Spannung und Stromstärke bei Reihen- und ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, Reihenschaltung, Parallelschaltung Prinzip Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine Spannung von 0,5 V, sie reicht nicht aus um Leuchtdioden oder kleine Glühlampen zu betreiben. Zur Erzeugung höherer Spannungen werden daher mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet. In diesem Versuch soll gezeigt werden, welche Eigenschaften Reihen- oder Parallelschaltungen von Solarzellen haben, wobei jeweils die Leerlaufspannungen und Kurzschlussstromstärken gemessen und mit den Werten einer einzelnen Zelle verglichen werden. Material *2 Leitungsbaustein, winklig, DB 09401-02 *2 Leitungsbaustein, t-förmig, DB 09401-03 *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB 09401-10 *2 Solarzelle, DB 09470-00 *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel 02164-00 Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell 02150-00 1 Stativstange PASS, l = 630 mm 02027-55 1 Lampenfassung E27, Reflektor, Halter 06751-01 1 Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor 06759-93 **1 Cobra4 Wireless-Manager 12600-00 **1 Cobra4 Wireless-Link 12601-00 **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00 **1 Halter für Handmessgeräte 02161-00 **1 Software measure für Cobra4 14550-61 1 Verbindungsleitung 500 mm, rot 07361-01 1 Verbindungsleitung 500 mm, blau 07361-04 1 Verbindungsleitung 500 mm, gelb 07361-02 1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten 09492-88 ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten 12608-88 Abb. 1: Versuchsaufbau Reihenschaltung www.phywe.com P9502260 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1
ENT Spannung und Stromstärke bei Reihen- und Hinweis Die Bedeutung der Begriffe Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke sollten den Schülerinnen und Schülern erläutert werden. Erklärt werden sollte das Messen der Kurzschlussstromstärke, da ein Amperemeter im Stromkreis immer mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Der Widerstand besteht in diesem Fall allerdings nur aus einem Leitungsdraht. Auch das Amperemeter wird deshalb direkt an die Solarzelle angeschlossen. Wichtig ist außerdem mit einem hochohmigen Voltmeter zu messen und mit einem niederohmigen Amperemeter. Deshalb wird bei der Cobra4 Sensor-Unit Energy der Ampere-Messbereich verwendet. Dort beträgt der Innenwiderstand nur 33 mω. Bei großer Hitze sinkt die Leistung der Solarzelle. Die Lampe muss deshalb nach jeder Messung sofort ausgeschaltet werden. Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 3 aufbauen. - Über der Solarzelle 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 Solarzelle und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. Abb. 2: Aufbau Lampe Abb. 3: Versuchsaufbau Messung der Spannung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9502260
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und 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. Abb. 4: Messwerterfassung Spannung www.phywe.com P9502260 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3
ENT Spannung und Stromstärke bei Reihen- und 1. Messung der Spannung 1.1 Einzelne Solarzelle - Experiment ENT - Spannung laden (Experiment > Experiment öffnen > ). - Lampe auf die Solarzelle ausrichten und einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Eine Einzelmessung durchführen. 1.2 Reihenschaltung - Nach Abb. 1 eine Reihenschaltung mit zwei Solarzellen aufbauen. - Lampe einschalten und ausrichten. - Eine Einzelmessung durchführen. 1.3 Parallelschaltung - Eine Parallelschaltung nach Abb. 5 aufbauen. - Lampe einschalten und ausrichten. - Eine Einzelmessung durchführen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogram übertragen. Abb. 5: Versuchsaufbau Parallelschaltung 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9502260
Spannung und Stromstärke bei Reihen- und ENT 2. Messung der Stromstärke - Den Stromkreis nach in Abb. 6 aufbauen. - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. - Experiment ENT - Stromstärke laden (Experiment > Experiment öffnen > ). - Darauf achten, dass der rote Stecker in die A -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy gesteckt wird. - Einzelmessungen wie bei der Spannungsmessung von einer Solarzelle vornehmen, sowie von zwei Solarzellen in Reihen- und Parallelschaltung. - Alle Messwerte in das measure Hauptprogram übertragen. Beobachtung Die Parallelschaltung liefert in etwa die gleiche Abb. 6: Versuchsaufbau Messung der Stromstärke Spannung wie eine einzelne Solarzelle. Die Reihenschaltung hingegen erzeugt etwa die doppelte Spannung. Bei der Reihenschaltung dagegen wird in etwa die gleiche Stromstärke erreicht wie bei einer einzelnen Solarzelle, während bei der Parallelschaltung die Werte für die Stromstärke etwa doppelt so hoch sind. Abb. 7: Messauswertung Stromstärke www.phywe.com P9502260 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5
ENT Spannung und Stromstärke bei Reihen- und Auswertung Nutzt man in measure die Funktion Vermessen, so erkennt man deutlich, dass die Spannung bei einer Reihenschaltung doppelt so groß ist, wie bei einer einzelnen Solarzelle. Die Stromstärke ist bei einer Parallelschaltung von zwei Zellen etwa doppelt so groß ist wie die einer einzelnen Zelle. Bei der Stromstärke können größere Messfehler auf, da sie von der Lichtintensität abhängig ist und die Ausleuchtung der Solarzellen im Lichtkegel nicht immer genau gleich sein wird. Einzelne Solarzelle Reihenschaltung Parallelschaltung Spannung 0,52 V 1,02 V 0,51 V Stromstärke 149 ma 146 ma 302 ma Dies folgt den Gesetzen für elektrische Reihen- und Parallelschaltungen. In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke an jedem Punkt gleich, während sich die Spannung aus den einzelnen Spannungsquellen addiert. In einer Parallelschaltung hingegen verhält es sich umgekehrt. Die Spannung ist in jedem Punkt der Schaltung gleich und die Stromstärke addiert sich. Anwendung Solarmodule bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen. Für größere Anlagen werden diese Module dann sowohl in Reihe, als auch parallel geschaltet, dies hat auch den Vorteil, dass beim Ausfall einzelner Zellen der Leistungsverlust minimiert wird. Diese Solaranlagen können direkt genutzt werden. Häufig werden jedoch mit Hilfe von Transformatoren und Wechselrichtern höhere Spannungen erzeugt um die gewonnene elektrische Energie in das bestehende Stromnetz einzuspeisen. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 2.3 Spannung und Stromstärke bei Reihenschaltung von Solarzellen (P9511300) 2.4 Spannung und Stromstärke bei Parallelschaltung von Solarzellen (P9511400) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P9502263 1 Cobra4 Mobile-Link 12620-00 1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00 1 Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger 12623-88 1 Halter für Handmessgeräte 02161-00 1 Digitale Großanzeige 07157-93 Versuch P9502200 1 Analog-Demomultimeter ADM 2 13820-00 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9502260