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Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle
Schlüsselworte
Solarzelle, Kennlinie, Spannung, Stromstärke, Leistung,
Widerstand, Innenwiderstand, Anpassung
Prinzip
Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beschreibt ihr Verhalten bei Belastung. Die Ausgangleistung
der Solarzelle ist maximal, wenn ihr Innenwiderstand so groß ist wie der äußere Widerstand.
Zur Aufnahme der Kennlinie wird eine Widerstandsdekade an die Solarzelle angeschlossen. Sie besitzt
12 Schalterstellungen, mit verschiedenen Widerständen (auch Kurzschluss und offen), deren Werte so
ausgewählt wurden, dass der Verlauf der Kennlinie gut dargestellt werden kann. Mit Hilfe der Cobra4
Sensor-Unit Energy werden Spannung, Stromstärke und Leistung gemessen.
Material
*4 Leitungsbaustein, winklig, DB 09401-02
*1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB 09401-04
*2 Anschlussbaustein, DB 09401-10
*1 Solarzelle, DB 09470-00
1 Widerstandsdekade, DB 09420-00
*1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel 02164-00
Zusätzlich wird benötigt
1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell 02150-00
1 Stativstange “PASS”, l = 630 mm 02027-55
1 Lampenfassung E27, Reflektor, Halter 06751-01
1 Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor 06759-93
Abb. 1: Versuchsaufbau
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**1 Cobra4 Wireless Manager 12600-00
**1 Cobra4 Wireless-Link 12601-00
**1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00
**1 Halter für Cobra4, mag. 02161-10
**1 Software measure für Cobra4 14550-61
1 Verbindungsleitung, 500 mm, rot 07361-01
2 Verbindungsleitung, 500 mm, blau 07361-04
1 Verbindungs.eitung, 500 mm, gelb 07361-02
1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7
* In Set ENT 1 enthalten 09492-88
** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten 12608-88
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Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle
Hinweis
Werden Spannung und Stromstärke in einem Stromkreis gleichzeitig gemessen, dann kann die Anordnung
von Voltmeter und Amperemeter im Stromkreis für die Genauigkeit der Messung wichtig sein.
Wenn bei der Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie die Spannung nicht direkt an der Spannungsquelle
gemessen wird, sollte der Innerwiderstand des Amperemeters sehr klein sein.
Da der Innenwiderstand der Solarzelle selbst klein ist (ca. 2 Ω), muss beim Anschluss der Solarzelle an
den Eingang der Cobra4 Sensor-Unit Energy unbedingt der A -Messbereich verwendet wird, der einen
sehr kleinen Innenwiderstand von 32 mΩ hat.
Aufbau
- Auf der rechten Tafelhälfte nach Abb. 1 den Stromkreis mit der
Widerstandsdekade aufbauen und an den Ausgang der Cobra4
Sensor-Unit Energy anschließen.
- Links davon, in etwas größerem Abstand, die Solarzelle mit
zwei Anschlussbausteinen setzen.
- Solarzelle mit dem Eingang der Sensor-Unit Energy verbinden.
Darauf achten, dass der positive Pol der Solarzelle mit
der A -Buchse der Sensor Unit verbunden wird.
- Über der Solarzelle, an der oberen Kante der Demo-Tafel, die
Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange
“PASS“ befestigen (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Aufbau Lampe
- Am Ende der Stativstange die Reflektorlampe befestigen und
auf die Solarzelle richten. Der Abstand soll etwa 40 cm betragen.
Abb. 3: Messwerterfassung
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Durchführung
- PC und Windows starten.
Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle
- Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken.
- Softwarepaket measure am PC starten.
- Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit
automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die
im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4
Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt.
- Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit
und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt.
- Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > …). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen
zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3).
- Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss).
- Lampe einschalten und so auf die Solarzelle ausrichten, dass die Stromstärke in dieser Stellung
(Kurzschlussstromstärke) ca. 180 mA beträgt.
- Messwertaufnahme in measure starten �.
- Einzelmessung durchführen .
- Weitere Einzelmessungen zügig nacheinander (nur jeweils ca. 1 s warten) in den weiteren Schalter-
stellung bis einschließlich ∞ durchführen .
- Messwertaufnahme in measure beenden �.
- Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen.
- Lampe ausschalten.
- Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss).
- Lampenstellung verändern und die Strom-Spannungs-Kennlinie für eine Kurzschlussstromstärke
von ca. 140 mA messen.
Beobachtung
Die beiden gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzelle zeigen jeweils einen charakteristischen
Verlauf: Bei kleinen Spannungen (kleinen Widerstandswerten) sinkt die Stromstärke nur wenig,
erst wenn die maximale Spannung (Leerlaufspannung, Stellung ∞) fast erreicht ist, fällt die Kurve stark
ab. Wie der gleichzeitig gemessene Verlauf der Leistung zeigt, erreicht die Leistung ungefähr in diesem
„Eckpunkt“ der Strom-Spannungs-Kennlinie ihr Maximum.
Ist die Lichtintensität kleiner sind auch Kurzschlussstromstärke und Leistung kleiner. Die Leerlaufspannung
nimmt nur geringfügig ab.
Auswertung
Nach der Übertragung der Messwerte in das measure Hautprogramm wird die Auswertung im „Multigraph-Diagramm
durchgeführt, in dem Stromstärke I und Leistung P über der Spannung U dargestellt
sind.
Durch Anklicken der Symbole "I" und „P“ mit der rechten Maustaste kann auf der linken Seiten des Diagramms
die skalierte Achse für die Leistung P gezeichnet werden und auf der rechten Seite die skalierte
Achse für die Stromstärke I.
Aus der Leistungskennlinie einer Spannungsquelle lässt sich ihr Innenwiderstand Ri bestimmen, er ist so
groß wie der äußere Widerstand im Maximum der Kurve.
Liegt ein Messwert direkt auf dem Maximum der Leistungskennlinie, dann lässt sich der Widerstand direkt
aus der Schalterstellung ablesen.
Im allgemeinen Fall wird aus der Leistungskennlinie mit Hilfe der Funktion „Regression“ und zwei
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Regressionsgraden das Maximum der Leistung bestimmt, um an dieser Stelle die Spannung U abzulesen
(Abb. 4). Anschließend wird zu dieser Spannung mit Hilfe der Strom-Spannungs-Kennlinie und der
Funktion „Vermessen“ die dazugehörige Stromstärke I abgelesen (Kurvenabschnitt etwas „abrunden“)
und der Innenwiderstand Ri näherungsweise berechnet.
Ri = U / I
An der Stelle des Maximums werden in Abb. 4 folgende Werte für Spannung U und Stromstärke I abgelesen:
Messung 1 (Imax = 180 mA)
U = 438 mV, I = 150 mA, Ri = 2,9 Ω
Entsprechend:
Messung 2 (Imax = 140 mA)
U = 417 mV, I = 126 mA, Ri = 3,3 Ω
Bei kleinerer Beleuchtung steigt der Innenwiderstand einer Solarzelle.
Hinweis zur Auswertung
Die aufgenommene Kennlinie beginnt bei der Schalterstellung 0 Ω der Widerstandsdekade (Kurzschluss)
nicht mit einer Spannung von U = 0 V, da sich hier nicht nur der Innenwiderstand des Amperemeters
der Cobra4 Sensor-Unit Energy sondern auch die Steckverbindungen der Kabel und die Bausteinverbindungen
bemerkbar machen.
Abb. 4: Kennlinien Messung 1
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Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer Solarzelle
Anwendung
Zum Betrieb eines elektrischen Gerätes mit Solarenergie muss natürlich zuerst von der Solarzelle (oder
dem Solarmodul aus mehreren Solarzellen) mindestens die erforderliche (Leerlauf-) Spannung bereitgestellt
werden. Wegen des kleinen Innenwiderstandes der Solarzellen können nur Geräte mit geringem
Strombedarf betrieben werden, also z. B. LED´s oder kleine Solarmotoren. Kleine Glühlampen leuchten
meistens nur sehr schwach.
Hinweise
Korrespondenz Schülerversuche TESS EN
2.10 Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle (P9512000)
Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1)
aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt:
Versuch P9502763
1 Cobra4 Mobile-Link 12620-00
1 Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger 12623-88
1 Halter für Handmessgeräte 02161-00
1 Digitale Großanzeige 07157-93
1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00
Versuch P9502700
1 Arbeits- und Leistungsmessgerät 13715-93
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Raum für Notizen
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