Photovoltaikanlagen sind ein großer Teil unserer Energiewende, du kannst die Solarzellen auf vielen Dächern sehen. Im Keller gibt es dann noch oft einen Batteriespeicher und einen Wechselrichter. Wie aus der Sonne, dann Strom für dein Haus wird und ein Batteriespeicher hilft den Tagsüber produzierten Strom nachts zu verwenden, darum soll es auf dieser Seite gehen.
Teil 1, das Projekt im Puppenhaus, wie Funktioniert eine Photovoltaikanlage
Die Solarzelle in der Photovoltaikanlage
Das Wort Solar stammt von dem lateinischen Wort 'solaris' ab. Das bedeutet 'die Sonne betreffend'. Solarenergie ist also die Energie der Sonne, die mit Hilfe von Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die Solarzellen bestehen aus einem Material, das Silizium heißt und auf unserer Erde sehr häufig vorkommt, beispielsweise in ganz normalem Sand. In diesem Silizium sind winzig kleine Teilchen – die Elektronen. Wenn sie von den Strahlen der Sonne getroffen werden, bewegen sie sich. Da durch Bewegung immer Energie erzeugt wird, entsteht so aus dem Sonnenlicht Strom. Die Umwandlung von Licht in Strom nennt man auch 'Photoeffekt'. Deshalb auch der Name Photovoltaikanlagen. Solarzellen kannst du bei ebay schon für wenig Geld zu kaufen, wie die Solarzellen die ich verwende (RY8-179, 5V 90mA 0.45W 80X45mm). In den folgenden Experimenten widmen wir uns nun der Solarzelle und ihrer Verschaltung. Doch zuerst einmal etwas zu Strom und Spannung.
Spannung und Strom ist gleich Watt
Spannung und Strom kannst du dir wie das Wasser in einem Schlauch vorstellen. Dabei ist die Spannung die Menge des Wassers die durch den Schlauch fließt und der Strom ist der Druck des Wassers. Rechnest du nun Die Menge des Wasser und den Druck des Wasser zusammen dann hast die die Menge des Wasser die durch die Leitung fließt. So ist das auch mit der Leistung, der elektrischen Energie, die in Watt gemessen wird. Warum das wichtig zu wissen ist, wirst du gleich erfahren wenn wir erste Messungen mit der Solarzelle machen. Watt = Volt x Ampere (W = V x A).
Messen der Spannung in Volt
Die Spannung, also die Menge des Wasser die durch einen Schlauch fließt ist relativ leicht zu messen. Du musst die beiden Prüfspitzen des Messgerät lediglich an + (Plus) und - (Minus) halten und schon wird dir die Spannung auf dem Messgerät angezeigt.
Messen des Stroms in Ampere
Der Strom, also der Druck mit dem das Wasser durch die Leitung gedrückt wird, ist nicht so einfach zu messen. Hier musst du das Messgerät in den Stromkreis einbauen. Zudem wird nur angezeigt wieviel Strom gerade verbraucht wird, also durch die Leitung jetzt gerade fließt. Es wird nicht angezeigt wie viel Strom grundsätzlich zu Verfügung steht.
Versuch 1, Messen der Spannung einer Solarzelle mit und ohne Schatten
Mit einem so genannten Multimeter messen wir nun die Spannung die eine Solarzelle erzeugt. Berühre dazu den + Pol der Solarzelle mit roten Prüfspitze und den - Pol mit der schwarzen Prüfspitze. Welche Spannung misst du wenn:
Hier geht es zum Video mit der Erklärung der Reihenschaltung: https://www.youtube.com/watch?v=kIKL2kFTGZQ
- Die Solarzelle ganz in der Sonne liegt?
- Die Solarzelle ganz oder Teilweise von einem Papier bedeckt wird?
Nur wenn eine Solarzelle vollständig von der Sonne angestrahlt wird, hat sie ihre volle Leistung. Deshalb ist es wichtig bei der Montage darauf zu achten, dass die Solarzellen so wenig wir möglich im Schatten sind. Außerdem reicht eine einzelne Solarzelle nicht aus um ein ganzes Haus mit Strom zu versorgen, deshalb sieht man auf den Dächern auch immer so viele Solarzelle. So kann auch an einem bewölkten Tag oder in den Morgen- und Abendstunden viel Energie erzeugt werden.
Versuch 2, Messen der Spannung von mehreren Solarzellen die in reihe geschaltet sind
Bei der Reihenschaltung ändert sich die nur Spannung, der Strom bleibt gleich. Dabei kannst du die gesamte Spannung ganz einfach ausrechne. Dazu musste du nur die Spannung der einzelnen Solarzellen zusammenrechnen. Bringt deine Solarzelle eine Spannung von 5 Volt und du hast 3 Solarzellen dann kann die gesamte Anlage in der Reihenschaltung 15 Volt liefern.
Welche Spannung haben zwei Solarzellen die in Reihe geschaltet sind?
Welche Spannung haben drei Solarzellen die in Reihe geschaltet sind?
Versuch 3, Messen des Stroms einer Solarzelle mit und ohne Schatten
Wie schon erwähnt ist es nicht so ganz einfach den Strom zu messen. Damit du den Strom überhaupt messen kannst benötigst du einen Verbraucher. Hier kannst du eine LED mit einem 220 Ohm Wiederstand verwenden. Zudem brachst du ein relativ "feines" Messgerät um den Strom einer LED zu messen.
Hier geht es zum Video mit der Erklärung der Parallelschaltung: https://youtu.be/83owH9eCEQ4
Welchen Strom misst du wenn:
- Die Solarzelle ganz in der Sonne liegt?
- Die Solarzelle ganz oder Teilweise von einem Papier bedeckt wird?
Versuch 4, Messen des Stroms von mehreren Solarzellen die in parallel geschaltet sind
Bei der Parallelschaltung ändert sich nur der Strom, die Spannung bleibt gleich.
Welchen Strom haben (liefern) zwei Solarzellen die Parallel geschaltet sind?
Welchen Strom haben (liefern) drei Solarzellen die Parallel geschaltet sind?
Solarzellen in Reihen- und Parallelschaltung
Die Reihenschaltung sogt für eine höhere Spannung und die Parallelschaltung für einen höheren Strom. Beide Schaltung haben ihre Vor- und Nachteile. Die Reihenschaltung ist günstiger und einfach einzubauen und hat durch die hohe Spannung ein sehr guten Wirkungsrad. Da aber die Spannung durch alle Solarzellen fließen muss, ist die Reihenschaltung anfällig für Störungen. Anders bei der Parallelschaltung, hier fließt der Strom nicht durch alle Solarzellen, weshalb bei einem defekt oder eine Verschattung nicht gleich die ganze Anlage betroffen ist.
So kann es durchaus sinnvoll sein beide Schaltungen miteinander zu kombinieren. So dass eine Photovoltaikanlage zum Beispiel aus zwei Parallelschaltungen mit mehreren Reihenschaltungen besteht. Unten im Bild siehst du in grün die beiden Reihenschaltungen, die dann im Bild über lila zu einer Parallelschaltung verbunden werden.
Nun kannst du zwar Strom und Spannung erzeugen aber die erzeugte Leistung muss auch noch ins Haus und für die Nacht gespeichert werden. Wie das funktiniert erfährst du die nächsten Wochen.
