Impressum 2010 Franzis Verlag GmbH, 85586 Poing www.franzis.de Autor: Ulrich Stempel Art & Design, Satz: www.ideehoch2.de ISBN 978-3-7723-10030-4 Produziert im Auftrag der Firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträgern oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche beachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor übernehmen für fehlerhafte Angaben und deren Folgen keine Haftung.
Lernpaket Solarenergie verstehen und anwenden 1 Vorbereitungen 4 1.1 Das Experimentierbrett 4 1.2 Solarmodul 4 1.3 Solarmotor 5 1.4 Diode 5 1.5 Leuchtdioden 6 1.6 Wiederstände 7 1.7 Elektrolytkonsatoren (Elkos) 8 1.8 Schaltdraht 9 2 Anschluss und Funktion des Solarmoduls 9 2.1 Solarmodul am Steckbrett anschließen 9 2.2 Die Funktion des Solarmoduls und geeignete Lichtquellen 10 3 Polarität des Solarstroms ermitteln 12 4 Solarstrom direkt mit LEDs nutzen 13 5 Reihen- und Parallelschaltung 14 6 Solarstrom mit Zwischenspeicherung 17 7 Solarstrom, hohe Energie? 19 8 Den Solarantrieb vorbereiten 21 9 Solare Energie in Bewegung umsetzen 23 10 Solare Bewegungsenergie mit Starthilfe 25 11 Beschattung auf dem Solarmodul Ursachen und Auswirkung 27 12 Die Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle 29 13 Einfluss der Temperatur auf das Solarmodul 31 14 Mehr Solarenergie durch Spiegeltechnik 33 15 Solarenergie speichern 34 16 Gespeicherte Solarenergie und mechanische Energie 38 17 Solarenergie, Ladeüberwachung und Tankanzeige 39 18 Solarenergie und Rückstromsperre 40 19 Akkus mit Solarenergie laden 42 20 Chemische Prozesse mit Solarenergie 43
1 Vorbereitungen 1.1 Das Experimentierbrett Mit dem Experimentierbrett können die Experimente ohne Lötkolben aufgebaut werden. Auch als Laborsteckbrett, oder einfach nur Steckbrett, bezeichnet, besteht es im Inneren aus Kontaktfedern, die in einem Reihensystem miteinander verbunden sind. Die elektronischen Bauteile und Verbindungsdrähte können wiederholt in die Kontakte eingesteckt werden und ermöglichen somit einen Schaltungsaufbau ohne Löten oder Schrauben. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte erleichtern das Einstecken. Das dem Lernpaket beigelegte Steckbrett hat insgesamt 270 Kontakte im 2,54-mm- Raster. Die 230 Kontakte im mittleren Bereich sind jeweils durch vertikale Streifen in 5er-Reihen verbunden. An den Rändern der breiten Seite gibt es je eine Reihe mit 20 Kontaktpunkten, die horizontal mit einer Schiene verbunden sind. Diese obere und die untere Reihe eignen sich gut als Stromversorgungsschiene. Abb. 1: Inneres Prinzip des Steckbretts 1.2 Solarmodul Das beiliegende Solarmodul besteht aus mehreren polykristallinen Solarzellen. Das Siliziummaterial, zusammengesetzt aus mehreren Kristallen, wird durch absichtliche Dotierungen so verunreinigt, dass eine negative und eine positive Schicht entstehen. Oben ist die N-Schicht (negativ dotiert) zur besseren Absorption des Lichts dunkelblau beschichtet. Die untere Schicht ist die P-Schicht. Durch auftreffendes Licht kommen die Elektronen in Bewegung und es entsteht eine Spannung zwischen den beiden beschriebenen Schichten. Diese Spannung und den fließenden Strom können wir verwenden. Eine einzige kristalline Siliziumsolarzelle kommt auf ca. 0,5 V pro Zelle. Der Strom ist abhängig von der Zellengröße. 4
Abb.2: Schaltsymbol Solarmodul 1.3 Solarmotor Im Lernpaket finden Sie einen Solarmotor, der bereits mit geringsten Strömen und einer geringen Spannung anläuft. Es handelt sich um einen Niederspannungs-Gleichstrommotor. Abb. 3: Schaltsymbol Motor 1.4 Diode Dioden lassen den Strom nur in einer Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderem zum Gleichrichten von Wechselspannungen und zur Abblockung unerwünschter Polarität bei Gleichspannung eingesetzt. Die Funktion einer Diode können Sie sich im Normalbetrieb am einfachsten sinnbildlich als Rückschlagventil (Wasserinstallation) vorstellen. Abb. 4: Siliziumdiode Typ 1N 4148. Die Kathode der Diode ist an dem aufgedruckten Strich zu erkennen, der andere Anschlussdraht ist die Anode. Die technische Stromrichtung geht von der Anode zur Kathode. 5
In Durchlassrichtung (Schaltsymbol Pfeil) beginnt bei der Silizumdiode wie z. B. der 1N 4148 erst ab einer Spannung von ca. 0,6 bis 0,7 V nennenswert Strom zu fließen. Abb. 5: Schaltsymbol Diode In Photovoltaik-Anlagen werden Dioden in der Regel auf zwei Arten genutzt: als Sperrdioden und Bypassdioden. Sperrdioden verhindern, dass sich der Akku durch die Photovoltaik-Module bei fehlendem Sonnenlicht entlädt. Die Bypassdioden schützen Solarzellen und das Paneel vor möglichen Schäden, die durch partielle Verschattungen verursacht werden könnten. 1.5 Leuchtdioden Die LED (light emitting diode = Licht emittierende Diode) hat noch eine weitere Eigenschaft: Sie leuchtet, wenn Spannung angelegt wird. LEDs sollten normalerweise immer mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung betrieben werden. Rote LEDs benötigen die geringste Spannung (1,8 V). Danach folgen die gelben, die grünen, die blauen und zuletzt die weißen LEDs mit der höchsten Spannung (bis zu 3,6 V). a) b) Abb. 6: Anschlussbelegung der Leuchtdioden: Die Anode (+) mit dem längeren Anschlussdraht und die Kathode (-), zusätzlich durch eine Abflachung (6b) am Gehäuse markiert. 6
Abb. 7: Schaltsymbol LED Neben den normalen LEDs gibt es auch Spezialausführungen wie z. B. blinkende LEDs. Die Blink-LED erkennt man an dem kleinen schwarzen Punkt innerhalb des roten Gehäuses. Dieser Punkt beinhaltet eine winzig kleine Elektronik in Form eines integrierten Schaltkreises, der die LED sobald die richtige Spannung angelegt wird zum Blinken bringt. 1.6 Widerstände Ein Widerstand ist ein passives Bauelement in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Seine Hauptaufgabe ist die Reduzierung des fließenden Stroms auf sinnvolle Werte. Die Widerstandswerte sind in Form von farbigen Ringen codiert aufgedruckt. Die ersten vier Farbringe geben den Widerstandswert entsprechend nachstehender Tabelle an. Der fünfte (schmalere) Farbring steht für die Toleranz des Widerstandswerts. Tipp zum einfachen Unterscheiden der Widerstände im Lernpaket: Der 10-Ω-Typ ist dicker als die anderen. Vom 100-Ω-Typ gibt es zwei. Im Lernpaket befinden sich Metallschichtwiderstände mit folgenden Werten: Widerstandswert 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring 6. Ring 10 Ω braun schwarz schwarz gold braun 100 Ω braun schwarz schwarz schwarz braun 1 kω braun schwarz schwarz braun braun 2,2 kω rot rot schwarz braun braun Abb. 8: Schaltsymbol, Widerstand 7
1.7 Elektrolytkondensatoren (Elkos) Elektrolytkondensatoren haben im Vergleich zu normalen Kondensatoren eine hohe Kapazität. Aufgrund des Elektrolyten ist ein Elko polungsabhängig und die Anschlüsse sind mit einem Pluspol und einem Minuspol bezeichnet. Wird das Bauteil über längere Zeit falsch herum angeschlossen, wird der Elektrolyt des Kondensators zerstört. Die aufgedruckte maximale Spannungsangabe sollte nicht überschritten werden, weil sonst die Isolierschicht zerstört werden könnte. µf bedeutet Mikrofarad ; die Einheit µ ist der millionste Teil der Grundeinheit. Abb. 9: Elektrolytkondensatoren (Elkos) mit Anschlüssen; der Pluspol ist der längere Anschluss. Zusätzlich ist der Minuspol am Gehäuse durch einen hellen Strich gekennzeichnet. Abb. 10: Schaltsymbol Elko Der Einfachheit halber wird der Elektrolytkondensator von Fachleuten mit Elko abgekürzt. Diese Abkürzung wird auch hier verwendet. 8
1.8 Schaltdraht Drahtbrücken kann man mit dem beiliegenden Schaltdraht herstellen. Dazu muss man die ungefähre Länge der Drahtbrücke abschätzen oder abmessen (zuzüglich der Länge für die Drahtenden, die in die Steckkontakte eingesteckt werden sollen). Die Enden werden ca. 8 mm lang abisoliert. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte erleichtern das Einstecken in die Steckbrettkontakte. Die einmal hergestellten Drahtbrücken können immer wieder verwendet werden. 2 Anschluss und Funktion des Solarmoduls Die Eigenschaften und Funktionen eines Solarmoduls lernen Sie in den folgenden Kapiteln durch die praktischen Experimente kennen. Sie erfahren wie Solarmodule genutzt werden können und was es zu beachten gibt, um optimale Energieerträge zu erziehlen. 2.1 Solarmodul am Steckbrett anschließen Versuchsaufbau: 1 Solarmodul, Steckbrett, Stiftleiste Auf der Rückseite des Moduls befinden sich Lötanschlüsse mit angelöteten Kabeln. Die Stromart, die das Modul liefert, ist Gleichstrom. Somit gibt es wie bei einer Batterie einen Pluspol und einen Minuspol. Schließen Sie das schwarze und das rote Kabel an das Steckbrett an. Es wird empfohlen, in die untere Schiene den schwarzen und in die obere Schiene den roten Anschluss einzustecken. Das Solarmodul kann für fast alle nachfolgenden Experimente eingesteckt bleiben. Abb. 11: Die Anschlussleitungen des Solarmoduls (Litzenenden) lassen sich zwar auch direkt in das Steckbrett einstecken, trotzdem können Steckstifte den Anschluss stabilisieren. 9
Legen Sie das Solarmodul so hin, dass eine ausreichend helle Lichtquelle darauf scheint. Um die Leistungswerte rund um die Solarmodule festzustellen, gibt es unterschiedliche Messmethoden: Anzeige mit LEDs Messungen mit einem Verbraucher, z. B. Motor Messungen mit einem Multimeter (zusätzlich erforderlich) Messungen und Auswertung mit dem PC (nicht vorgesehen) Mit Leuchtdioden lassen sich einfache Messaufgaben, wie z. B. die Polaritätsanzeige oder grundsätzliche Funktionsanzeigen, gut erledigen. Wenn detaillierte Messangaben erwünscht sind, ist ein Multimeter eine gute Hilfe. Im Lernpaket werden einfache Messungen und Funktionsanzeigen mit LEDs und mit dem Motor durchgeführt. 2.2 Die Funktion des Solarmoduls und geeignete Lichtquelle Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Widerstand 100 Ω, rote LED Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel), bei viel Licht (volle Sonne) sind die sichtbaren Effekte deutlicher. Stecken Sie die Anschlüsse einer roten LED (Leuchtdiode) und den Vorwiderstand 100 Ω ins Steckbrett. Der längere Anschluss der Leuchtdiode ist mit der roten Seite (+) zu verbinden. Je nach Bestrahlungsintensität leuchtet die Leuchtdiode mehr oder weniger hell. Wenn die LED nicht leuchtet, ist entweder zu wenig Lichtenergie vorhanden oder die LED wurde mit falscher Polungsrichtung angeschlossen. Blinkt die Leuchtdiode, haben Sie die rote blinkende LED verwendet. 10
Abb. 12: Einfacher Funktionstest mit einer roten Leuchtdiode Abb. 13: Steckbrettaufbau Den Versuch können Sie mit unterschiedlichen Lichtquellen durchführen, z. B. mit der direkten Sonne, einer Halogenlampe, einer Glühlampe, einer Taschenlampe, einer Energiesparlampe, einer Leuchtstofflampe, einer LED-Taschenlampe usw. Leuchtet die LED hell, ist die Lichtquelle geeignet. 11
3 Polarität des Solarstroms ermitteln Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Widerstand 100 Ω, rote LED, orange LED oder grüne LED Für das folgende Experiment benötigen Sie eine helle Lichtquelle. Als Nächstes bauen wir einen Polaritätsprüfer auf, mit dem Sie die Polarität (Plusund Minuspol) des Solarmoduls und anderer Spannungsquellen komfortabel feststellen können, ohne etwas umstecken zu müssen. Von der oberen Schiene wird die Verbindung zu der Fünferreihe mit einem Vorwiderstand von 100 Ω und von dort quer zu einer weiteren Fünferreihe hergestellt. Von der unteren Schiene werden zwei LEDs mit den Fünferreihen verbunden. Die LEDs zeigen die Polarität an. Als Beispiel können die LEDs so eingesteckt werden, dass die rote LED bei falscher Polarität und die orangefarbene bei richtiger Polarität aufleuchtet. Anstatt der orangefarbenen LED kann auch die grüne verwendet werden, deren Funktion bei Tageslicht aber schlechter zu erkennen ist. Die Anschlussdrähte des Solarmoduls können nun ohne auf die Polarität zu achten an das Steckbrett angeschlossen werden. Die LEDs signalisieren, wie die Polaritäten sind. Abb. 14: Steckbrett mit Polaritätsprüfer durch LEDs 12
Abb. 15: Detail der Verdrahtung Soll der Polaritätsprüfer für höhere Batteriespannungen (z. B. 9 V) verwendet werden, ist der Vorwiderstand gegen den mit 1 K auszutauschen, damit die LEDs nicht zerstört werden. 4 Solarstrom direkt mit LEDs nutzen Experimentieraufbau: Solarmodul, Steckbrett, Vorwiderstand 100 Ω, LED rot, grün, orange, Blink LED. Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel). Abb. 16: Stecken Sie nacheinander die grüne, die rote, die orangefarbene und die Blink-LED in das Steckbrett. Der längere Anschlussdraht der LED ist der Pluspol. 13
Abb. 17: Das dazugehörige Schaltbild; stecken Sie zuerst die grüne, die rote und dann die Blink-LED in das Steckbrett, um den Stromkreis zu schließen. Stecken Sie einen Anschluss des Solarmoduls aus. Was passiert? Die LEDs leuchten nicht mehr. Stecken Sie ihn wieder ein die LED leuchtet wieder. 5 Reihen- und Parallelschaltung Experimentieraufbau: Solarmodul, Steckbrett, LED rot, grün, orange, 2 Widerstände 100 Ω Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel). a) b) Abb. 18: a) Prinzip der Reihenschaltung von einzelnen Solarzellen; b) Strang aus kristallinen Zellen mit Verbindungen der einzelnen Solarzellen durch Flachverbinder. Anhand von LEDs kann das Prinzip von Reihen- und Parallelschaltung erforscht werden. 14
Was bedeutet Reihenschlatung von Solarzellen so wie es bei dem im Lernpaket beiligendem Modul gemacht wurde? Die Spannungen addieren sich, wenn Solarzellen in Reihe miteinander verbunden werden. Der Kurzschlussstrom entspricht dem einer einzigen Solarzelle und zwar der schwächsten (dem schwächsten Glied in der Kette). Wird eine Solarzelle beschattet, sinkt die Leistung des kompletten Solarmoduls um das Maß der Beschattung. Bei Teilbeschattung einer Zelle speisen die beleuchteten Solarzellen ihren Strom in die abgeschattete Solarzelle, diese erwärmt sich und kann im Extremfall zerstört werden. Was bedeutet Reihenschaltung? Um dies praktisch nachvollziehen zu können, führen Sie das folgende Experiment mit den LEDs durch: Abb. 19: Stecken Sie die rote und die orangefarbene (oder grüne) LED so in das Steckbrett, dass beide LEDs hintereinander geschaltet sind. Der längere Anschlussdraht der LEDs ist der Pluspol. 15
Abb. 20: Das dazugehörige Schaltbild Bei diesem Aufbau muss kein Vorwiderstand verwendet werden. Wie hell leuchten die LEDs? Einzelne Solarzellen (oder Solarmodule) lassen sich auch elektrisch parallel verschalten. Hierbei werden jeweils alle Minuspol- und alle Pluspolanschlüsse der Solarzellen untereinander verbunden. Die Folge: Die Spannung von parallel geschalteten Solarzellen entspricht der einer einzigen Zelle. Der Kurzschlussstrom addiert sich um die Beträge des Stroms der einzelnen Zellen. Bei gleich starken Solarzellen addiert sich der Kurzschlussstrom um die Anzahl der Zellen. Es ist möglich, Zellen mit unterschiedlicher Leistung (Kurzschlussstrom) zusammenzuschalten. Bei Teilbeschattung einer Zelle speisen die beleuchteten Solarzellen den addierten Strom in die abgeschattete Zelle. Diese erwärmt sich und kann im Extremfall zerstört werden. Abb. 21a: Parallelschaltung von mehreren Solarzellen Abb. 21b: Parallelschaltung von zwei LEDs 16
6 Solarstrom mit Zwischenspeicherung Versuchsaufbau: Solarmodule, Steckbrett, Vorwiderstand 100 Ω, Blink-LED, Elko 4.700 µf Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel). Stecken Sie die Blink-LED und den Vorwiderstand in das Steckbrett. Abb. 22: Schaltplan: Vorwiderstand und Blink-LED 17
Abb. 23: Steckbrettaufbau Je nach Lichteinfall auf das Solarmodul blinkt die LED heller oder weniger hell. Bei wenig Lichteinfall ist das Blinken kaum zu sehen. Stecken Sie nun zusätzlich den Elko ein. Die LED blinkt zunächst einige Zeit nicht mehr, aber auch bei wenig Licht heller. Zusatzversuch: Stecken Sie eine weitere LED, z. B. die rote, anstatt des Vorwiderstands in Reihe zur Blink-LED. Nun haben Sie plötzlich zwei Blink-LEDs. Abb. 24a: Schaltplan Blink-LED und rote LED in Reihenschaltung Abb. 24b: Steckbrettaufbau: Blink-LED und rote LED in Reihenschaltung 18
7 Solarstrom, hohe Energie? Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, orange, helle LED, Elko 100 µf, Elko 4.700 µf Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel), die Ladezeiten verkürzen sich bei einer starken Lichtquelle. Das LED-Solarblitzlicht lässt sich mit einfachsten Mitteln aufbauen. Je nach Lichtangebot zeigt die LED nach einer Ladezeit von einigen Sekunden beim Drücken des Tasters einen hellen Lichtblitz. Abb. 25: Aufbau des LED-Solarblitzlichts Den Taster können Sie aus dem beiliegenden Draht selbst anfertigen. 19
Abb. 26: Drahtschalter oder Taster aus dem Schaltdraht des Lernpakets Abb. 27: Schaltplan Solarblitzlicht, alternativ mit dem kleinen und dem größeren Elko Experimentieren Sie zuerst mit dem kleinen Elko mit 100 μf und tauschen Sie ihn im zweiten Versuch mit dem größeren 4.700-µF-Elko aus. Die Blitzenergie beträgt wegen der geringen Spannung nur etwa 2 mws. Es ist ein relativ kleiner Ladestrom erforderlich, den das Solarmodul problemlos liefern kann. Je nach Lichtquelle ist der Elko nach einigen Sekunden ausreichend geladen. Decken Sie nun das Solarmodul ab und drücken anschließend kurz auf den Taster. Die LEDs blitzten kurz auf. Nur eine geringe Resthelligkeit bleibt erhalten, wenn weiterhin geringer Strom durch das Solarmodul geliefert wird. 20
8 Den Solarantrieb vorbereiten Versuchsaufbau: 1 Solarmotor, Steckbrett, Stiftleiste, Scheibe Die Anschlussleitungen des Motors bestehen wie beim Solarmodul aus flexibler Litze. Schließen Sie das schwarze und das rote Kabel an das Steckbrett an. Es wird empfohlen, den schwarzen Anschluss in die untere Schiene und den roten Anschluss (+) in einen Kontakt der 5er-Reihe einzustecken. Abb. 28: Die Anschlussleitungen des Solarmotors (Litzenenden) lassen sich zwar auch direkt in das Steckbrett einstecken, trotzdem können Steckstifte den Anschluss stabilisieren. Damit Sie erkennen können, ob sich die Motorwelle bei den Experimenten dreht, ist es sinnvoll, die beigelegte Scheibe auf die Motorwelle zu montieren. Bohren Sie dazu mit einer Nadel im Zentrum ein Loch vor. Stecken Sie die Pappscheibe auf die Achse des Motors auf. 21
Abb. 29: Pappscheibe zum Aufstecken vorbereiten a) b) Abb. 30: Pappscheibe auf Motorachse montiert a) von oben, b) von der Seite 22
9 Solare Energie in Bewegung umsetzen Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Motor mit Scheibe Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle oder vollen, direkten Sonnenschein für das Solarmodul. Abb. 31: Versuchsanordnung mit dem Solarmodul, Steckbrett und Motor Abb. 32: Schaltbild Solarmodul und Motor Den Motor können Sie auch mit einem Stück doppelseitigem Klebeband auf einem Karton befestigten. 23
Abb. 33: Die Scheibe dreht sich. Wenn ausreichend Licht auf das Solarmodul fällt, fängt die Motorachse an, sich von selbst zu drehen. Bei zu wenig Licht braucht der Motor möglicherweise auch ein leichtes Andrehen mit dem Finger, um in Bewegung zu kommen. Dies kommt daher, dass der Anlaufstrom eines Motors um mehr als das Doppelte höher sein kann als der Betriebsstrom im Dauerbetrieb. Abb. 34: Motor mit dem Zeigefinger bei wenig Lichteinfall starten ; Grund: Der Anlaufstrom des Motors ist höher als der Dauerlaufstrom. 24
Dieses Experiment zeigt auch die unterschiedliche Betriebsweise von Solarstrom und Strom, der aus Akkus oder Batterien kommt. Der Strombedarf beim Anlaufen des Motors wird von vollen Akkus oder Batterien problemlos geliefert. Das Solarmodul im Direktbetrieb kann nur den Strom an den Verbraucher liefern, der durch die momentane Lichteinstrahlung (und den Wirkungsgrad der Solarzellen) umgewandelt wird. Wenn Sie eine 1,5-V-Batterie oder Akkuzelle zur Hand haben, schließen Sie sie spaßeshalber an den Motor an. 10 Solare Bewegungsenergie mit Starthilfe Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Motor, Elko 4.700 µf, Blink-LED Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder den vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. In dieser Schaltung wird der Elko vom Solarmodul aufgeladen. Die Blink-LED und der Solarmotor sind seriell mit dem Kondensatorspeicher verbunden. Mit zunehmender Ladung im Elko blinkt die LED. Sind genügend Licht und Energiefluss vorhanden, erhält der Solarmotor Stromimpulse, durch die eine pulsierende Drehbewegung erfolgen kann. Abb. 35: Steckbrettaufbau mit Drahtschalter 25
Abb. 36: Schaltplan Mit einem Drahtschalter können Sie nun den Motor direkt mit dem Elko verbinden. Ist der Elko geladen, dreht sich die Scheibe mit hoher Drehzahl. Zusatzversuche: Experimentieren Sie mit und ohne Drahtschalter und je einem 10-Ω-, 100-Ω- und 1-kΩ-Widerstand. Was verändert sich bei der Motordrehzahl und der Funktion? Abb. 37: Zusatzexperiment mit Widerständen Die Zusatzexperimente, wie in Abb. 37 dargestellt, zeigen, dass der Stromfluss zum Motor durch die Widerstände verändert werden kann und damit die Drehzahl beeinflusst wird. 26
11 Beschattung auf dem Solarmodul Ursachen und Auswirkung Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Motor oder LEDs mit Vorwiderstand Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Die Versuchsanordnung zeigt Abb. 38. Die LEDs (alternativ der Motor) werden am Modul angeschlossen, das Modul wird zur Lichtquelle ausgerichtet und die Motorwelle dreht sich. Führen Sie die Experimente draußen bei hellem Sonnenschein durch, ist der Motor als Verbrauchsanzeige besser, als es die LEDs sind. Das Leuchten der LED ist im hellen Umgebungslicht kaum zu sehen. Im Zimmer ist es auch möglich, die LED mit einem Stück Karton abzuschirmen. a) b) Abb. 38: Beschattung mit a) Karton und b) Folie 27
Beschatten Sie mit der Hand jetzt langsam einen Teil des Moduls. Die Drehzahl des Motors wird langsamer oder der Motor hört ganz auf, sich zu drehen. Abb. 39: An das Solarmodul können alternativ der Motor oder die LEDs mit dem 100-Ω-Vorwiderstand angeschlossen werden. Jetzt können Sie weitere Experimente dieser Art durchführen: Einen leichten Schatten durch eine zusätzliche Glasscheibe oder eine matte Folie erzeugen, die zwischen Lichtquelle und Solarmodul gehalten wird. Einen harten Schatten durch ein Stück Pappe oder Holz erzeugen, das Sie direkt über das Solarmodul halten. Einzelne Solarzellen des Solarmoduls beschatten, indem Sie ein Stück Pappe direkt auf eine oder mehrere Solarzellen des Solarmoduls legen. Abb. 40: Einzelne Solarzellen beschattet 28
Bei großen PV-Anlagen, die mit kristallinen Solarmodulen ausgestattet sind, ist das Beschattungsthema immer wieder sehr brisant. Damit bei einer Teilbeschattung, z. B. durch ein Laubblatt, nicht der ganze Solargenerator ausfällt, werden Schottky-Dioden als Stromumleitung um die beschattete Solarzelle verwendet. Bei fehlerhaften Dioden kann es im Extremfall zu einem Hot Spot kommen, bei dem einzelne Solarzellen zerstört werden. 12. die Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle Versuchsaufbau Solarmodul, Steckbrett, Motor Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Abb. 41: Experiment mit Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle 29
a) b) Abb. 42: Zwei prinzipiellen Ausrichtungen Nehmen Sie das Solarmodul zwischen Daumen und Zeigefinger (ohne die Oberfläche zu beschatten) und richten Sie die Oberfläche des Moduls möglichst rechtwinkelig zur Lichtquelle aus. Wie schnell dreht sich die Motorachse? Variieren Sie nun durch Hin- und Herbewegen des Solarmoduls die Ausrichtung zur Lichtquelle und beobachten Sie den Motor. Je senkrechter die Lichtstrahlen auf das Solarmodul auftreffen, desto mehr Lichtenergie können die Solarzellen in elektrischen Strom umwandeln und damit den Motor versorgen. Abb. 43: Schematische Darstellung des Neigungswinkels zur Lichtquelle. Die Anzahl der auf das Solarmodul auftreffenden Pfeile steht für die Lichtintensität. Richten Sie das Solarmodul durch Unterlegen von Pappe, Holzklötzchen usw. genau zur Sonne oder einer anderen Lichtquelle aus. Beobachten Sie den Motor. Wie weiter oben beschrieben, dreht sich die Motorachse. Nun haben Sie sich eine Pause verdient. Warten Sie z. B. eine Stunde (oder auch mehrere Stunden) 30
und sehen Sie sich dann Ihre Versuchsanordnung wieder an. Die Sonne steht nicht mehr genau senkrecht zum Solarmodul, der Motor dreht sich langsamer oder ist sogar stehen geblieben. Da sich die Lichtquelle Sonne am Himmel von Osten nach Westen bewegt (natürlich nur scheinbar), sollte das Solarmodul optimalerweise in der Ausrichtung der Sonne nachgeführt werden. 13 Einfluss der Temperatur auf das Solarmodul Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Motor oder LEDs, Widerstand 100 Ω, schwarze Folie oder Pappe, Thermometer Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. In diesem Versuch können Sie sich mit dem Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistungsabgabe des Solarmoduls beschäftigen. Das Solarmodul sollte direkt zur Sonne ausgerichtet sein, der Motor oder eine LED können als Leistungsanzeige verwendet werden. Schwarzes Papier oder Pappe, die vorübergehend auf das Solarmodul gelegt werden, wärmen dieses stärker auf. Ist kein Thermometer zur Hand, kann die Temperatur auch mit dem Finger gefühlt werden. 31
Abb. 44: Versuchsaufbau welchen Einfluss hat die Temperatur auf das Solarmodul? Zur Temperaturaufnahme wurde ein Oberflächenthermometers mit einem Klebestreifen hinten am Modul befestigt. Wenn Sie dieses Experiment an einem warmen, sonnigen Sommertag durchführen (vorteilhaft), brauchen Sie natürlich keine schwarze Pappe. Sie würde den Aufwärmungseffekt verstärken. Eine schwarze Oberfläche nimmt die Wärme schneller auf. Bauen Sie die Versuchsanordnung in direkter Sonne auf und sehen Sie nach der Leistungsabgabe des Motors oder der eingesteckten LED. Fühlen Sie mit der Hand die Oberflächentemperatur des Solarmoduls. Die blaue Oberflächenbeschichtung des Solarmoduls dient dazu, dass möglichst viel Licht absorbiert und möglichst wenig reflektiert wird. Der Nachteil: Die Oberfläche wärmt sich entsprechend stark auf. Bei direktem Sonnenschein ist eine Erwärmung der Moduloberseite auf über 60 C keine Seltenheit. Durch das Experiment können Sie erkennen: Der an das Solarmodul angeschlossene Verbraucher läuft bei zunehmender Erwärmung des Solarmoduls etwas langsamer. Legen Sie das Modul eine halbe Stunde in den Kühlschrank und wiederholen Sie das Experiment mit dem Solarmodul bei gleicher Sonnenintensität und angeschlossenem Motor. 32
14 mehr Solarenergie durch Spiegeltechnik Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Motor, Spiegel (z. B. spiegelnde Metalle, Spiegelfliesen, Kosmetikspiegel, Spiegelfolie usw., der Spiegel sollte mindestens so groß sein wie das Solarmodul) Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Der Versuchsaufbau mit dem Solarmodul und dem Motor ist identisch mit den vorhergehenden Versuchen. Beim Positionieren der Spiegel können Sie das gespiegelte Licht, je nach Ausrichtung des Spiegels, auf dem Tisch, an der Wand oder auf dem Solarmodul sehen. Durch den Spiegel sollte das Solarmodul nicht beschattet werden. Wenn das gespiegelte Licht zusätzlich zum direkten auf das Solarmodul fällt, beobachten Sie bitte den Motor. a) Spiegelposition vorn, unterhalb des Solarmoduls. Durch Veränderung des Neigungswinkels vom Spiegel zum Modul kann die doppelte Lichtmenge auf das Modul gebracht werden. Abb. 45: Im Versuch wurde eine Spiegelfliese unter das Solarmodul gelegt. b) Durch zwei Spiegel seitlich rechts und links, bei guter Ausrichtung der Spiegel zum Modul, kann eine bis zu dreifache Lichtmenge auf das Modul gebracht werden. 33
Abb. 46: Das Spiegelprinzip: Die vom Spiegel auf das Solarmodul reflektierten Lichtstrahlen bringen zusätzliche Energie. Zu beachten ist, dass der Einfallswinkel auf den Spiegel gleich dem Ausfallswinkel zum Solarmodul ist. Ist der Spiegel im richtigen Winkel zum Solarmodul ausgerichtet, wird die Lichtleistung zum Solarmodul um den gespiegelten Anteil erhöht. Damit kann auf eine einfache Weise die elektrische Leistungsabgabe des Solarmoduls erhöht werden. 15 Solarenergie speichern Experimentieraufbau: Solarmodul, Steckbrett, Vorwiderstand 100 Ω, LED rot, grün, orange, Blink-LED, Elko 100 µf und Elko 4.700 µf Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (Schatten, bewölktem Himmel). Stimmt die Behauptung, dass die geringe Leistungsabgabe Ihres Solarmoduls durch sinnvolle Speicherung des Stroms über eine lange Zeit eine hohe Energiemenge ergeben kann? Das für unsere Sinne unsichtbare Prinzip des elektrischen Stroms lässt sich mit einem Prinzip, das wir beim Wasser beobachten können, vergleichen und erklären: Ein Wasserhahn (Ihr Solarmodul), der über viele Stunden tropft, füllt nach und nach einen 10-l-Eimer mit Wasser. Abb. 47: Das Prinzip der Energiespeicherung erklärt anhand des tropfenden Wasserhahns: Kleine Mengen über einen ganzen Tag füllen ein großes Becken 34
Ein Solarmodul mit geringer Leistung lässt über den Tag bei Sonnenschein Milliamperestunde für Milliamperestunde (mah) den aus der Sonne umgewandelten Strom in den Energiespeicher tröpfeln. Die Einheit mah quantifiziert den Strom pro Stunde, im Gegensatz zur Angabe ma, die den augenblicklichen Stromfluss benennt. Dem Lernpaket liegen Elkos bei, die Strom speichern können. Der Vorteil des Kondensatorspeichers liegt in seiner sehr langen Lebensdauer. Im Vergleich zum Akku ist die Speicherkapazität aber nur gering, was für die Experimente den Vorteil hat, dass das Prinzip der Speicherung in einer überschaubar kurzen Zeitspanne beobachtet werden kann. Die Anschlussdrähte der Elkos müssen vor dem Versuch kurzzeitig verbunden (kurzgeschlossen) werden, damit die Ladefunktion erfahren werden kann. Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (Schatten, bewölktem Himmel). a) 35
b) Abb. 48: Steckbrettaufbau verwenden Sie die Blink-LED. a) Stecken Sie zuerst den kleinen Elko mit 100 µf ein (der längere Anschlussdraht ist der positive Pol). b) Dann tauschen Sie ihn gegen den Elko mit 4.700 µf aus. Was passiert nach dem Austausch? Die LED leuchtet nicht mehr, nach dem Einstecken der Elkos, dauert es einige Zeit, bis die LED wieder leuchtet oder blinkt. Wird das Solarmodul abgedeckt, blinkt die LED weiter. Abb. 49: Die Elkos C1 und C2 sowie die LEDs können für die Versuche ausgetauscht werden. Denken Sie beim Anschluss der LEDs an den Vorwiderstand R1. Versuchsreihe: a) Den Elko 100 µf einstecken, Polung beachten! Was passiert? Die Blink-LED macht eine kurze Pause, dann blinkt sie wieder. b) Den Elko 4.700 µf einstecken. Was passiert? Die Blink-LED macht eine längere Pause, dann blinkt sie wieder. c) Versuchsanordnung wie in b) belassen, bis die LED blinkt. Dann den Elko 4.700 µf aus dem Steckbrett herausziehen. Als Nächstes das Solarmodul beschatten. Die LED hört sofort auf zu blinken. Nun den Elko wieder in die vorherigen Kontaktreihen einstecken und das Solarmodul weiterhin beschatten. Die LED blinkt, obwohl kein Strom vom Solarmodul kommt. 36
Ergo: Die Ladung im Energiespeicher -Elko bleibt über längere Zeit erhalten. Abb. 50: Versuchsaufbau, der Elko wird ausgetauscht. d) Wenn der Elko geladen ist, blinkt die LED. Dann klemmen Sie das Solarmodul ab. Beobachten Sie, wie lang die LED blinkt und ihren Strom nur vom Speicher- Elko bezieht. Je größer der Kondensatorspeicher ist, desto länger wird die LED, auch ohne Strom vom Solarmodul, blinken. Mit einem Gold-Cap könnte somit die fehlende Stromversorgung durch das Solarmodul (z. B. bei Dunkelheit) über eine lange Zeit überbrückt werden. e) Nun lassen Sie den vorher geladenen Elko am Solarmodul über Nacht angeschlossen (ohne LED), sodass kein Licht mehr darauf fällt. Am anderen Tag prüfen Sie mit einer Blink-LED, wie viel Ladung noch im Kondensator ist. Die Blink-LED zeigt wenig oder keine Reaktion. Was ist passiert? Der Elko hat sich über das Solarmodul rückwärts entladen. 37
16 gespeicherte Solarenergie und mechanische Energie Experimentieraufbau: Solarmodul, Steckbrett, Elko 4.700 µf, Motor, Blink-LED Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel). Wenn Sie den Motor mit dem Solarmodul direkt verbinden, kann es sein, dass die vom Solarmodul kommende Energiemenge nicht ausreicht, um den Motor selbsttätig anlaufen zu lassen. Abb. 51: Schaltplan verwenden Sie die Blink-LED als Betriebsanzeige. Stecken Sie zuerst den 100- µf-elko und dann denn 4.700-µF-Elko parallel zu den Anschlüssen des Solarmoduls. Wird der Motor mit dem Kondensator verbunden, macht die Motorwelle mehrere Umdrehungen. Unter Umständen reicht die Anlaufhilfe des Elkos schon dafür aus, dass der Motor mit dem geringen Strom des Solarmoduls weiter laufen kann. Abb. 52: Der Motor wird vorübergehend an denselben Kontaktstellen wie der Elko angeklemmt. Der Motor dreht ein paar Umdrehungen, die LED blinkt nicht mehr und es dauert ein paar Sekunden, bis die LED wieder anfängt zu blinken, wenn der Motor wieder abgeklemmt wurde. Der Motor hat den Elko gänzlich entladen. 38
17 Solarenergie, Ladeüberwachung und Tankanzeige Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Blink LED, rote LED, Diode 1N4148, grüne LED, Elko 4.700 µf, Widerstand 1 K, Widerstand 2,2 K, Drahtschalter; Zusatzversuch: Akku Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder den vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Ist der Energiespeicher nun leer, halb voll oder voll? Dazu brauchen wir eine Anzeige, ähnlich der Tankanzeige beim Kfz. Die Tankanzeige eines Akkus ist nur sehr viel komplizierter. Um alle Faktoren in den Griff zu bekommen, gibt es raffinierte Überwachungselektroniken mit Mikroprozessoren und aufwendiger Software. In Abb. 53 sehen Sie den Versuchsaufbau einer einfachen Ladezustandsanzeige, die Sie mit den Teilen Ihres Lernpakets aufbauen können. Die obere rote LED zeigt den Ladestrom zum Energiespeicher an und leuchtet, solange der Elko geladen wird. Die mittlere Blink-LED in Verbindung mit der Diode beginnt zu leuchten (zeigt an), wenn der Elko (oder ein Akku) voll geladen ist. Abb. 53: Versuchsaufbau auf dem Steckbrett 39
Abb. 54: Schaltplan der Ladezustandsanzeige Die einfache Akku-Anzeige wird über die Spannungsmessung des Akkus realisiert. Vorteilhaft ist, die Spannung unter Last durchzuführen. Die Last sollte dabei einen Stromverbrauch von 10% der Kapazität des Akkus haben und könnte im Moment der Messung durch einen Taster aktiviert werden. Die einfache Akku-Tankanzeige wird über die Spannungsmessung des Akkus realisiert. Ein Fortschritt wäre, die Spannungsmessung unter Last durchzuführen. Die Last sollte dabei einen Stromverbrauch von 10 % der Kapazität des Akkus haben und könnte im Moment der Messung durch einen Taster aktiviert werden. Abb. 55: Zusätzliche Last mit orangefarbener LED oder Motor (Musterschaltung) 18 Solarenergie und Rückstromsperre Experimentieraufbau: Solarmodule, Steckbrett, Elko, Taster, Siliziumdiode, Vorwiderstand, LED rot Dieser Versuch sollte mit gleichmäßig hellem Sonnenschein (oder Schreibtischlampe) durchgeführt werden. 40
Abb. 56: Prinzip der Schaltung mit Sperrdiode Beim solaren Laden eines Elkos, Gold-Caps oder Akkus würde sich die Ladung nachts wieder über das Solarmodul entladen. Daher muss eine Rückstromsperre in Form einer Diode eingefügt werden. Die Diode funktioniert wie ein Ventil, das den Energiestrom nur in der einen Richtung zulässt und in der anderen Richtung verhindert. Drehen Sie einmal die Diode im Steckbrett herum. Die LED blinkt nun nicht mehr, da der vom Solarmodul kommende Strom gesperrt wird. Sperrdioden verhindern die Entladung der Speicherbatterie über die unbeleuchtete Solarzelle. Abb. 57: Steckbrettaufbau, die Sperrdiode ist unten links zu erkennen. 41
19 Akkus mit Solarenergie laden Um beim Wasservergleich zu bleiben: Für das Auffangbecken und damit den Energiespeicher wird nun mit einem Akku experimentiert. Ein Akku kann Einwegbatterien ersetzen und in fast allen tragbaren elektronischen Geräten zum Einsatz kommen. Abb. 58: Für viele tragbare elektronische Geräte sind die Akkutypen Micro, AAA und Mignon, AA gut verwendbar. Versuchsaufbau: Solarmodule, Steckbrett, Widerstand, LED, zusätzlich ein Akku Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen, direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Die einfachste Möglichkeit der Ladetechnik ist die Konstantstromladung. Der Akku wird über einen bestimmten Zeitraum mit einem definierten Strom geladen. Bei der einfachen Konstantstromladung eines Akkus ist es übliche Praxis, diesen mit 1/10 des Stroms der Kapazitätsangabe 14 Stunden lang zu laden. Die Ladestrombegrenzung wird bei einfachen Netzladegeräten durch einen Widerstand realisiert, der zwischen Netzteil und Akku eingefügt ist. Bei Solarladegeräten wäre diese Vorgehensweise aber unsinnig. Hier kann der Ladestrom verlustfrei durch die Dimensionierung (Größe) der Solarzellen oder des Solarmoduls erreicht werden. Somit braucht es bei entsprechender Dimensionierung des Solarmoduls nicht einmal einen Vorwiderstand. Das Solarmodul aus dem Lernpaket, das bei vollem Sonnenschein 35 ma Strom liefert, kann gefahrlos eine Akkuzelle laden. Diese Verhältnismäßigkeit ändert sich bei größeren (leistungsfähigeren) Solarmodulen, 42
die mehr Strom liefern können. Dann ist eine Ladestrombegrenzung oder eine Ladeelektronik dringend erforderlich, ansonsten würde der Akku zerstört. Abb. 59: Schaltplan und Versuchsaufbau einfacher Solarlader; die Diode wurde eingefügt, damit sich der Akku nachts nicht über das Solarmodul entlädt. Abb. 60: Steckbrettaufbau: Ladestromanzeige mit einer LED (dient gleichzeitig als Entladeschutz) 20 Chemische Prozesse mit Solarenergie Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Schale, Wasser, Natron oder Kochsalz, rote LED, Elko 4.700 µf Dieser Versuch funktioniert auch mit wenig Licht (bewölktem Himmel), die sichtbare Reaktion im Wasser wird bei voller Sonne oder starker Lichtquelle deutlicher. 43
Abb. 61: Versuchsaufbau Wasseraufspaltung. Abb. 62: Der Prinzipschaltplan für die Wasseraufspaltung zeigt ein Solarmodul und die Elektroden. Versuchsaufbau: eine Schale mit Wasser und etwas Natron oder Kochsalz. Reines Wasser leitet den Strom sehr schlecht. Wird dem Wasser Natron zugesetzt, entstehen bei der elektrischen Aufspaltung Sauerstoff und Wasserstoff. Wird Kochsalz verwendet, entstehen Sauerstoff und Chlorgas. Als Elektroden können Sie zwei Drähte, ca. 5 cm lang, verwenden, deren Enden etwa 2 cm abisoliert wurden. a) Ordnen Sie die blanken Enden der Drähte in der Schale unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche senkrecht im maximalen Abstand nebeneinander an und fixieren Sie sie mit Wäscheklammern an der Wasserschale. Durch die zwei Drähte als Elektroden wird der solare Gleichstrom in die Flüssigkeit geleitet. (An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse Reaktionsprodukte aus den in der Flüssigkeit enthaltenen Stoffen.) 44
b) Schließen Sie die Drahtelektroden an die Solarmodule an. Wenn Sonnenstrahlen auf das Solarmodul scheinen, können Sie sehen, dass an den beiden Drahtenden in der Flüssigkeit Bläschen aufsteigen am Minuspol etwa doppelt so viele wie am Pluspol. c) Eine zusätzliche LED in Reihe zeigt den Stromfluss an. Da der Strom sehr gering ist, können Sie das schwache Leuchten der LED mehr oder weniger wahrnehmen. Abb. 63: Um zusätzlich den Stromfluss zu zeigen, wird eine LED in den Stromkreis eingefügt. Der zusätzliche Elko C1 ist für die Funktion der Schaltung nicht zwingend erforderlich, stabilisiert aber die Funktion. 45
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