1. Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und Wirkungsgrad des Solarmoduls

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1 1. Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und Wirkungsgrad des Solarmoduls Hintergrund: Gegeben ist ein Datenblatt eines Solarpanels. Der Schüler soll messtechnisch die Daten eines kleinen Solarmoduls erfassen und interpretieren. Sie können Solarmodule an Hand ihrer Kenndaten beurteilen. STC = Standard Test Conditions Einstrahlung 1000 W/m 2 Umgebungstemperatur 25 C AM 1,5 (Air-Mass = engl. Luftmasse) Benötigte Geräte und Materialien: Solarmodul (U = 2 V, I = 380 ma; 4 Zellen 25mm x 50 mm, A = m 2 ) 2 Multimeter Widerstandsdekade Messleitungen

2 Aufbau der Schaltung: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.

3 Durchführung des Experimentes: Stellen Sie mit der Widerstandsdekade die Widerstände der folgenden Tabelle ein und messen sie die Spannung und den dazugehörigen Strom. Messen Sie den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung. Berechnen Sie die jeweilige Leistung P = U I R/Ohm U/V I/mA P/mW 330,00 220,00 100,00 33,00 10,00 3,30 1,00 0,33 0,10 0,00 Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung graphisch dar: Isc = ma Voc = V

4 Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit der Spannung graphisch dar: Der Punkt der maximal abgegebenen elektrischen Leistung ist ein Extrempunkt der Leistungskurve. Er liegt dort, wo das Produkt aus Spannung und Stromstärke am größten ist: P MPP = U MPP I MPP In diesem Beispiel liegt er bei: P MPP = V A = W Berechnung des Wirkungsgrades: Mit den Messwerten und den Daten der Solarzelle kann der Wirkungsgrad η berechnet werden. SolarModul: P max = 1000 W/m 2 U MPP = 2V I kmax = 380 ma ModulFläche: 4 Zellen 25mm x 50 mm, A = m 2 Der Wirkungsgrad η ist definiert als das Verhältnis aus der eingestrahlten Leistung P in und der von der Solarzelle abgegebenen elektrischen Leistung P out am Punkt maximaler Leistung. Der Kurzschlussstrom ist proportional zur eingestrahlten Lichtleistung. Der Kurzschlussstrom muss mit einem Faktor multipliziert werden, um eine quantitative Aussage über die Lichtleistung zu erhalten. Dieser Faktor hängt von dem Maximalwert des Kurzschlussstromes der Solarzelle ab. Der Faktor F wird nach folgender Formel berechnet: Zur Berechnung benutzen Sie folgende Formeln:

5 Ergänzen Sie die Tabelle: Peak power Open-circuit voltage Short-circuit current Current at maximum power Voltage at maximum power Modul efficiency Pmax Voc Isc Impp Vmpp

6 2a. Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM-Elektrolyseurs Hintergrund: Der PEM-Elektrolyseur zersetzt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, dafür muss die an den Elektrolyseur angelegte Spannung einen bestimmten Wert überschreiten, die Zersetzungsspannung des Wassers. Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. Im folgenden Versuch soll untersucht werden, wie groß diese Spannung ist. Benötigte Geräte und Materialien: PEM-Elektrolyseur Netzgerät PEM-Brennstoffzelle Platine mit Widerstandsdekade Amperemeter Voltmeter diverse Kabel mit Steckverbindern destilliertes Wasser zum Nachfüllen des PEM-Elektrolyseurs Aufbau der Schaltung: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Durchführung des Experimentes: Stellen Sie mit dem Netzgerät die Spannungen in der Tabelle ein und messen sie den dazugehörigen Strom. U/V 0,0 0,5 1,0 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 I/A

7 Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung graphisch dar: Nach dem Erreichen der Zersetzungsspannung U = 1,5 V steigt der Strom sehr stark an. Betreiben Sie den Elektrolyseur oder die reversible Brennstoffzelle nie über 2 Volt!

8 2b. Wirkungsgrad des PEM Elektrolyseurs Hintergrund: Im Elektrolyseur wird die zugeführte elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt. Der Heizwert von Wasserstoff H H2 gibt an, welche Menge an Energie bei einer Verbrennung von 1 m 3 Wasserstoff genutzt werden kann. Zur Bestimmung des Wirkungsgrads des Elektrolyseurs sind folgende Kennwerte und Formeln bekannt: Wirkungsgrad η: Nutzenergie: Zugeführte Energie: Anmerkungen: E out = V H2 H H2 E in = U I T Heizwert H H2 = 10, Benötigte Geräte und Materialien: PEM-Brennstoffzelle Spritze Amperemeter Voltmeter diverse Kabel mit Steckverbindern destilliertes Wasser Aufbau der Schaltung: Durchführung des Experimentes: Schalten Sie das Labornetzgerät ein und wählen Sie eine Spannung von U = 1,8 V. V H2 /cm 3 t/s U/V I/mA

9 Stellen Sie die Messreihe in einem Diagramm dar. Berechnen Sie den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. Nutzen Sie hierfür die angegebenen Kennwerte und Formeln sowie Ihre Tabellenwerte. H H2 = Brennwert des Wasserstoffs = 10, V H2 = erzeugte Menge Wasserstoff in m 3 U = Mittelwert der Spannung in V I = Mittelwert des Stroms in A t = Zeit in s

10 3a. Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistungskurve der PEM- Brennstoffzelle Hintergrund: In der Brennstoffzelle reagieren der von außen zugeführte Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, dies geschieht unter Abgabe von elektrischem Strom und Wärme. Die Leistung der Brennstoffzelle ist vom Lastwiderstand abhängig. Im folgenden Versuch soll untersucht werden, bei welchem Widerstand und somit welcher Stromstärke die Leistungsausbeute optimal ist. Benötigte Geräte und Materialien: PEM-Brennstoffzelle Widerstandsdekade Amperemeter Voltmeter diverse Kabel mit Steckverbindern destilliertes Wasser Wasserstoffquelle Durchführung: Schließen Sie den Elektrolyseur an die Stromquelle an, um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Produzieren Sie. 5 cm 3 Wasserstoffgas. Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der Leerlaufspannung (R =.). Schalten Sie die Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch und notieren Sie jeweils die Spannungs- und Stromwerte. Warten Sie zwischen den einzelnen Messungen 10 Sekunden, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. R/Ohm U/V I/mA P/mW 330,00 220,00 100,00 33,00 10,00 3,30 1,00 0,33 0,10

11 Auswertung: Stellen Sie die Spannungs-Strom-Kennlinie in einem Diagramm dar. Stellen Sie die Leistungs-Strom-Kennlinie in einem Diagramm dar.

12 3b. Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle Hintergrund: Der Wirkungsgrad η liefert eine Aussage über die Effizienz von Energiewandlern und kann Werte zwischen 0 und 1 oder in prozentualer Schreibweise Werte zwischen 0 % und 100 % annehmen. Je größer der Wirkungsgrad, desto effizienter ist das technische System. Im folgenden Versuch wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bestimmt. Die benötigten Größen zur Berechnung der zugeführten Energie (Wasserstoff) und der Nutzenergie (elektrischer Strom) liefert die Versuchsauswertung. Verwenden Sie zur Ermittlung des Wirkungsgrads folgende Formeln und Kennwerte: Wirkungsgrad η: Nutzenergie: Zugeführte Energie: Anmerkungen: E out = U I t E in = V H2 H H2 Heizwert H H2 = = 10, Benötigte Geräte und Materialien: PEM-Brennstoffzelle Widerstandsdekade Amperemeter Voltmeter diverse Kabel mit Steckverbindern destilliertes Wasser Wasserstoffquelle Aufbau der Schaltung:

13 Durchführung des Experimentes: t/s V H2 /cm 3 U/V I/mA P/mW Mittelwert Berechnen Sie den Wirkungsgrad η.