User manual
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Arten von Solarzellen
Elektrische Kennlinien
Degradation und Recycling
Nun gibt es noch eine weitere Unterscheidung verschiedener Silizium Solarzellen: Es kommt auch auf den Kristallaufbau an! Unser Solar
Modul besteht aus monokristallinen Zellen. Man stellt sie aus Wafern her, so werden einkristalline Silizium Scheiben genannt. Das Wort
“mono” bezieht sich darauf, dass die Scheiben überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen, daher sehen sie “einfarbig” aus.
Außerdem gibt es polykristalline Zellen, diese sind verbreiteter, da sie auch preiswerter sind. Sie haben nicht überall die gleiche Kristallori-
entierung und sehen deshalb “gemustert” aus. Amorphe Zellen haben einen sehr geringen Wirkungsgrad, eignen sich aber dafür sehr gut
für Taschenrechner oder Uhren, da sie Vorteile bei wenig Licht bieten.
Natürlich ist es wichtig zu wissen, wie leistungsstark, hochwertig und langlebig ein Solarmodul ist. Dafür gibt es die so genannten
elektrischen Kennlinien, die ein Modul klassizieren. Wenn man das Brick’R’knowledge Solar Modul umdreht, ndet man auch einige
dieser Daten.
Pm = 15W = Maximale erzielbare Leistung in standardisierten Bedingungen.
Vmp = 18V = Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt.
Imp = O,822 A = Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung.
Voc = 21,6V = Leerlaufspannung.
Isc = 0,916A = Kurzschlussstrom.
Die Kennlinie hängt auch von der Verschaltung der Solarzellen ab. Hohe Efzienz wird beispielsweise durch Verschaltung möglichst
gleichartiger Solarzellen ermöglicht. Die (Spitzen-) Nennleistung wird meist in Wp (Watt Peak) angegeben. Bei unserem Solar Modul
liegt die (Spitzen-) Nennleistung bei 15W. Dieser Wert ist allerdings fast nur erreichbar bei Laborbedingung (STC= Standard Test
Conditions). Die STC Konditionen sind auch auf dem Brick’R’knowledge Modul angegeben. Bei STC Bedingungen beträgt die Lichtein-
strahlung 1000W/m, die Zelltemperatur 25°C, der Einstrahlungswinkel 90° und das Lichtspektrum AM 1,5. AM bedeutet Air mass
(auf deutsch Luftmasse) und ist das relative Maß für die Länge des Weges, den das Licht eines Himmelskörpers (zum Beispiel die Sonne)
durch die Erdatmosphäre bis zum Erdboden zurücklegt. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der von der Solarzelle erzeugten elektri-
schen Leistung und der Leistung der einfallenden Strahlung der Sonne.
Wenn man also eine elektrische Leistung von 300W hat und die Leistung der einfallenden Strahlung bei 1500W liegt, ergibt sich folgende
Gleichung:
Dieses Modul hat also einen Wirkungsgrad von 20%.
Watt ist die Einheit der Leistung. Leistung ist deniert als Energieumsatz pro Zeitspanne. Die Einheit Watt ist benannt nach James Watt.
Er ist bekannt für seine Verbesserung des Wirkungsgrades bei Dampfmaschinen. Ein hoher Wirkungsgrad ist immer erstrebenswert, da er
zu einer größeren Ausbeute an elektrischem Strom führt, obwohl die Lichtverhältnisse und die Fläche der Solarzellen gleich sind.
Degradation ist die altersbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen. Bei Solarzellen ist es der Rückgang
des Wirkungsgrades im Laufe der Zeit, zum Beispiel ein Verlust von 11% innerhalb von 25 Jahren. Im Weltraum passiert
die Degradation schneller, weil die Strahlung höher ist. Meistens geht der Wirkungsgrad aber schon früher zurück, zum
Beispiel durch Verschmutzung der Gläser. Aber selbst wenn ein Solar Modul irgendwann nicht mehr funktioniert, kann
es bis zu 95% recycelt werden. Bei einer Temperatur von circa 600°C werden die im Modul vorhandenen Kunststoffe
verbrannt. Zurück bleiben dann noch Glas, Metall, Füllstoffe und die Solarzellen. Die Glas- und Metallreste werden direkt
an Recyclingbetriebe weitergegeben. Durch einen chemischen Prozess namens Ätzen werden die Oberächenschichten
von der Solarzelle gelöst. Aus dem nun gewonnen Silizium der Solarzelle können wieder neue Solarzellen hergestellt
werden. Das Recyceln verbraucht sogar weniger Energie, als wenn man eine neue Solarzelle herstellt.
=
P elektrisch
P Licht
=
300W
1500W
20%
=
kg
s
1W 1
.
m
2
3
2
4.2 Was ist ein Akku?
Ein wichtiger Speicher
Rechenbeispiele
Jetzt kommt Chemie ins Spiel
Ein Akku (oder auch Akkumulator) ist ein Speicher für elektrische Energie, der wiederauadbar ist und die gespeicherte Energie wieder
abgeben kann. Ein Akku besteht aus mehreren Sekundärzellen. Zellen, die sich nicht oder nur begrenzt wieder auaden lassen, nennt man
Primärzellen. Sekundärzellen können zu einem Akku zusammengeschaltet werden. Entweder in Reihenschaltung, dies führt zu einer Steige-
rung der nutzbaren elektrischen Spannung, oder in Parallelschaltung, dies führt zur Steigerung der nutzbaren Kapazität.
Beide Schaltungen führen aber zu einer Erhöhung des Gesamt-Energiegehalts, da dieser als das Produkt aus Strom und Kapazität deniert ist.
Was passiert, wenn man einen Akku auädt?
Kurz gesagt: Die elektrische Energie wird in der
Batterie in chemische Energie umgewandelt.
Wenn man an einen Akku einen Verbraucher, wie
zum Beispiel eine LED oder einen Motor, anschließt,
wird die chemische Energie wieder in elektrische
Energie umgewandelt. Wird ein Akku also geladen,
ießt Strom durch ihn, woraufhin im Inneren des
Akkus eine chemische Reaktion stattndet und sich
sowohl die positive als auch die negative Elektrode
chemisch verändern. Ist der Akku vollständig aufge-
laden, kann man diesem den zugeführten Strom
wieder entnehmen. Hierbei kommt es ebenfalls
wieder zu einer chemischen Reaktion, allerdings in
umgekehrter Reihenfolge als beim Ladevorgang.
Dem Akku kann schließlich solange Strom entnom-
men werden, bis innerhalb des Akkus keinerlei
chemische Reaktion mehr stattndet.
Der Gesamt-Energiegehalt wird in Wattstunden (Wh) angegeben und beträgt beim Akku Brick 16Wh. Hier ein einfaches Rechenbeispiel:
In unserem Brick Akku sind zwei kleinere Akkus verbaut. Jeder davon hat eine Spannung von 3,8V und eine Kapazität von 2300mAh
(Milliamperestunden), also 2,3Ah. Das bedeutet, dass er z.B. eine Spannung von 3,8V mit einer Stromstärke von 2,3A eine Stunde lang
abgeben kann, bis er leer ist.
Da im Akku Brick aber 2 Akkus zusammengeschaltet sind, muss man das Ergebnis verdoppeln, somit kommt man auf 17,4Wh.
Auf dem Aufkleber des Akku Bricks steht als Kennwert 16Wh. Diese Differenz - zwischen unserer Rechnung und der Realität - kommt
dadurch zu Stande, dass im Brick noch einige andere Komponenten verbaut sind, wie zum Beispiel ein Mikrocontroller, der auch Strom
verbraucht.
Da der Akku eine Leistung von 16Wh hat und die Leistungsentnahme 1W beträgt, könnte der Brick Akku den Highpower LED Brick
16 Stunden lang betreiben, bis er leer ist.
Ein weiteres Rechenmodell:
Es gilt:
Watt= Spannung×Stromstärke
Entlädt man den Akku mit einem Stromuss von 111mA bei einer Nennspannung von 9V, entspricht das einer Leistungsentnahme von
ca. 1 Watt pro Stunde also:
3,8V×2,3A =8,7W
0,111A×9V=1W
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