Solarzellen untersuchen – Vorbereitung auf das Schülerexperiment

Eine Solarzelle auf dem Schuldach versorgt ein angeschlossenes Gerät. Wie viel elektrische Leistung das Gerät erhält, hängt auch davon ab, welcher Widerstand im Stromkreis angeschlossen ist.

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Die Energie entsteht dabei nicht aus dem Nichts.

Die abgegebenen Werte hängen von der Beleuchtung, der Temperatur und dem angeschlossenen Widerstand ab. Im Experiment verändern wir innerhalb einer Messreihe gezielt nur den Widerstand.

Jeder Punkt der Kurve beschreibt einen Arbeitspunkt: Spannung U und Stromstärke I gehören zur selben Einstellung des Widerstands. Verändert sich der Widerstand, verschiebt sich der Arbeitspunkt entlang der Kennlinie.

Im Leerlauf fließt kein Strom: I = 0 A und U = U₀. Beim gezielten Kurzschluss ist U ungefähr 0 V und I = I_k. Beides wird im Versuch nur nach Anleitung gemessen.

Bei Punkt A sind 0,20 V und 0,49 A gleichzeitig vorhanden; ihr Produkt ist 0,098 W. Bei Punkt B sind es 0,45 V und 0,44 A; ihr Produkt ist 0,198 W. Obwohl B nicht die größte Spannung hat, ist das Produkt hier größer.

Die elektrische Leistung am angeschlossenen Gerät ist P = U · I. Der Maximum-Power-Point (MPP) ist der Arbeitspunkt mit der größten abgegebenen elektrischen Leistung bei den gerade herrschenden Bedingungen.

Hier liegt der MPP bei B: U_mpp = 0,45 V, I_mpp = 0,44 A und P_mpp = 0,198 W. Im Leerlauf und beim idealisierten Kurzschluss ist P = 0 W. U₀ und I_k gehören zu verschiedenen Arbeitspunkten; ihr Produkt ist nicht die maximale Leistung.

Bei stärkerer Bestrahlung steht bei vergleichbarer Temperatur typischerweise mehr elektrische Leistung zur Verfügung. Wie sich die Kennlinie in unserem Versuch verändert, messen wir erst dort. Ein MPP-Tracker passt den Betrieb an den Bereich größter Leistung an.

Das Amperemeter misst die Stromstärke im Stromkreis und liegt in Reihe mit dem Widerstand. Das Voltmeter misst die Spannung an der Solarzelle und liegt parallel zu ihr. Das Netzgerät versorgt ausschließlich die Lampe; ihr Licht beleuchtet die Solarzelle.

Bereit liegen: Solarzelle oder Schulmodul, Lampe mit eigener Versorgung, zwei Multimeter, Leitungen und ein veränderlicher Widerstand oder mehrere feste Widerstände; ein Beleuchtungssensor ist optional.

Ein Luxwert kann bei gleicher Lampe eine Änderung der Beleuchtung relativ anzeigen. Er ist hier keine direkte Angabe der Bestrahlungsstärke in W pro Quadratmeter. Bei einem Schulmodul für den echten Versuch sind andere Spannungswerte als in der Einzelzellen-Grafik möglich.

Messplan

1. Prüfe Schaltung, Messbuchsen und Messbereiche mit der Lehrkraft.
2. Stelle eine Beleuchtung ein und halte Lampeneinstellung, Abstand, Ausrichtung und Abschattung während dieser Messreihe gleich.
3. Bestimme Leerlaufspannung U₀ und Kurzschlussstromstärke I_k nur nach Anleitung.
4. Verändere den Widerstand schrittweise und notiere zu jeder Einstellung Spannung U und Stromstärke I als Paar; miss am Knick der Kurve dichter.
5. Wiederhole die Messreihe bei einer anderen Beleuchtung und vermeide starke Erwärmung der Solarzelle.
6. Berechne später zu jedem Wertepaar P = U · I und schätze daraus den MPP.

Das größte berechnete Produkt deiner Messwerte kennzeichnet zunächst nur den besten gemessenen Punkt. Zusätzliche Messpunkte in seiner Nähe können die MPP-Schätzung verbessern.

Sicherheit: Berühre eine heiße Lampe nicht. Stecke die Messleitungen in die passenden Buchsen und wähle geeignete Messbereiche. Schließe die Solarzelle nur für die angeleitete Kurzschlussmessung gezielt kurz.