Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Photovoltaik-Experimente zeigen die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Wie schließt man Solarzellen am besten an?

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Die benötigten Materialien für unsere Versuche

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Der Propeller wird auf die Achse des Motors gesteckt...

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

...statt des Propellers kann auch eine Pappscheibe mit einem farbigen Muster (aufmalen) benutzt werden

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Die Solarzellen

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Die Reihenschaltung der Solarzellen (auf die Polarität achten!)

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen und Elektromotor im Experiment

Die Parallelschaltung der Solarzellen (auf die Polarität achten!)

Solarzellen liefern elektrische Spannung und Strom durch direkte Einstrahlung von Sonnenlicht. Einmal installiert können sie lange Zeit zur Energieversorgung beitragen, wenn die Sonne scheint. Experimente mit kleinen Solarzellen helfen, das Konzept der Photovoltaik zu verstehen. Wenn man im Rahmen von Schulversuchen in Grund- oder weiterführender Schule (oder daheim) mit Solarzellen experimentiert, dann geht es zunächst darum, zu zeigen, daß tatsächlich elektrischer Strom aus Licht erzeugt wird.

Kleine Solarzellen liefern zu wenig elektrische Leistung, um damit verschiedene elektrische Verbraucher direkt zu betreiben. Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung kleiner, leichtläufiger Elektromotoren, die auch Solarmotoren genannt werden. Deren Vorteil ist, daß sie bereits bei geringer Spannung und Strom zu drehen beginnen. Schließt man eine kleine Solarzelle direkt an den Motor an und steckt ein kleines Propellerrad oder eine mit einem Muster bemalte Pappscheibe auf die Motorachse, dann können schon eine ganze Reihe von Versuchen durchgeführt werden. Hier kann entweder mit direktem Sonnenlicht oder einer starken (mindestens 60 W) herkömmlichen Glühbirne oder Halogenstrahler gearbeitet werden. Energiesparlampen sind nicht geeignet, da deren Wellenlängenspektrum nicht die Anforderungen einer Solarzelle erfüllt. Versuche können sein:

-Vergleich direkte Sonneneinstrahlung und diffuse Einstrahlung (teilweise Bewölkung)
-Vergleich verschiedener Einstrahlwinkel
-teilweise Abschattung der Solarzelle (z.B. Teilbereiche mit dem Finger abdecken)

Stehen mehrere Solarzellen zur Verfügung (2 genügen bereits), dann kann man Überlegungen anstellen, wie die gewonnene elektrische Spannung oder der Strom verstärkt werden können. Die Idee: Solarzellen "zusammenschalten". Aber wie? Aus der Elektrotechnik und Elektronik sind bereits die Reihen- und die Parallelschaltung bekannt. Ebenfalls vorausgesetzt wird nun auch, daß Solarzellen eine Gleichspannung erzeugen und daher eine Polarität (einen "Plus- und Minuspol" besitzen).

Die Reihenschaltung von Solarzellen

Schließen wir mehrere Solarzellen zu einer Reihenschaltung zusammen, dann addieren sich die Spannungen der Solarzellen. Es erhöht sich die Gesamtspannung. Dazu müssen der Pluspol der einen Solarzelle mit dem Minuspol der nächsten Solarzelle verbunden werden usw. Dies geschieht ganz ähnlich wie im Batteriefach einer Taschenlampe, in dem mehrere Batterien in Reihe geschaltet werden, um die Spannung zu erhöhen. Der mögliche Strom, der hier fließen kann, wird durch die einzelnen Solarzellen selber begrenzt. Die Wirkung der Reihenschaltung läßt sich am Elektromotor erkennen, je höher die Spannung, desto höher ist die Drehzahl.

Ein interessanter Versuch bei einer Reihenschaltung ist der Test, was passiert, wenn man eine Solarzelle abdeckt.

Die Parallelschaltung

Wollen wir mehrere Solarzellen parallel anschließen, dann verbinden wird die Pluspole aller Solarzellen und die Minuspole aller Solarzellen. Die erzielte elektrische Spannung ist genauso hoch wie bei einer einzelnen Solarzelle, aber der höchstmöglich erzielbare Strom (der sogenannte "Kurzschlußstrom") entspricht der Summe der Kurzschlußströme der einzelnen Zellen. Es kann also mehr Strom fließen. Wenn ein Meßgerät zur Verfügung steht, dann kann der Kurzschlußstrom natürlich auch gemessen und Protokoll darüber geführt werden. Der kleine Elektromotor dreht sich mit mehr zur Verfügung stehendem Strom nicht schneller, aber er kann stärker belastet werden, z.B. wenn er abgebremst wird. Das Drehmoment wird größer.

Die hier beschriebenen einfachen Versuche können mit diesem Experimentierset (Inhalt: 2 Solarzellen, Solarmotor, Propeller und Kabel) ohne weitere Hilfsmittel (kleiner Kreuzschraubenzieher zum Anschließen des Drahtes erforderlich) durchgeführt werden: Solarset "Experience".



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