gespeichert werden. Unter EXTRAS EINSTELLUNGEN können Sie bei SPEICHERINTERVALL den Zeitabstand der Messungen eingeben. Bei SPEICHERFORMAT können Sie zwischen xls., txt,. und csv. wählen. Die Werte werden beim Klicken auf START/STOPP aufgenommen. Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 3

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7 Alle Experimente im Überblick 2 Solarenergie Experiment 1- Messwerte der PV-Anlage bei Veränderungen der Position ermitteln Zusammenfassung Arbeitsblatt Checkliste In diesem Experiment wird die Leistung bei unterschiedlichen Ausrichtungsund Aufstellwinkel der PV-Anlage beobachtet. Die verschiedenen Ausrichtungen der Solarmodule betragen -30, 30 und 0. Die verschiedenen Aufstellwinkel betragen 15, 30 und 45. Dadurch können Unterschiede von ein- und zweiachsig nachgeführten gegenüber fest installierten PV-Anlagen erkannt werden. Tabelle zum Eintragen von Messdaten. Erkenntnisse zu den Messungen. Es scheint ausreichend die Sonne (bei stark bewölktem Wetter ist das Experiment fehlerbehaftet) Experiment 2- Wandlungsverluste beim Be- und Entladen von Batterien Zusammenfassung Arbeitsblatt Checkliste TIPP Das Experiment zeigt anhand verschiedener Konfigurationen, dass die Speicherung von Energie immer verlustbehaftet ist und das Be- und Entladen von Batterien immer Verluste in Form von Wärmeverlusten bedeutet. Als regenerative Energiequelle werden im Experiment die Solarmodule verwendet. Tabelle zum Eintragen von Messdaten. Erkenntnisse zu den Messungen. Die Batterie darf nicht komplett voll sein. Entladen Sie die Batterie für eine Stunde mit ca. 10 A Entladestrom Elektronische Last (Leistungsaufnahme einstellbar) ersatzweise z. B: Lampe mit Dimmer, Widerstandsdekade Es scheint ausreichend die Sonne (bei stark bewölktem Wetter ist das Experiment sinnlos) Stoppuhr Dieses Experiment ist nur dann sinnvoll, wenn die Last auf unterschiedliche Leistungsaufnahmen eingestellt werden kann. Die Last muss so eingestellt werden, dass die Last direkt von den Solarmodulen gespeist wird. Nur so ist die Differenz zwischen Entnahme der Batterie und Solarmodul ersichtlich. Bei diesem Experiment ist das DATA LOGGING hilfreich. Experiment 3 - Tag- und Nachtprofile testen Zusammenfassung Arbeitsblatt Dauer: Checkliste In diesem Experiment werden Situationen für Tag und Nacht simuliert. Tabelle zum Eintragen von Messdaten. Erkenntnisse zu den Messungen. ca. 90 Minuten Es scheint ausreichend die Sonne (bei stark bewölktem Wetter ist das Experiment sinnlos) Stoppuhr Taschenrechner Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 5

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9 Messwerte der PV-Anlage bei Veränderungen der Position ermitteln Kleine Änderungen der Ausrichtung Große Änderungen der Ausrichtung Experiment 1 Strom und Spannung unter Last messen 1. PV-Module mit einem Aufstellwinkel von 45 und einem von 0 einrichten. 2. Mit dem HAUPTSCHALTER das System einschalten. 3. Software POWER MANAGEMENT MONITOR starten. 4. Eine Last an 12 V DC OUT oder an 230 V AC OUT anschließen. 5. Folgende Werte ablesen und in das Arbeitsblatt aufnehmen: I DC SOLAR Solare Einstrahlung U DC BATTERIE I DC BATTERIE I DC OUT P AC OUT Messungen für unterschiedliche Ausrichtungen Dieses Experiment für folgenden Ausrichtungen wiederholen: Aufstellwinkel Aufstellwinkel Abb. 2-1 Ausrichtungs- und Aufstellungswinkel Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 7

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11 Arbeitsblatt 1 Fragen zum Experiment 1. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel 45 I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel 30 I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel 15 I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 9

12 Solarenergie 4. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung 5. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel 30 I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel 15 I DC SOLAR (A) U DC BATTERIE (V) I DC BATTERIE (A) I DC OUT (A) P AC OUT (W) Solare Einstrahlung Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung

13 Solarenergie Fragen zum Experiment 1. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit des Aufstellwinkels? 2. Was lässt sich generell über die Messwerte bei ständig steigender solarer Einstrahlung sagen? 3. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit zur solaren Einstrahlung? 4. Von welchen Faktoren hängt der ideale Einstrahlwinkel ab? Allgemeine Fragen 5. Was kann alles zur Abschattung beitragen? 6. Was ist Solarenergie? 7. Was ist Solarstrom und was bedeutet Photovoltaik? 8. Was wird benötigt, um Solarstrom ins Stromnetz einzuspeisen? 9. Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Verständnisfragen 10. Von welchen Faktoren hängt die ideale Stromausbeute ab? 11. Welche physikalische Größe lässt sich durch die Strom- und Spannungswerte des Solarmoduls errechnen? Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 11

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15 Lösungen 1 Fragen zum Experiment 1. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 2,3 A 1,9 A 2,0 A U DC BATTERIE 27,09 V 27,01 V 27,01 V I DC BATTERIE ~3,54 A ~3,20 A ~3,15 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * 2. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 3,0 A 2,3 A 2,4 A U DC BATTERIE 27,04 V 27,03 V 27,03 V I DC BATTERIE ~4 A ~3,4 A ~3,6 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * 3. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 1,9 A 2,0 A 2,0 A U DC BATTERIE 27,01 V 27, 05 V 27,07 V I DC BATTERIE 3,5 A 3,4 A 3,4 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 13

16 Solarenergie 4. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 2,3 A 1,9 A 2,0 A U DC BATTERIE 27,09 V 27,20 V 27,22 V I DC BATTERIE ~3,54 A ~3,05 A ~2,96 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * 5. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 3,0 A 1,9 A 1,9 A U DC BATTERIE 27,04 V 27,22 V 27,26 V I DC BATTERIE ~4 A ~2,86 A ~3,15 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * 6. Wie hoch sind die Werte bei folgenden Einstellungen? Aufstellwinkel I DC SOLAR 1,9 2,1 A 2,0 A U DC BATTERIE 27,01 27,17 V 27,17 V I DC BATTERIE 3,5 A 3,05 A ~3,23 A I DC OUT 0 A 0 A 0 A P AC OUT 0 W 0 W 0 W Solare Einstrahlung * * * *Die Werte können je nach Region und Jahreszeit stark variieren. Die vorgegebenen Werte sind Beispielangaben. 1. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit des Aufstellwinkels? Die Beobachtung zeigt, dass das Solarmodul bei einem Einstrahlwinkel von 90 den größten Spannungswert aufweist. 14 Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung

17 Solarenergie 2. Was lässt sich generell über die Messwerte sagen, wenn die solare Einstrahlung steigt? Je größer die solare Einstrahlung ist, desto höher ist die resultierende Spannung. 3. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit zur solaren Einstrahlung? Die Beobachtung zeigt, dass die Solarzelle bei zunehmender Beleuchtung steigende Spannungswerte aufweist. 4. Von welchen Faktoren hängt der ideale Einstrahlwinkel ab? Der ideale Einstrahlungswinkel ist abhängig vom Aufstellwinkel der Solarmodule. Für jedes Solarmodul gilt, dass der Einstrahlungswinkel, der senkrecht auf dem Solarmodul steht, ideal ist. Allgemeine Fragen 5. Was kann alles zur Abschattung beitragen? Abschattung kann folgende Ursachen haben: Wolken Bäume Gebäude Andere Solarmodule Schnee oder Dreck auf dem Solarmodul 6. Was ist Solarenergie? Solarenergie ist durch Strahlung übertragene Sonnenenergie. In der Sonne wird bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium Strahlungsenergie frei (Kernfusion), die als Licht und Wärme zur Verfügung steht. Die Sonne strahlt stündlich mehr Energie auf die Erde, als die gesamte Weltbevölkerung in einem Jahr verbraucht. Ohne diese Energie könnte kein Leben auf der Erde existieren. 7. Was ist Solarstrom und was bedeutet Photovoltaik? Solarstrom nennt man den Strom, der durch den photovoltaischen Effekt in Solarzellen erzeugt wird. Photovoltaik (Abk.: PV) ist die Technik, mit deren Hilfe Sonnenenergie in elektrische Energie (Gleichstrom) umgewandelt wird. 8. Was wird benötigt, um Solarstrom ins Stromnetz einzuspeisen? Der von den Solarzellen bereitgestellte Gleichstrom wird zu einem Wechselrichter geleitet. Dieses Gerät wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. 9. Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Solarzellen bestehen üblicherweise aus dünnen Siliziumscheiben. Durch gezielte Verunreinigung des reinen Siliziums mit Fremdatomen erhält man eine negativ leitende Schicht und eine positiv leitende Schicht. In der Übergangszone zwischen den beiden Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung 15

18 Solarenergie Verständnisfragen 10. Von welchen Faktoren hängt die ideale Stromausbeute ab? Die ideale Stromausbeute hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Material der Solarmodule (Silizium monokristallin, Silizium polykristallin etc.) Größe der Solarmodule Standort Gegebenheiten am Standort (Abschattung, Temperatur, etc.) 11. Welche physikalische Größe lässt sich durch die Strom- und Spannungswerte des Solarmoduls errechnen? Die elektrische Leistung. 16 Solar Hydrogen Extension - Experimentieranleitung