1. Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve ... - VET-Consultancy
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<strong>1.</strong> <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong>, <strong>Leistungskurve</strong><br />
und Wirkungsgrad des Solarmoduls<br />
Hintergrund:<br />
Gegeben ist ein Datenblatt eines Solarpanels. Der Schüler soll messtechnisch die Daten eines kleinen<br />
Solarmoduls erfassen und interpretieren. Sie können Solarmodule an Hand ihrer Kenndaten<br />
beurteilen.<br />
http://www.bgsolarpanels.com<br />
STC = Standard Test Conditions<br />
• Einstrahlung 1000 W/m 2<br />
• Umgebungstemperatur 25°C<br />
• AM 1,5 (Air-Mass = engl. Luftmasse)<br />
Benötigte Geräte und Materialien:<br />
• Solarmodul (U = 2 V, I = 380 mA; 4 Zellen 25mm x 50 mm, A = 5∙10 -3 m 2 )<br />
• 2 Multimeter<br />
• Widerstandsdekade<br />
• Messleitungen
Aufbau der Schaltung:<br />
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Durchführung des Experimentes:<br />
Stellen Sie mit der Widerstandsdekade die Widerstände der folgenden Tabelle ein und messen sie die<br />
Spannung und den dazugehörigen <strong>Strom</strong>. Messen Sie den Kurzschlussstrom und die<br />
Leerlaufspannung.<br />
Berechnen Sie die jeweilige Leistung P = U∙I<br />
R/Ohm U/V I/mA P/mW<br />
∞<br />
330,00<br />
220,00<br />
100,00<br />
33,00<br />
10,00<br />
3,30<br />
1,00<br />
0,33<br />
0,10<br />
0,00<br />
Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des <strong>Strom</strong>es von der Spannung<br />
graphisch dar:<br />
Isc = ____ mA<br />
Voc = ___ V
Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit der Spannung graphisch dar:<br />
Der Punkt der maximal abgegebenen elektrischen Leistung ist ein Extrempunkt der <strong>Leistungskurve</strong>. Er<br />
liegt dort, wo das Produkt aus Spannung und <strong>Strom</strong>stärke am größten ist: P MPP = U MPP ∙I MPP<br />
In diesem Beispiel liegt er bei: P MPP = ____ V ∙ ____ A =____ W<br />
Berechnung des Wirkungsgrades:<br />
Mit den Messwerten und den Daten der Solarzelle kann der Wirkungsgrad η berechnet werden.<br />
SolarModul:<br />
P max = 1000 W/m 2<br />
U MPP = 2V<br />
I kmax = 380 mA<br />
ModulFläche: 4 Zellen 25mm x 50 mm, A = 5∙10 -3 m 2<br />
Der Wirkungsgrad η ist definiert als das Verhältnis aus der eingestrahlten Leistung P in und der von<br />
der Solarzelle abgegebenen elektrischen Leistung P out am Punkt maximaler Leistung.<br />
Der Kurzschlussstrom ist proportional zur eingestrahlten Lichtleistung.<br />
Der Kurzschlussstrom muss mit einem Faktor multipliziert werden, um eine quantitative Aussage<br />
über die Lichtleistung zu erhalten. Dieser Faktor hängt von dem Maximalwert<br />
des Kurzschlussstromes der Solarzelle ab. Der Faktor F wird nach folgender Formel berechnet:<br />
Zur Berechnung benutzen Sie folgende Formeln:
Ergänzen Sie die Tabelle:<br />
Peak power<br />
Open-circuit voltage<br />
Short-circuit current<br />
Current at maximum power<br />
Voltage at maximum power<br />
Modul efficiency<br />
Pmax<br />
Voc<br />
Isc<br />
Impp<br />
Vmpp
2a. <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> des PEM-Elektrolyseurs<br />
Hintergrund:<br />
Der PEM-Elektrolyseur zersetzt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, dafür muss die an den<br />
Elektrolyseur angelegte Spannung einen bestimmten Wert überschreiten, die<br />
Zersetzungsspannung des Wassers. Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt.<br />
Im folgenden Versuch soll untersucht werden, wie groß diese Spannung ist.<br />
Benötigte Geräte und Materialien:<br />
• PEM-Elektrolyseur<br />
• Netzgerät<br />
• PEM-Brennstoffzelle<br />
• Platine mit Widerstandsdekade<br />
• Amperemeter<br />
• Voltmeter<br />
• diverse Kabel mit Steckverbindern<br />
• destilliertes Wasser zum Nachfüllen des PEM-Elektrolyseurs<br />
Aufbau der Schaltung:<br />
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.<br />
Durchführung des Experimentes:<br />
Stellen Sie mit dem Netzgerät die Spannungen in der Tabelle ein und messen sie den dazugehörigen<br />
<strong>Strom</strong>.<br />
U/V<br />
0,0<br />
0,5<br />
1,0<br />
1,2<br />
1,3<br />
1,4<br />
1,5<br />
1,6<br />
1,7<br />
1,8<br />
1,9<br />
2,0<br />
I/A
Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des <strong>Strom</strong>es von der Spannung<br />
graphisch dar:<br />
Nach dem Erreichen der Zersetzungsspannung U = 1,5 V steigt der <strong>Strom</strong> sehr stark an.<br />
Betreiben Sie den Elektrolyseur oder die reversible Brennstoffzelle nie über 2 Volt!
2b. Wirkungsgrad des PEM – Elektrolyseurs<br />
Hintergrund:<br />
Im Elektrolyseur wird die zugeführte elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt. Der Heizwert<br />
von Wasserstoff H H2 gibt an, welche Menge an Energie bei einer Verbrennung von 1 m 3 Wasserstoff<br />
genutzt werden kann. Zur Bestimmung des Wirkungsgrads des Elektrolyseurs sind folgende<br />
Kennwerte und Formeln bekannt:<br />
Wirkungsgrad η:<br />
Nutzenergie:<br />
Zugeführte Energie:<br />
Anmerkungen:<br />
E out = V H2 ∙ H H2<br />
E in = U∙I∙T<br />
Heizwert H H2 = 10,8 10 6<br />
Benötigte Geräte und Materialien:<br />
• PEM-Brennstoffzelle<br />
• Spritze<br />
• Amperemeter<br />
• Voltmeter<br />
• diverse Kabel mit Steckverbindern<br />
• destilliertes Wasser<br />
Aufbau der Schaltung:<br />
Durchführung des Experimentes:<br />
Schalten Sie das Labornetzgerät ein und wählen Sie eine Spannung von U = 1,8 V.<br />
V H2 /cm 3 t/s U/V I/mA<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5
Stellen Sie die Messreihe in einem Diagramm dar.<br />
Berechnen Sie den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. Nutzen Sie hierfür die angegebenen Kennwerte<br />
und Formeln sowie Ihre Tabellenwerte.<br />
H H2 = Brennwert des Wasserstoffs = 10,8 10 6<br />
V H2 = erzeugte Menge Wasserstoff in m 3<br />
U = Mittelwert der Spannung in V<br />
I = Mittelwert des <strong>Strom</strong>s in A<br />
t = Zeit in s
3a. <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> und <strong>Leistungskurve</strong> der PEM-<br />
Brennstoffzelle<br />
Hintergrund:<br />
In der Brennstoffzelle reagieren der von außen zugeführte Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser,<br />
dies geschieht unter Abgabe von elektrischem <strong>Strom</strong> und Wärme. Die Leistung der Brennstoffzelle<br />
ist vom Lastwiderstand abhängig.<br />
Im folgenden Versuch soll untersucht werden, bei welchem Widerstand und somit welcher<br />
<strong>Strom</strong>stärke die Leistungsausbeute optimal ist.<br />
Benötigte Geräte und Materialien:<br />
• PEM-Brennstoffzelle<br />
• Widerstandsdekade<br />
• Amperemeter<br />
• Voltmeter<br />
• diverse Kabel mit Steckverbindern<br />
• destilliertes Wasser<br />
• Wasserstoffquelle<br />
Durchführung:<br />
Schließen Sie den Elektrolyseur an die <strong>Strom</strong>quelle an, um Wasserstoff und Sauerstoff zu<br />
produzieren. Produzieren Sie . 5 cm 3 Wasserstoffgas. Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der<br />
<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> mit der Leerlaufspannung (R = ∞.). Schalten Sie die Widerstandsdekade<br />
von größeren zu kleineren Widerständen durch und notieren Sie jeweils die <strong>Spannungs</strong>- und<br />
<strong>Strom</strong>werte. Warten Sie zwischen den einzelnen Messungen 10 Sekunden, um repräsentative<br />
Ergebnisse zu erhalten.<br />
R/Ohm U/V I/mA P/mW<br />
∞<br />
330,00<br />
220,00<br />
100,00<br />
33,00<br />
10,00<br />
3,30<br />
1,00<br />
0,33<br />
0,10
Auswertung:<br />
Stellen Sie die <strong>Spannungs</strong>-<strong>Strom</strong>-<strong>Kennlinie</strong> in einem Diagramm dar.<br />
Stellen Sie die Leistungs-<strong>Strom</strong>-<strong>Kennlinie</strong> in einem Diagramm dar.
3b. Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle<br />
Hintergrund:<br />
Der Wirkungsgrad η liefert eine Aussage über die Effizienz von Energiewandlern und kann Werte<br />
zwischen 0 und 1 oder in prozentualer Schreibweise Werte zwischen 0 % und 100 % annehmen. Je<br />
größer der Wirkungsgrad, desto effizienter ist das technische System. Im folgenden Versuch wird der<br />
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bestimmt. Die benötigten Größen zur Berechnung der zugeführten<br />
Energie (Wasserstoff) und der Nutzenergie (elektrischer <strong>Strom</strong>) liefert die Versuchsauswertung.<br />
Verwenden Sie zur Ermittlung des Wirkungsgrads folgende Formeln und Kennwerte:<br />
Wirkungsgrad η:<br />
Nutzenergie:<br />
Zugeführte Energie:<br />
Anmerkungen:<br />
E out = U ∙ I ∙ t<br />
E in = V H2 ∙ H H2<br />
Heizwert H H2 = = 10,8 10 6<br />
Benötigte Geräte und Materialien:<br />
• PEM-Brennstoffzelle<br />
• Widerstandsdekade<br />
• Amperemeter<br />
• Voltmeter<br />
• diverse Kabel mit Steckverbindern<br />
• destilliertes Wasser<br />
• Wasserstoffquelle<br />
Aufbau der Schaltung:
Durchführung des Experimentes:<br />
t/s V H2 /cm 3 U/V I/mA P/mW<br />
0<br />
60<br />
120<br />
180<br />
Mittelwert<br />
Berechnen Sie den Wirkungsgrad η.