H A N D B U C H SOLAR ASSISTENT “New Generation” Das moderne Experimentierset zur Energiegewinnung mit Solarzellen Erforschen - Begreifen - Verstehen HANDBUCH SOL-EXPERT group
Solar Assistent “New Generation” Erforschen - Begreifen - Verstehen Der Solar-Assistent “New Generation” zeigt auf einfachem Weg die Möglichkeiten der Photovoltaik. Im theoretischen Teil werden die Themen Sonne, Photovoltaik allgemein, Leistungserzeugung durch die Sonne, Testkriterien, Herstellung von Solarzellen, etc. erklärt. Ebenso werden die unterschiedlichen Möglichkeiten wie Inselanlage und Netzeinspeisung erläutert.
Inhaltsverzeichnis Das Experimentierset Solar-Assistent “New Generation” - Die Experimente Sinnvolle Hilfsmittel - Stückliste 4 Aufbau des Sets Aufbau Motorhalterung - Aufbau Solarzellenhalterung Die Sonne als Energiequelle Photovoltaik Das Prinzip - Der Wirkungsgrad - Die unterschiedlichen Solarzellen - Die Preise Die Herstellung von Solarzellen Die Umwandlung von Licht in Energie Die Funktion - Anwendungsbeispiele der Photovoltaik 5 6 7 8 9 Netzparallelanlagen Einspeisung ins öffentliche Stromnetz
Das Experimentierset Solar Assistent “New Generation” Das Experimentierset bietet die Möglichkeit, die Technik und die Eigenschaften von Solarzellen zur Stromgewinnung experimentell zu erforschen. Ziel hierbei ist es, das Thema Stromerzeugung durch Solartechnik zu verdeutlichen. Die Solarzellen, die als Grundlage aller Experimente dienen, bestehen aus monokristallinem Silizium und sind somit sehr hochwertig.
Aufbau des Sets Aufbau Motorhalterung Teileliste A 1x 1x B 1x 2x A 1 2 B D 1x 3x C 2 A B 3 E 1x H 1x G F C D D H E E D 1x F 1 F 1x Teileliste 1x 2x H 2x B D C Aufbau Solarzellenhalterung 1x A 1x E F B C 4 H G 5
Die Sonne als Energiequelle Die Sonne Die Sonne hat die 333000-fache Masse der Erde und ist der größte Energiespeicher unseres Sonnensystems. Mit einem Durchmesser von 1.392 Millionen Kilometern ist sie mehr als einhundert mal so groß wie die Erde. Die mittlere Entfernung von der Erde zur Sonne beträgt 150 Millionen Kilometer. Täglich erreichen uns Strahlen der Sonne nach einer Reisezeit von 8 Minuten. Dabei legt das Licht je Sekunde eine Entfernung von 299792,5 km zurück.
Photovoltaik Das Prinzip Die Umwandlung von Licht in elektrische Energie nennt man Photovoltaik. Diese Bezeichnung kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus den beiden Worten "phos = Licht" und "Volt - Einheit der elektrischen Spannung" zusammen. Entdeckt wurde die Photovoltaik bereits 1839 vom französischen Physiker Becquerel. Aber erst über 100 Jahre später wurde die erste Solarzelle in den Bell-Laboratorien entwickelt. Das war im Jahr 1954.
Die Herstellung von Solarzellen Material Das Material, aus dem Solarzellen hergestellt werden ist Quarzsand. Dieser wird durch ein spezielles Verfahren von Verunreinigungen befreit und dann zu einem Siliziumblock verarbeitet. Je nach Typ der Zelle sind hierfür unterschiedliche Verfahren notwendig. Bei monokristallinen Zellen wird ein Tiegelziehverfahren angewandt. Ein Siliziumkristall wird in das heiße, flüssige Silizium eingetaucht.
Die Umwandlung von Licht in Energie Die Funktion Das Licht besteht aus unzähligen winzigen Energieträgern, den Photonen. Treffen diese Photonen auf der Solarzelle auf, werden Elektronen auf der n- Schicht freigesetzt. Diese Elektronen versuchen nun zur p - Schicht zu wandern. Diese Wanderung nennt man den Stromfluß. Dieser findet immer von - nach + statt.
Netzparallelanlagen Einspeisung ins öffentliche Stromnetz Netzparallelanlagen dienen dazu, den Strom der durch die Photovoltaik erzeugt wird, in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Eine solche Netzparallelanlage besteht aus Solarmodulen, einem Netzeinspeiser, einem Hauptschalter und ggf. ein Erfassungssystem zur Auswertung der Einspeisedaten.
Inselanlagen 11 Stromversorgung unabhängig vom öffentlichen Stromnetz Inselanlagen kommen dort zum Einsatz, wo keine öffentliche Stromversorgung zur Verfügung steht. Wie es z.B. bei Wohnmobilen, Booten oder auch Almhütten in den Bergen der Fall ist. Um eine solche Inselanlage zu betreiben, benötigt man Solarmodule, Laderegler und Batterien und natürlich auch Verbraucher wie Lampen, Radios oder sonstiges.
Anwendungsbeispiele Beispiele Netzparallelanlage Bilder: Copyright www.sunset-solar.
Hinweise zu den Experimenten 13 Hinweise Geeignete Lichtquelle Besonders gut als Lichtquelle eignet sich das Sonnenlicht. Bei schlechtem Wetter kann aber auch eine Schreibtischleuchte mit einer Halogenlampe eingesetzt werden. Die Leistung dieser Lampe sollte bei ca. 50 - 75 Watt liegen. Bei der Halogenlampe muss auf die Temperaturentwicklung geachtet werden, da diese Lampen sehr heiß werden können.
Verschiedene Lichtquellen... Spannungsbereich = 2 V ...und deren Auswirkungen auf die Solarzellenleistung Strombereich = 10 / 20 A Nicht jede Lichtquelle eignet sich für die Solartechnik. Die verschiedenen Lichtquellen, die wir verwenden wollen, sollten den gleichen Abstand (ca. 30 cm) zu den Solarzellen haben. Unterschiedliche Lichtquellen erzeugen unterschiedliche Leistungen bei Solarzellen. Die beste Lichtquelle für die Photovoltaik ist das Sonnenlicht.
Lichtfilter 15 Spannungsbereich = 2 V Auswirkung von Lichtfiltern Strombereich = 10 / 20 A Herkömmliche Lichtfilter in der Solartechnik sind in erster Linie verschiedene Bewölkungszustände. So reicht das Bewölkungsspektrum von “klarer Himmel” über leichte, mittlere bis hin zur starken Bewölkung Durch die Filterung des Lichts, gehen verschiedene Lichtspektren verloren. Je nach Folienfarbe werden unterschiedliche Lichtspektren herausgefiltert. Daher gibt die Solarzelle jeweils eine andere Leistung ab.
Die Spannungserhöhung durch die Reihenschaltung Spannungsbereich = 2 V Reihenschaltung Strombereich = 10 / 20 A Um die Spannung einer Solaranlage zu erhöhen, müssen einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet werden. Das ist z.B. typisch für Standardmodule, da diese in der Regel aus 36 - 40 Zellen bestehen, welche in Reihe geschaltet sind.
Die Stromerhöhung durch die Parallelschaltung 17 Spannungsbereich = 2 V Parallelschaltung Strombereich = 10 / 20 A Um den Strom eines Solarmoduls zu erhöhen, müssen einzelne Solarzellen parallel geschaltet werden. Um dieses zu beweisen, erstellen wir die folgende Schaltung. Zu beachten ist hierbei, daß nur Solarzellen des gleichen Typs parallel geschaltet werden dürfen.
Die Teilabschattung von Solarzellen Spannungsbereich = 2 V Zellenabschattung Strombereich = 10 / 20 A Teilabschattungen führen zu erheblichen Leistungsverlusten von Solarzellen. Das Verhältnis von der prozentualen Abschattung zur Leistungsminderung der Solarzellen wollen wir nun bestimmen. Abdeckung 0 % Abdeckung 25 % Abdeckung 50 % Abdeckung 75 % Abdeckung 100 % Je mehr eine Solarzelle abgeschattet wird, desto weniger Leistung erzeugt diese.
Die Abschattung von Solarzellen in der Reihenschaltung 19 Spannungsbereich = 2 V Zellenabschattung Strombereich = 10 / 20 A Zellenabschattungen bei der Reihenschaltung führen zu einem totalen Leistungsausfall des Systems, da die abgeschattete Solarzelle einen hohen Innenwiderstand erreicht und somit den Stromfluss deutlich mindert. Abhilfe schafft hier die Bypass Diode! (s. auch S.20) Wird eine Zelle bei der Reihenschaltung abgeschattet, fällt die Gesamtleistung auf null ab.
Die Abschattung von Solarzellen in der Parallelschaltung Spannungsbereich = 2 V Zellenabschattung Strombereich = 10 / 20 A Teilabschattungen bei der Parallelschaltung von Solarzellen führen zwar zu einem Leistungsverlust nicht aber zum totalen Leistungsausfall des Systems. Dieses werden wir nun experimentell beweisen. Wird bei der Parallelschaltung eine Solarzelle abgeschattet, reduziert sich die Gesamtleistung um diese Solarzellenleistung.
Tipps & Tricks 21 1 Das Szenario: Ein Blatt fällt auf eine einzelne Solarzelle eines Solarmoduls. Was geschieht mit der Gesamtleistung des Moduls? Ein Solarmodul in einem Anlagenverbund ist stark verschmutzt oder es befinden sich z.B. Blätter auf diesem. Das Solarmodul erzeugt nun deutlich weniger Strom. Dies würde dazu führen, dass die Gesamtleistung des Verbundes erheblich beeinträchtigt wird. Um das zu vermeiden, ist in jedem Solarmodul eine Bypassdiode angebracht.
Horizontale Achsbewegung Spannungsbereich = 2 V Horizontale Nachführung Strombereich = 10 / 20 A Dieser Versuch verdeutlicht, dass verschiedene Dachneigungen unterschiedliche Leistungen der Solarzellen hervorrufen. Der Winkel “Dachneigung” kann seitlich an der Solarzellenhalterung abgelesen werden.
Vertikale Achsbewegung - Nachführanlagen 23 Spannungsbereich = 2 V Vertikale Nachführung Strombereich = 10 / 20 A Lohnt es sich eine Solaranlage vertikal der Sonne nachzuführen? Und wie verhält sich der Winkel zum Ertrag? Ein interessanter Versuch mit spektakulärem Ergebnis.
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