Eine unerschöpfliche Energiequelle ist für uns die Sonne. Sie bestrahlt die Erde mit ca. 1360W/m2, ein Teil der Strahlung wird von der Atmosphäre ins Weltall reflektiert. Bei klarem Wetter treffen in Mitteleuropa an einem Sommertag auf eine horizontale Fläche maximal 900W/m2. Mittels Photovoltaik-Anlagen lässt sich dieser Energiefluss teilweise nützen. Der Grundbaustein dieser Anlagen, die Solarzelle (siehe Exp. 78.1), ist meist eine dünne Scheibe aus Silizium mit besonders behandelten Oberflächen. Licht, das auf die Scheibe fällt, macht Elektronen im Kristallgitter beweglich. Auf einer Seite der Scheibe sammeln sich Elektronen, auf der anderen herrscht Elektronenmangel: Die Ladungstrennung führt zu einer Spannung von ca. 0,5 V. Mehrere Solarzellen bilden ein Solarmodul mit einer Ausgangsspannung von etwa 30 V. Die maximale elektrische Leistung von hochwertigen Modulen erreicht etwa 200 W/m2, d. h. ca. 20 % der Sonnenstrahlung wird genutzt. Die tatsächliche Leistung hängt vom Neigungswinkel der Module und der Abweichung von der optimalen Südrichtung ab, im Tagesverlauf auch von Wolken, Schatten von Gebäuden und Bäumen, etc. Zur Einspeisung ins Stromnetz muss die Gleichspannung in Wechselspannung (230 V) umgewandelt werden. 78.1 Die Montage von Photovoltaik-Modulen auf Hausdächern erfordert wenig Arbeits- und Materialaufwand. Bei Photovoltaik-Anlagen wie im Bild wird nichtbenötigter Strom entweder ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder in Batterien gespeichert. Der maximal mögliche Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt sehr von ihrer Ausrichtung und der Dachneigung ab. 78.2 Die Montage von Solarmodulen über Parkplätzen oder auf Flachdächern von Supermärkten, Bürogebäuden usw. bietet eine effiziente Nutzung dieser Flächen und ermöglicht die Nutzung der Sonnenenergie zur Kühlung der Gebäude. 78.3 Diese Solarzelle liefert abhängig von der Beleuchtungsstärke eine Spannung bis etwa 0,55 V. Da kein Verbraucher angeschlossen ist, wird hier die Leerlaufspannung der Zelle gemessen. 78.4 Monatlicher Ertrag einer Photovoltaik-Anlage nahe Wien. Solarmodule mit 18m2 Fläche liefern bei optimaler Besonnung ca. 4 kW elektrische Leistung. In den Jahren 2022 (blaue Balken), 2023 (rote Balken) und 2024 (grüne Balken) erreichte der Jahresertrag jeweils ca. 3 800 kWh elektrische Energie. Strom von der Sonne – Photovoltaik 1.3 Die elektrische Spannung Aus dem Alltag sind der Begriff Spannung und seine Einheit, das Volt, bekannt. Elektrische Spannungen haben wir bei den Experimenten zur Elektrostatik kennengelernt. Sie entstehen, wenn positive und negative Ladungen getrennt werden. Doch was bedeutet „elektrische Spannung“? Einige weitere Experimente zur Ladungstrennung, die mit einfachen Mitteln gemacht werden können, sollen beim Verstehen helfen. Gemeinsam ist den folgenden Versuchen, dass zur Ladungstrennung Energie aufgewendet werden muss. Experiment: Solarzelle (Elektrizität aus Licht) 78.1 Du brauchst: Solarzelle, Messkabel, Multimeter, Tischlampe, Maßband Verbinde die Solarzelle mittels der Kabel so mit dem Multimeter, dass du die Spannung an den Buchsen der Solarzelle messen kannst. Wähle am Multimeter den Bereich Gleichspannung (DCV) und einen dir geeignet erscheinenden Messbereich (78.3). Lies die Tipps auf der nächsten Seite! E3 a) Beleuchte die Solarzelle mit der Tischlampe. Miss die Spannung bei verschiedenen Entfernungen der Lampe und trage die Werte in eine Tabelle ein. E4 b) Stelle das Ergebnis grafisch dar (z. B. mit einem Tabellenkalkulationsprogramm) und interpretiere das Ergebnis. 78 E-Lehre 1 Ladung und Spannung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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