50 Experimente mit Solarenergie - Wissenschaft Online

lrich E. Stempel
FRANZIS
DO IT YOURSELF
0 Experimente mit
olarenergie
rundlagen und Möglichkeiten der Photovoltaik
Solarstrom in Gold-Caps kostengünstig speichern
Steuern und Regeln mit Solarenergie
Mess- und Ladeschaltungen aufbauen

5
Vorwort
Der Begriff Solarenergie umfasst ein umfangreiches Thema. Wenn Sie alle Möglichkeiten
der Solarenergie betrachten möchten, werden die meisten wissenschaftlichen
Bereiche unserer Welt wie z. B. die Biologie, die Physik, die Chemie
und auch die Elektronik berührt.
Eine der zentralen Anwendungen für unsere Energieversorgung in der Zukunft
ist der Bereich der Photovoltaik (Photo = Licht, Voltaik = Strom).
In vielen Bereichen des Alltags haben sich inzwischen solare Technologien etabliert,
beispielsweise in autonomen Verkehrsleitsystemen im Bereich der Autobahn,
bei solarenergiegespeisten Armbanduhren und Messgeräten.
Anhand des Buchs und des Lernpakets können neben den solaren Grundprinzipien
auch Anwendungen der Solarenergie im Bereich Messen, Steuern und
Regeln mit Solarenergie praktisch erforscht werden.
Sie können den Umgang mit dieser Technik auf einfache Art erfahren und bei
der Verwendung des Solarmoduls und weiterer vorgestellter Komponenten
Grundsätzliches erproben.
In diesem Buch sind mit geringem Aufwand die ersten Zusammenhänge und die
Grundprinzipien sowie die elektronischen Grundschaltungen experimentell aufbaubar.
Zugleich können weiterführende eigene solartechnische Projekte für
höhere Ansprüche anhand der vorgestellten Beispiele verwirklicht werden. Für
jede der hier vorgestellten Anwendungen wird der Bezug zur solaren Alltagsanwendung
hergestellt.
Ich wünsche Ihnen viel Freude und Erfolg beim Experimentieren mit Solarenergie!
Ihr Ulrich E. Stempel
Vorbereitungen
Haben Sie das Buch ohne das Lernpaket gekauft, können die vorgestellten Experimente
mit wenigen, meist preiswerten Teilen – aus der Bastelkiste oder extra
gekauft – durchgeführt werden. Im Anhang finden Sie eine Liste der Teile und
Liefernachweise für den Bezug der Komponenten.

6 Vorwort
Wenn Sie das Buch mit dem durch den Franzis Verlag zusammengestellten
Lernpaket erworben haben, liegen alle wichtigen Teile für Sie bereit und Sie
können sofort anfangen.
Für die Experimente und Versuche brauchen Sie weder Batterien noch eine
zusätzliche Stromversorgung. Damit ist das Lernpaket überall und über Jahrzehnte
gebrauchsfähig und kann auch ohne Probleme über längere Zeit verwahrt
und dann wieder benutzt werden.
Als sinnvolle und hilfreiche Ergänzung kann ein Vielfachmessinstrument
(Multimeter) und/oder eine Schnittstelle zum Computer zur Strom- und Spannungsmessung
verwendet werden. Damit können zusätzliche Experimente
durchgeführt werden und es sind weitere spannende Zusammenhänge erfahrbar.
Außerdem ist es nützlich, eine handelsübliche Akkuzelle der Größe AA (Mignon)
oder AAA (Micro) für einige Experimente der Ladetechnik zur Verfügung zu
haben.
Das Buch vermittelt die wichtigsten Grundlagen der Solartechnik. Außerdem
werden beispielhafte praktische Anwendungen vorgestellt, mit deren Hilfe es
möglich wird, eigene Schaltungen und Erfindungen rund um die PV-Solartechnik
zu entwickeln.
Sie können Ihr Lernpaket auch um eine Sortimentsbox ergänzen. Darin werden
alle Einzelteile griffbereit und übersichtlich aufbewahrt.

7
Inhaltsverzeichnis
1 Hinweise zu den Komponenten .......................................................... 11
1.1 Das Experimentierbrett ..........................................................11
1.2 Die Solarmodule ....................................................................14
1.3 Transistoren...........................................................................16
1.4 Diode.....................................................................................17
1.5 Leuchtdioden.........................................................................19
1.6 Piezo-Schallwandler...............................................................21
1.7 Drehspulinstrument ...............................................................21
1.8 Widerstände ..........................................................................23
1.9 Kondensator ..........................................................................26
1.10 Elektrolytkondensatoren (Elkos) ............................................27
1.11 Gold-Caps ..............................................................................28
1.12 Tastschalter ...........................................................................29
1.13 Magnetspule..........................................................................30
1.14 Scheibenmagnet....................................................................32
1.15 Akkuhalter .............................................................................33
1.16 Experimentierstrippen............................................................33
1.17 Schaltdraht ............................................................................34
2 Grundlagen........................................................................................ 35
2.1 Die Lichtquelle.......................................................................35
2.1.1 Lichtspektrum........................................................................36
2.1.2 Lichtverluste ..........................................................................39
2.2 Das Solarmodul .....................................................................40
3 Grundversuche Solarmodul................................................................ 49
3.1 Solarmodule, erster Test ........................................................49
3.2 Messtechnische Möglichkeiten..............................................51
3.3 Die Polarität der Solarzellen oder des Moduls ........................51
3.3.1 Der Polaritätsprüfer................................................................53
3.4 Drehspulinstrument zur Spannungs- und
zur Leistungsanzeige .............................................................54
3.4.1 Messen von Strom (Kurzschlussstrom)...................................55
3.4.2 Messen der Spannung (Leerlaufspannung) ............................60
3.4.3 Die Solarkennlinie messen.....................................................65
3.5
3.6
Welchen Einfluss hat die Temperatur....................................67
Reihen- und Parallelschaltung................................................71

8 Inhaltsverzeichnis
3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen.......................................73
3.8 Parallelschaltung ...................................................................76
3.9 Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ....................79
3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul.............................79
3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle.................................83
3.11.1 Nachführungssteuerung mit Solarmodulen ............................86
3.11.2 Fernsteuerung mit Sonnenstrahlen ........................................90
3.12 Zusätzlicher Energieertrag durch Spiegeltechnik ..................91
4 Thema Energie ................................................................................... 95
4.1 Solarmodule, ohne Verbraucher.............................................95
4.2 Der Strom wird abgenommen und verwendet .........................98
4.2.1 Mit dem Kondensatorspeicher .............................................100
5 Ladeschaltungen ............................................................................. 105
5.1 Gespeicherte Energie ...........................................................106
5.1.1 Rückstromsperre mit Sperrdiode..........................................108
5.2 Speicherung der Solarenergie in Gold-Caps .........................111
5.3 Akkuladung, Ladeverfahren .................................................117
5.3.1 Konstantstromladen ............................................................118
5.3.2 Erhöhen des Ladestroms......................................................122
5.3.3 Impulsladung.......................................................................124
5.3.4 Laderegler............................................................................126
5.3.5 Ladeüberwachung und Tankanzeige ....................................129
5.4 Spannungswandler ..............................................................133
5.4.1
5.4.2
Spannungswandler im Einsatz .............................................134
Gold-Cap und Spannungswandler........................................135
5.4.3 Akkuzelle und Spannungswandler .......................................139
6 Steuern und regeln mit Solarenergie................................................ 141
6.1 Steuerung mit Licht..............................................................141
6.1.1 LED als Solarzelle ...............................................................141
6.1.2 Lichtsensor, Helligkeitsmesser.............................................142
6.1.3 Automatisches Nachtlicht ....................................................144
6.1.4 Nachtlicht mit dem Gold-Cap ...............................................146
6.1.5 Nachtlicht mit Akkuzellen ....................................................148
6.1.6 Solarblitzlicht ......................................................................151
6.1.7 Solar-Power-Blinklicht..........................................................152
6.2 Jetzt kommt Bewegung rein..................................................154
6.2.1 Die solare Direktstromversorgung ........................................154
6.2.2 Der hüpfende Magnet ..........................................................155
6.2.3 Pulsierende Bewegung durch Solarenergie ..........................157
6.2.4 Solarenergie, umgewandelt in Pendelbewegung ..................159

Inhaltsverzeichnis 9
6.2.5 Solarenergie mit noch mehr Output......................................163
6.3 Solarer Wasserstoff, Technologie mit Zukunft ......................165
6.3.1 Wasseraufspaltung ..............................................................165
6.3.2 Solarer Wasserstoff..............................................................169
6.3.3 Gepulster Solarstrom ...........................................................171
6.3.4 Hochfrequenter Solarstrom ..................................................172
6.3.5 Verwendung des solaren Wasserstoffs.................................174
7 Messtechnische Möglichkeiten mit dem PC ..................................... 177
7.1 Messen der Spannung .........................................................178
7.2 Messen des Stroms..............................................................181
7.3 Die Solarkennlinie messen...................................................183
7.4 Leistungsmessung bei zunehmender Temperatur ................184
8 Erforderliche Komponenten ............................................................. 187
8.1 Bezugsquellen für die Elektronikbauteile .............................188
9 Anhang: Prüfen von Bauteilen und Problembehebung...................... 189
9.1 Prüfen von Leuchtdioden .....................................................189
9.2 Prüfschaltung für Transistoren .............................................191
9.2.1 Transistortester für den NPN-Typ ..........................................192
9.2.2 Transistortester für den PNP-Typ ..........................................193
9.2.3 Durchgangsprüfer ................................................................194
9.3 Formelsammlung .................................................................195
9.3.1 Ohmsches Gesetz ................................................................195
9.3.2
9.3.3
Parallelschaltung von Widerständen ....................................196
Serienschaltung von Widerständen......................................196
9.3.4 Leistungsberechnung...........................................................197
9.4 Troubleshooting...................................................................197
Stichwortverzeichnis ....................................................................... 199

40 Kapitel 2: Grundlagen
ca. 300.000 km/Sek. Mit wachsender Entfernung der Lichtquelle wird die Strahlungsdichte
geringer (Entfernung Erde/Sonne: 150.000.000 km). Wenn dem
nicht so wäre, würde auf der Erde alles verbrennen.
Das erste »spektrale Hindernis« für die zur Erde kommenden Lichtstrahlen sind
die Erdatmosphäre und die unteren Luftschichten. Von den ca. 1.300 W/m²
außerhalb der Erdatmosphäre treffen bei senkrechter Einstrahlung und wolkenlosem,
klarem Himmel ca. 1.000 W/m² als Globalstrahlung auf die Erde auf.
Bis das Sonnenlicht in unsere Wohnung kommt, werden die Strahlungsanteile
weiter reduziert. Je nachdem, aus welchen Materialien die »Verglasung« besteht,
werden weitere Anteile der Lichtstrahlung ausgefiltert. Normales Fensterglas
filtert fast den kompletten UV-Anteil aus dem Lichtspektrum heraus. Zudem gibt
es beschichtete Gläser und Mehrfachverglasungen, womit weitere 10 bis 20 %
weniger Lichtenergie hinter der Glasscheibe zur Verfügung stehen.
Bei den Versuchen können Sie leicht feststellen, dass die Leistungsabgabe des
Solarmoduls z. B. am offenen Fenster höher als im Raum oder hinter der Glasscheibe
ist.
Bezug zum Alltag:
Licht, das durch Glasscheiben »strahlt«, verliert an Energie, da bestimmte
Anteile aus dem Lichtspektrum herausgefiltert werden. Solarzellen hinter Glas
(je nach Glasart) erhalten grundsätzlich weniger Lichtenergie. Die speziellen
Gläser, mit denen Solarzellen abgedeckt sind, lassen möglichst viel Strahlungsenergie
»Licht« durch. Zudem gibt es bearbeitete Gläser, die dank rauer
Oberfläche weniger Licht reflektieren und dadurch den Modulwirkungsgrad
erhöhen.
2.2 Das Solarmodul
Einzelne Solarzellen (Mono- und Polykristallin) haben in der Regel eine Leerlaufspannung
von 0,5 bis 0,6 V pro Zelle. Um eine brauchbare Spannung von
z. B. 2,5 V zu erhalten, werden mehrere einzelne Zellen zu einem Modul zusammengeschaltet.
Für die Experimente können sowohl kleine Solarmodule, bestehend
aus mono- oder polykristallinen Zellen, als auch amorphe Solarmodule
verwendet werden. Die erforderlichen und empfohlenen Leistungswerte finden
Sie in der Komponentenliste.

2.2 Das Solarmodul 41
Bild 2.5: Solarmodul, bestehend aus
50 einzelnen Solarzellen
Anders sieht dies bei den amorphen Modulen aus. Amorphe Solarmodule (wie
sie auch dem Lernpaket beigelegt wurden) haben eine gräuliche bis rötlich
schimmernde spiegelnde Oberfläche mit quer verlaufenden roten und grauen,
punktierten Streifen. Es sieht aus, als ob die Schicht auf der Rückseite aufgedruckt
worden wäre. Tatsächlich wurde bei der Herstellung das Silizium direkt
auf das Trägermaterial aufgedampft. Als Trägermaterial kommt meist Glas, seltener
kommen durchsichtiger Kunststoff oder spezielle Folien in Betracht.
Die amorphe Modulart zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
• Der fotoaktive Teil der Zelle besteht aus einem völlig unstrukturierten,
»glasartigen« Mischmaterial aus Silizium und Wasserstoff.
• Während der ersten 100 Betriebsstunden tritt eine Verminderung des
Wirkungsgrads ein (Degradation, Staebler-Wronski-Effekt). Der Initialwirkungsgrad
beträgt heute etwa 7 % bis 11 %, der langfristig stabile 5 % bis 9 %.
• Der Wirkungsgrad des Moduls im Lernpaket hat einen langfristigen Wirkungsgrad
von durchschnittlich 4 bis 6 %.
• Die Schichtdicke beträgt weniger als 1 µm, daher wird für diese Zellenart auch
die Bezeichnung Dünnschichtzelle verwendet. Die Produktionskosten sind –
allein wegen der im Vergleich zu den anderen beiden Zelltypen weit niedrigeren
Materialkosten – geringer, der Materialverbrauch beträgt im Vergleich zu
kristallinen Zellen lediglich 1/20 bis 1/100.

42 Kapitel 2: Grundlagen
• Im Modul sind die »einzelnen« Zellen intern auf Betriebsspannung verschaltet,
d. h., es gibt keine separaten Zellen wie bei den mono- und polykristallinen
Solarmodulen. Die einzelnen Zellabschnitte können Sie daran erkennen,
dass die gesamte Fläche durch Kontaktstreifen unterteilt ist.
• Die Zellspannung bei amorphen Modulen liegt bei etwa 0,6 bis 0,7 V.
• Die Rückseite ist mit einer Schutzschicht versehen. Wäre dieser Schutzlack
nicht vorhanden, könnte die Solarbeschichtung z. B. durch Kratzer Schaden
nehmen.
• Die beiden Anschlussdrähte sind auf Lötpunkten angelötet und können
zusätzlich durch Klebebänder gesichert werden, damit die Kabel nicht
abreißen.
• Die Energieamortisation für dieses Solarmodul, d. h., der Zeitraum den es
benötigt, um die Energie, die für seine Herstellung nötig war, wieder einzuspielen
liegt weit unter einem Jahr (4 bis 8 Monate). Damit ist diese Modulart
besonders ressourcenschonend.
Achtung:
Die Schutzschicht auf der Rückseite des Solarmoduls nicht abziehen oder
beschädigen! Dadurch würde das Solarmodul zerstört.
Bild 2.6: Solarmodul von oben
Bild 2.7: Solarmodul von unten

2.2 Das Solarmodul 43
Um das Prinzip darzustellen, wie eine Solarzelle aufgebaut ist und funktioniert,
wird nachfolgend der Aufbau von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen
gezeigt: Bei der kristallinen Verfahrensweise ist das Solarmodul aus mehreren
einzelnen Solarzellen aufgebaut. Diese bestehen aus sehr dünnen Halbleiterschichten.
Oben befindet sich die N-Schicht, zur besseren Absorption des Lichts
dunkelblau beschichtet. Die untere Schicht ist die P-Schicht. Die Schichten werden
durch absichtliche Dotierung so verunreinigt, dass eine negative und eine
positive Schicht entstehen. Das Licht regt die Elektronen zur Bewegung an und es
entsteht eine Spannung zwischen den beiden Schichten. Diese Spannung und den
fließenden Strom können wir verwenden. Eine einzige kristalline Siliziumsolarzelle
kommt auf ca. 0,5 V pro Zelle. Der Strom ist abhängig von der Zellengröße.
Im Bereich der Siliziumzellentechnik werden zunehmend Solarzellen aus immer
dünneren Schichten entwickelt, um teures Silizium einzusparen. Um die
unterschiedlichen Lichtspektren zu nutzen, werden Zellen aufeinandergepackt
(gestapelt). Damit entstehen z. B. Tandemzellen, die aus amorphen und kristallinen
Materialien so kombiniert werden, dass sie sich optimal ergänzen. Die
fotoaktiven Schichten sind nur einige Mikrometer dick, haben also nur ein
hundertstel der Dicke der üblicherweise eingesetzten Wafer (= Siliziumscheiben).
Bild 2.8: Prinzipaufbau einer kristallinen Silizium-Solarzelle.

44 Kapitel 2: Grundlagen
Die im Moment gebräuchlichsten Solarzellen/Solarmodule und ihre Wirkungsgrade
sind:
Tabelle 2.2: Solarzellenmaterial und Wirkungsgrade (Stand 2007); Quelle: dgs
(Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.)
Solarzellenmaterial: Zellwirkungsgrad Modulwirkungsgrad
Hochleistungszellen 19,5 % 17,0 %
Monokristallines Silizium 18,0 % 14,2 %
Polykristallines Silizium 16,0 % 14,0 %
amorphes Silizium 7,5 % 7,0 %
CIS, CIGS 14,0 % 10,0 %
Cadmiumtellurid 10,0 % 9,0 %
Bild 2.9:
Solarzelle polykristallin
Bild 2.10:
Solarzelle monokristallin

2.2 Das Solarmodul 45
Bild 2.11:
Solarmodul amorph
Beispielhaft sind einige neue Entwicklungen herausgegriffen:
• CIGS (auch CIGSSe oder CIS) steht für Cu(In,Ga)(S,Se)2, ist eine Dünnschichttechnologie
für Solarzellen und steht als Abkürzung für die verwendeten
Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen (engl.
copper, indium, gallium, sulfur, and selenium). In der Anwendung werden
verschiedene Kombinationen dieser Elemente verwendet: Die wichtigsten
Beispiele sind Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder
CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid).
• CIS-Zellen sind zehnmal dünner als polykristalline Zellen. Ihre fotoaktive
Schicht wird direkt und großflächig auf normales Fensterglas aufgedampft.
Wie die rot-braunen Zellen aus amorphem Silizium – man findet sie in
Taschenrechnern und Uhren – werden die CIS-Zellen in dünnen, Material
sparenden Schichten hergestellt. Sie übertreffen jedoch deren Wirkungsgrad
von durchschnittlich 6 % deutlich: Im Labor des Zentrums für Sonnenenergie-
und Wasserstoffforschung (ZSW) der Universität Stuttgart erreichte ein
quadratisches CIS-Modul mit einer Seitenlänge von 30 cm knapp 13 %.
• Cadmium-Tellurid (CdTe) ist eines von mehreren Halbleitermaterialien, auf
dessen Basis Dünnschicht-Photovoltaik-Module zur Solarstromerzeugung
produziert werden.
Durch die Kombination von Tellur und Kadmium wird die Verbindung
Cadmium-Tellurid (CdTe) hergestellt. Diese Verbindung mit Halbleitereigenschaften
ist eine stabile Verbindung der beiden Elemente. Aufgrund dieser
Eigenschaften von CdTe, die sich wesentlich von denen elementaren Cadmiums
unterscheiden, ist das Material zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität
geeignet.

46 Kapitel 2: Grundlagen
Es ist aufgrund dieser völlig andersartigen Eigenschaften auch in seiner
physiologischen Wirkung auf Organismen in keiner Weise mit elementarem
Cadmium vergleichbar, wie es etwa in Ni-Cd-Batterien vorliegt. CdTe kann Sonnenlicht
gut absorbieren und auch unter widrigen Wetterbedingungen, etwa bei
Bewölkung oder schwachem diffusen Licht sowie unter hohen Temperaturen, gut
Elektrizität produzieren.
Solarzellen und Solarmodule werden für die unterschiedlichsten Arten von
Stromversorgungen genutzt:
• Stationäre Solargeneratoren speisen den aus Sonnenlicht umgewandelten
Strom in das öffentliche Stromnetz ein. Durch das Energieeinspeisegesetz
(EEG) ist die Vergütung festgelegt und garantiert. Somit lässt sich mit
Sonnenenergie auch Geld verdienen.
• Insel-PV-Anlagen zur Stromversorgung in Bereichen ohne Netzanschluss
werden, z. B. außerhalb von Siedlungen, eingesetzt.
• Mobile Solaranlagen sind ortsunabhängige Stromlieferanten, die unterwegs
und an jedem geeigneten Ort Strom zur Verfügung stellen können.
Die Leistungsangabe von Solarmodulen wird in Watt-Peak angegeben. Peak
bedeutet die Spitzenleistung des Solarmoduls unter vorgeschriebenen Bedingungen
wie 1.000 W/m² Einstrahlung und 25 °C Zellentemperatur.
Der technische Aufbau und die Funktion einer Solarzelle (des Solarmoduls)
unterscheiden sich grundsätzlich vom Aufbau und der Funktion der thermischen
Sonnenkollektoren. Sonnenkollektoren fangen die Sonnenstrahlung zwar auch
auf und absorbieren sie, aber hier wird die Wärme über einen Wärmeträger
(Wasser, Öl oder Luft) transportiert (und nicht direkt in Strom umgewandelt)
und kann z. B. zur Warmwasserversorgung und Heizungsunterstützung im
Wohnbereich oder zum Antrieb von Turbinen verwendet werden.

2.2 Das Solarmodul 47
Bild 2.12: Prinzip
Sonnenkollektor
Mit Sonnenkollektoren werden bereits viele Gebäude mit heißem Brauchwasser
versorgt. In den Übergangszeiten kann über 60 % der Energie für die
Warmwasserbereitung und zwischen 30 und 50 % der erforderlichen Heizenergie
durch solare Heizungsunterstützung eingespart werden.

3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur 67
Im Alltag dient diese Anwendung dem Ermitteln der Leistungsdaten von
Solarzelle oder Solarmodul als Grundlage für die Berechnung der Leistungsfähigkeit
einer kompletten PV-Anlage oder der automatischen Anpassung des
Wechselrichters an den MPP mit dem Maximumpowertracker.
3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur
Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Drehspulinstrument, schwarze Folie
oder Pappe
Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder
vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul.
In diesem Versuch geht es um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die
Leistungsabgabe des Solarmoduls.
Das Solarmodul sollte direkt zur Sonne ausgerichtet sein, eine weiße helle LED
kann als Leistungsanzeige verwendet werden. Schwarzes Papier oder Pappe, die
vorübergehend auf das Solarmodul gelegt werden, wärmen dieses stärker auf.
Bild 3.23: Schaltung zur Ermittlung
des Einflusses der erhöhten
Temperatur auf die Leistung des
Solarmoduls
Wenn Sie dieses Experiment an einem warmen, sonnigen Sommertag durchführen,
brauchen Sie natürlich keine schwarze Pappe. Ansonsten verstärkt diese den
Aufwärmungseffekt. Eine schwarze Oberfläche nimmt die Wärme schneller auf.

68 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Bauen Sie die Versuchsanordnung in direkter Sonne auf und sehen Sie nach der
Leistungsabgabe der eingesteckten hellen weißen LED. Fühlen Sie mit der Hand
die Oberflächentemperatur des Solarmoduls.
Wenn kein Sonnenlicht zur Verfügung steht, kann dieser Versuch auch unter
der Schreibtischlampe durchgeführt werden. Am besten eignen sich für
diesen Versuch Leuchten, die mit Glühlampen bestückt sind.
Variante mit schwarzer Pappe oder Folie:
Testen Sie die Versuchsanordnung zuerst unter der Lichtquelle in kaltem Modulzustand.
Dann legen Sie die schwarze Pappe oder Folie auf das Solarmodul,
warten 15 bis 30 Minuten, nehmen die Abdeckung wieder weg und fühlen, wie
heiß die Oberfläche des Solarmoduls ist. Sehen Sie sich nun die Leistungsabgabe
des Solarmoduls an.
Gehen Sie vorsichtig mit der Hitze um.
Die dunkelrote oder blaue Oberflächenbeschichtung des Solarmoduls absorbiert
möglichst viel Licht und reflektiert möglichst wenig. Der Nachteil ist, dass sich
die Oberfläche stark aufwärmt. Bei direktem Sonnenschein ist eine Erwärmung
der Moduloberseite auf über 60 °C keine Seltenheit.
Durch das Experiment können Sie erkennen: Die vom Solarmodul abgegebene
Leistung wird bei zunehmender Erwärmung des Solarmoduls geringer. Legen Sie
das Modul eine halbe Stunde in den Kühlschrank und wiederholen Sie anschließend
das Experiment.
Auch hier können Sie die ermittelten Werte notieren und anhand einer Excel-
Tabelle am Computer verarbeiten.

3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur 69
Bild 3.24:
Einfaches Oberflächenthermometer
zur
Ermittlung der
Temperatur des
Solarmoduls
Bei einer konstanten Einstrahlung nimmt die Spannung des Solarmoduls mit
zunehmender Temperatur um ca. 3 mV pro Grad Celsius und pro Zelle ab. Bei
einer Temperaturerhöhung von 60 °C sind dies etwa 1,6 V weniger, gemessen am
Modul aus dem Lernpaket.
Daher wird die Leistung einer Solarzelle oder eines Solarmoduls bei einer festgelegten
Temperatur von 25 °C angegeben.
Solarmodule sollten im Betrieb möglichst kühl bleiben. Das kann z. B.
dadurch erreicht werden, dass eine ausreichende Hinterlüftung den
Solargenerator auf natürliche Weise kühlt (siehe auch Kapitel 7 »Messtechnische
Möglichkeiten mit dem PC«). Die Solarerträge (kW/h) aus PV-
Anlagen sind an kühlen klaren Wintertagen (abgesehen davon, dass die
Sonnenscheindauer viel kürzer ist) oft am besten.

70 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Bild 3.25: Messaufbau
Leistungsmessung auf dem
Steckbrett
Bild 3.26: Diagramm einer vom Hersteller vermessenen kristallinen Zelle; der
Einfluss der Temperatur auf die Spannung und damit auf die Leistung der Solarzelle
Die Leistungsabgabe des Moduls geht mit steigender Erwärmung zurück. Das
Produkt aus Strom und Spannung, die Leistung, reduziert sich somit bei zunehmender
Erwärmung.

3.6 Reihen- und Parallelschaltung 71
Zusatzversuch:
Mit dem Multimeter konnten Sie feststellen, dass die Leerlaufspannung bei
steigender Temperatur sinkt und der Kurzschlussstrom geringfügig steigt. Bei
konstanter Einstrahlung nimmt die Leistung einer Solarzelle mit zunehmender
Temperatur ab.
Nun geht es um das Messen der Spannung bei kalter und bei heißer Zellenoberfläche.
Die Spannung wird der Einfachheit halber an der senkrechten Achse
(Y-Achse) abgetragen.
Bild 3.27: Beispiel Temperaturkurve bei voller Sonne; die Temperatur von 0 °C wurde
im Versuch mit dem Kühlfach manipuliert, die Temperaturen wurden an der
Unterseite des Moduls gemessen.
Vor allem in warmen Klimazonen kann sich die Leistung des Moduls oder die
Ladespannung durch die Temperaturerhöhung so weit reduzieren, dass z. B.
die Akkus nicht mehr ausreichend geladen werden.
3.6 Reihen- und Parallelschaltung
Um auf eine höhere Spannung zu kommen, bedarf es mehrerer Einzelzellen
(Solarzellen) in Reihenschaltung oder mehrerer Module in Reihenschaltung. Dies
ist ähnlich wie Batteriezellen in tragbaren Elektronikgeräten. Dort werden oft
zwei oder mehr Batteriezellen als Monozellen in Reihenschaltung verwendet.

72 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Wenn durch Solarzellen und Solarmodule höhere Ströme benötigt werden, wie
z. B. bei direkt betrieben Motoren oder Ladeschaltungen, können sie parallel
zusammengeschaltet werden.
Bild 3.28: Solarmodul aus kristallinen
Zellen mit Verbindungen der einzelnen
Solarzellen; Prinzip der Reihenschaltung
Die Reihenschaltung von Solarzellen wird bei Siliziumzellen dadurch erreicht,
dass die Unterseite (Rückseite) der ersten Solarzelle (Pluspol) mit der Oberseite
der nächsten Solarzelle (Minuspol) durch spezielle Flachverbinder elektrisch verbunden
wird. Würden zwei Pluspole oder zwei Minuspole in der Reihenschaltung
miteinander verbunden, fände kein Stromfluss statt.
Bild 3.29: Prinzipaufbau und Reihenschaltung einzelner Solarzellen durch
Flachverbinder
Einzelne Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Das
kann entweder durch Reihen- oder Parallelschaltung geschehen. Die Parallelschaltung
erhöht die Stromstärke bei gleichbleibender Spannung der Einzelzelle.
Bei der Reihenschaltung ist es umgekehrt: Hier wird durch die Zusammenschaltung
die Spannung erhöht, die Stromstärke bleibt etwa gleich. Die Reihenschaltung
ist bei Solarmodulen üblich.
Einzelne Solarmodule werden miteinander zu einer Photovoltaik-Anlage verbunden.
Durch Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Module können Anlagen
unterschiedlichster Leistung errichtet werden.

3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen 73
Bild 3.30: Prinzip Reihen- und Parallelschaltung von Modulen
Wie das praktisch funktioniert, zeigen die folgenden Experimente.
3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen
Einzelne Solarmodule lassen sich in Reihe oder auch hintereinander zusammenschalten,
dabei gilt aber die Beachtung grundsätzlicher Regeln. Die Generatorspannung
einer PV-Anlage ergibt sich aus der Reihenschaltung einzelner
Solarmodule zu einem Strang (engl. String). Dazu müssen abwechselnd die
Minus- und Plusanschlüsse der Module miteinander verbunden werden. Die
Anschlüsse am Anfang und Ende des Strangs führen dann die Strangspannung.
Um Leistungsverluste zu vermeiden, sollten sowohl die Solarmodule als auch die
Stränge elektrisch gleiche Werte haben.

74 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Bei vorauszusehenden Verschattungen sollte man auf eine Reihenschaltung mit
vielen Modulen verzichten, da die Leistungsverluste im Strang zu groß werden.
Hier ist das Parallelschalten von Solarmodulen die bessere Alternative. Sind die
Flächen unverschattet, bietet die Reihenschaltung mit vielen Modulen zu einem
Strang die preiswerteste Lösung für netzgekoppelte PV-Anlagen.
Wichtig dabei ist, dass immer der Plus- mit dem Minuspol des nächsten Elements
verbunden wird. Nehmen Sie zwei einzelne Solarmodule und verbinden
Sie sie entsprechend Abb. 1.31. Messen Sie nun den Kurzschlussstrom und die
Leerlaufspannung.
Bild 3.31: Verschaltung und Messprinzip zweier Solarmodule in Reihenschaltung;
a) Leerlaufspannung, b) Kurzschlussstrom, c) und d) der praktische Aufbau

3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen 75
Was verändert sich durch die Reihenschaltung
• Die Spannungen addieren sich, wenn die Solarzellen/Solarmodule in Reihe
miteinander verbunden werden.
• Der Kurzschlussstrom entspricht dem einer einzigen Solarzelle/eines Solarmoduls
– und zwar der/des schwächsten (dem schwächsten Glied in der Kette).
• Wird eine Solarzelle/ein Solarmodul beschattet, sinkt die Leistung des
kompletten Solarzellenstrangs um das Maß der Beschattung.
• Bei Teilbeschattung einer Zelle/eines Moduls speisen die beleuchteten
Solarzellen ihren Strom in die abgeschattete Solarzelle, diese erwärmt sich und
kann im Extremfall zerstört werden.
• Probleme der Teilbeschattung gibt es vor allem bei Modulen mit kristallinen
Zellen. Bei amorphen Modulen, wie Sie vermutlich welche vor sich haben, ist
dieses Problem eher unbedeutend.
In Solarmodulen, die für große PV-Anlagen verwendet werden, werden einzelne
kristalline Solarzellen ebenfalls in Reihe zusammengeschaltet. Damit die Zellen
bei einer Teilbeschattung des Solarmoduls nicht beschädigt werden, werden sog.
Bypassdioden abschnittweise in die Solarzellenstränge eingefügt. Diese Dioden
führen den Strom an der beschatteten Solarzelle vorbei.
Bild 3.32: Verschaltungsprinzip der
Bypassdioden im Solarzellenstrang

76 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Solarmodule bestehen immer aus mehreren, in Reihe zusammengeschalteten
Solarzellen. Bei 12-V-Solarmodulen sind dies z. B. 33 bis 36 Zellen in Reihe.
Bild 3.33: 12-V-Solarmodul
3.8 Parallelschaltung
Einzelne Solarzellen oder auch Solarmodule lassen sich natürlich auch elektrisch
parallel verschalten. Hierbei werden jeweils alle Minuspol- und alle Pluspol-
Anschlüsse der Solarzellen untereinander verbunden.
Der Generatorstrom einer PV-Anlage ergibt sich aus der Anzahl parallel verschalteter
Module oder Stränge. Dies wird erreicht, indem alle Minus- und Plusanschlüsse
der Module oder Stränge miteinander verbunden werden. Der Generatorstrom
ist dann die Summe der einzelnen Modul- oder Strangströme.
Die Parallelschaltung kommt bei verschatteten Flächen netzgekoppelter PV-
Anlagen und in Inselanlagen (netzautark) vorwiegend zum Einsatz, denn bei
Verschattung sind hier die Leistungsverluste wesentlich geringer.
Messen Sie nun den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung entsprechend
der Messschaltung.

3.8 Parallelschaltung 77
Bild 3.34: Verschaltung und
Messprinzip zweier Solarmodule
in Parallelschaltung; a) Leerlaufspannung,
b) Kurzschlussstrom.
Für den Shunt wird der Widerstand
mit 10 Ω und ½ Watt
Belastbarkeit oder die Magnetspule
verwendet, c) praktische
Verdrahtung der Solarmodule
Was verändert sich dadurch
• Die Spannung von parallel geschalteten Solarzellen entspricht der einer einzigen
Zelle.

78 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
• Der Kurzschlussstrom addiert sich um die Beträge des Stroms der einzelnen
Zellen. Bei gleich starken Solarzellen addiert sich der Kurzschlussstrom um die
Anzahl der Zellen.
• Es ist möglich, Zellen mit unterschiedlicher Leistung (Kurzschlussstrom)
zusammenzuschalten.
• Bei Teilbeschattung einer Zelle speisen die beleuchteten Solarzellen ihren
addierten Strom in die abgeschattete Zelle, diese erwärmt sich stark und kann
im Extremfall zerstört werden.
Bild 3.35: Parallelschaltung von Solarzellen
Parallelschaltung von Solarzellen ist dann sinnvoll, wenn zwar eine geringe Spannung
benötigt wird, dafür aber höhere Ströme gewünscht werden.
Um bei niedrigen Spannungen höhere Ströme zu erhalten, werden zwei oder
mehrere Module parallel zusammengeschaltet. Mit zwei gleichen, parallel
geschalteten Solarmodulen kann z. B. der Ladestrom verdoppelt werden.
Bild 3.36: Prinzip Parallelschaltung von zwei Modulen in einer Insel-PV-Anlage

3.9 Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung 79
3.9 Kombination aus Reihen- und
Parallelschaltung
Solargeneratoren können aus reinen Reihen- oder Parallelschaltungen und Kombinationen
aus beiden Schaltungsarten bestehen. Spannungs- und Stromhöhe des
Generators sind nicht beliebig wählbar und richten sich nach Nutzungszweck
und Belastbarkeit der Komponenten. Dies muss bei der Anlagenplanung berücksichtigt
werden.
3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul
Versuchsaufbau: Solarmodule, Steckbrett, Drehspulinstrument, LEDs mit Vorwiderstand
Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder
vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul.
Experimentierreihe:
Reihenschaltung der Module, ein Modul beschattet
Parallelschaltung der Module, ein Modul beschattet

80 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Bild 3.37: Was bewirkt der Schatten auf
dem Modul, unterschiedliche Arten der
Teilbeschattung
Diese und die folgenden Experimente in diesem Kapitel können mit dem
Drehspulinstrument, den LEDs und einem Multimeter durchgeführt werden.
Sie können dazu die rote, die grüne oder auch die Blink-LED verwenden. Vor
allem die Blink-LED eignet sich dafür gut. Zur Erinnerung: Der längere LED-
Anschluss ist der Pluspol.
Bild 3.38: Solarmodul alternativ mit Drehspulinstrument und den LEDs mit dem
Vorwiderstand

3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul 81
Bild 3.39: Versuchsaufbau auf dem Steckbrett
Führen Sie die Experimente draußen bei hellem Sonnenschein durch, dann
ist das Drehspulinstrument als Verbrauchsanzeige besser zu erkennen. Das
Leuchten der LED ist im hellen Umgebungslicht kaum zu sehen. Doch ist es
auch möglich, die LED mit einem Stück Karton vor dem Sonnenlicht abzuschirmen.
Jetzt können Sie weitere Experimente dieser Art machen:
Erzeugen Sie einen leichten Schatten durch eine zusätzliche Glasscheibe oder eine
matte Folie, die zwischen Lichtquelle und Solarmodul gehalten wird.
Erzeugen Sie einen harten Schatten durch ein Stück Pappe oder Holz, das Sie
direkt über das Solarmodul halten.
Beschatten Sie einzelne Bereiche des Solarmoduls, indem Sie ein Stück Pappe
direkt auf einen Teilbereich des Solarmoduls legen.

82 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul
Bild 3.40: Schatten
auf den Solarmodulen
einer Dachanlage
durch bauliche
Umstände
Die Beschattungsversuche können Sie auch mit einer an dem Solarmodul angeschlossenen
LED durchführen. Was passiert mit der roten, der grünen und der
Blink-LED bei leichtem Schatten, bei hartem Schatten und beim Abdecken von
einzelnen Bereichen
Bei großen PV-Anlagen, die mit kristallinen Solarmodulen ausgestattet sind,
ist das Beschattungsthema immer wieder brisant. Damit bei einer Teilbeschattung,
z. B. durch ein Laubblatt oder Vogelkot, nicht der ganze
Solargenerator ausfällt, werden Schottky-Dioden als Bypass zur Umleitung
des Stroms um die beschattete Solarzelle verwendet. Bei fehlerhaften Bypassdioden
kann es im Extremfall zu einem Hotspot kommen, bei dem Solarzellen
zerstört werden (siehe Abb. 3.42).
Bild 3.41: Verschaltungsprinzip und Stromumleitung durch eine
Schottky-Diode, wenn einzelne Zellen beschattet werden

3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle 83
Funktioniert die Stromumleitung bei einer Teilbeschattung des Solarmoduls
nicht oder nur mangelhaft, kann sich die beschattete Zelle dermaßen erhitzen,
dass Teile der Solarzelle unter Umständen sogar zerstört werden.
Bild 3.42: Zerstörtes Solarmodul durch einen Hotspot (am Flachverbinder)
3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle
Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Widerstand 10 Ω, Widerstand 100 Ω,
LED, Drehspulinstrument.
Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder
vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul.

Ulrich E. Stempel
FRANZIS
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50 Experimente mit
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