Lernwerkstatt Solarzellen

Lernwerkstatt Solarzellen
für Schule und Ausbildung
Die Lernwerkstatt Solarzellen
vermittelt anhand von einfachen Experimenten die grundlegenden Funktionen der Solarzelle,
hilft die gewonnen Erkenntnisse durch Ausprobieren anzuwenden und
vertieft die gesammelten Erfahrungen durch praxisbezogenes Wissen.
Die Lernwerkstatt Solarzellen
eignet sich für die Berufsausbildung, für die Mittel- und die Oberstufe sowie teilweise auch
für die Unterstufe.
Die Lernwerkstatt Solarzellen
bietet 6 Schülerinnen und Schülern unterhaltsames und spannendes Lernen.
Die Lernwerkstatt Solarzellen
besteht aus hochwertigen Materialien und sehr leistungsfähigen Solarzellen.
Die ausführliche Dokumentation kann telefonisch (071 988 14 76) oder per email ([email protected]) bestellt werden.
Online als Download unter: www.tueftler.ch/lw-doku
tueftler.ch Steig 40 CH-9630 Wattwil
tel. 071 988 14 76 [email protected] www.tueftler.ch
ttueftler.ch
Experimentieren
Ausprobieren
Wissen
Die ersten Solarzellenfunktionen werden
Einzeln erforscht,
die weiterführenden Experimente in
Gruppen
und beim Ausprobieren können die
gewonnenen Erkenntnisse angewendet
und wertvolle Erfahrungen gesammelt
werden.
Lernwerkstatt Solarzellen
Wissen
Ausprobieren 2
Getriebeantrieb
Hinweise
Lernwerkstatt Solarzellen
Ausprobieren
Getriebeantrieb
Krafttest
Lernwerkstatt Solarzellen
Experimentieren
Experiment 8
Serie- /Parallelschaltung
Auftrag
seriell
Sonnen
Kunstlicht
Verkabelt dieund
Solarzellen
und den Solarmotor wie auf dem Foto.
Sonnen- und Kunstlicht
Legt die beiden Anordnungen nebeneinander und sucht verschieden stark
Ziel
beleuchtete Standorte im Freien.
Lichtquellen
kennen,
die sich die
für Drehzahl
den Betrieb
Solarzellen eignen.
Beobachtet
und vergleicht
dervon
Luftschrauben.
Lernwerkstatt
Solarzellen
3seriell-2parallel
Experimentieren
Experiment 6
Auftrag
Sammelt zuhause oder im Schulhaus Leuchten mit möglichst verschiedenen
Beschattung
+
Material
Arten
von Lampen (Leuchtmitteln): Glühlampen, Taschenlampen, StromsparZiel
lampen,
Halogenlampen,
FL-Röhrenlampen,
LED-Lampen
und HellraumproSchaltung:
3seriell-2parallel
Schaltung:
2seriell-3parallel
jektorlampen...
Wirkung
des Beschattens einer einzelnen Solarzelle
in einer
Serie- und Par6 Solarzellen
0,5V/1000mA
Experiment 5
Baut
eine Testeinrichtung
und probiert aus,
unter welchen
Lampen der
allelschaltung
beschreiben
können.
Solarmotor
und Luftschraube
Solarmotor
und Luftschraube
Motor
läuft. (rot/schwarz)
Kabelsatz
Kabelsatz (rot/schwarz)
- Braucht
es viel oder wenig Distanz zum gelbe
Leuchtkörper?
Auftrag
gelbe Kabel
Kabel
- Gibtdie
esVerbindungen
Lichtquellen, unter
denen
Motor nicht
Steckt
gemäss
Foto.der
Beschriftet
sie läuft?
mit „Serieschaltung“
- Unter
welchen Lichtquellen
arbeiten
Solarzellen
am alle
besten?
Ziel
und
„Parallelschaltung“.
Sucht einen
Standort,
an dem
Solarzellen
- Wie effizient
sind die sind
künstlichen
Lichtquellen
im Vergleich
Sonne?
Parallelschaltung
anwenden
undund
die vergewissert
Wirkung
der Lichtmenge
auf zur
die
Stromgleichmässig
beleuchtet
euch,
dass beide
Motoren
6 Solarzellen 0,5V/1000mA
Experimentieren
Lernwerkstatt Solarzellen
Grundschaltung
parallel
2seriell-3parallel
Turmmotor
mit Zahnrädern
... weiter mit seriell/parallel 3s/2p und 2s/3p
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie
Grundschaltung
Lernwerkstatt Solarzellen
experimentieren mit Solarenergie
Serieschaltung
Grundschaltung
experimentieren mit Solarenergie
Grundschaltung
Grundschaltung
Grundschaltung
experimentieren mit Solarenergie
Ausprobieren
Propellerantrieb
Drehrichtung des Motors
beide Motoren gut laufen.
Windstärke
seriell
Solarzelleund
0,5V/1000mA
2 Solarzellen
0,5V/1000mA
Beobachtet
vergleicht die Drehzahl der
Luftschrauben.
Auftrag
ttueftler.ch
Solarmotor
und
Luftschraube
Solarmotor
Verbindet
das rote
Motorkabel
mit dem Pluskontakt
aufund
der Luftschraube
Solarzelle und
Licht
und
Schatten
+
Hinweise
+
+
Technikverständnis
Lernwerkstatt
Solarzellen
Wissen
Experiment
4
Solarzellen
die
Zellen von
aus
gestalterischen
Gründen
in HalbStromkreise
den Motor. Wenn ein Kreis unterbrochen
ist,
langsame
Wechsel
direktem
Sonnenlicht,
über
Strom
generiert.
unterschiedlichem
Winkel
anzuordnen. Mit der Erkenntbezieht
der Motor
seinen
Strom
einfach von
anderen
schatten zu Schatten
empfehlenswert.
Der Motor
stoppt
deshalb
im Vergleich
zurder
Serieschaltung
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie
nis aus diesem Versuch kann die Lehrperson solche
Solarzelle.
wesentlich später, bzw. beginnt wesentlich früher anzuPlanungsfehler korrigieren: Bei unterschiedlicher AusrichEr laufen.
verliert aber etwas Kraft.
tung ist
eine der beiden Zellen von der Sonne bevorzugt,
Damit
Solarobjekte nicht nur bei Sonnenschein funktioHinweise
Technikverständnis
die andere benachteiligt. In der Serieschaltung bestimmt
Dienieren,
Erkenntnis
diesem
Experiment
sollte
dazuSolarzelsollteaus
immer
auf ändert
eine
möglichst
grosse
Um die unterschiedliche Kraft zu spüren, sollte der VerDie Parallelschaltung
nichts an
der Drehzahl
des
die schlechter
beleuchteteSolarzellen
Solarzelle die Leistung. Sie
führen,
dassgeachtet
jeder nocherden
so kleine Teilschatten auf
den
lenMotors.
äche
Lernwerkstatt
Wissen
Experiment
3
such
an einem halbschattigen
Platz durchgeführt werden.
Die Spannung bleibt gleich, durch die
doppelte
„bremst“ die Zelle mit der höheren Leistung.
Solarzellen vermieden werden muss.
Grund: Beimit
sehr
hoher Einstrahlung liefert schon eine
Solarzellen äche ird aber doppelt
so viel Strom genettueftler.ch
experimentieren
Solarenergie
einzige Solarzelle mehr Strom als der Motor aufnehmen
riert. Der Motor hat doppelt soviel Kraft.
kann. Wenn eine zweite Solarzelle zugeschaltet wird, ist
deshalb
keine
erhöhte Wirkung +spürbar. Im Halbschatten
0,5
Volt/1000mA
Hinweise
Technikverständnis
+
ist der Unterschied eindrücklich.
+ 0,5 Volt/1000mA
Die Serieschaltung ist ein wichtiges Element in der SolarBei der Serieschaltung summiert sich die Spannung der
Lernwerkstatt
Solarzellen
Wissen
Experiment 2
Es dürfen
nur gleiche
Solarzellen
miteinander verbunden
0,5Volt/2000mA
0.5V/1000mA
0.5V/1000mA
technik.
Weil eine+einzelne
Solarzelle eine Systemspaneinzelnen Solarzellen. In unserem Experiment verdoppelt
werden.
ttueftler.ch
experimentieren
mit Solarenergie
nung von lediglich
rund 0,5 Volt aufweist, werden in
sich die Spannung. Das führt zu einer
Verdoppelung der
Modulen die Solarzellen immer seriell verbunden.
Motordrehzahl.
Es dürfen nur gleiche Zellen miteinander verbunden
Technikverständnis
werden.
Hinweise
0,5 Volt/1000mA
Volt/1000mA
Gleichstrom
ist gerichtet. Wenn die Polarität umgekehrt
Wenn bei einem Fahrzeug die Drehrichtung nicht stimmt, + 0,5
Lernwerkstatt Solarzellen
Wissen
Experiment 1
+
+
1,0
Volt/1000mA
wird,
wechselt auch die
Drehrichtung des
Motors.
kann sie auf einfache Weise umgekehrt werden. Die Umttueftler.ch
experimentieren
Solarenergie
polungmit
kann
auf der Solarzellenseite oder auf der Motor0.5V/1000mA
0.5V/1000mA
Bei den Grossmodulen
auf den+Dächern
sind es in der
seite vorgenommen werden.
Regel 36 oder 72 Zellen in Serie, die in einem String
wiederum
in
Serie
verbunden
werden,
bevor
sie
über den
Hinweise
Technikverständnis
Wechselrichter ins Stromnetz geführt werden.
Die Schülerinnen und Schüler verfeinern ihr Gespür für
Damit der Motor dreht, braucht die Solarzelle eine beIm Spielzeugbereich werden aus Kostengründen Systeme
die
stimmte Menge Licht, um genügend Strom für den Motor
+
+
mit 0,5 bis 3 Volt eingesetzt.
ttueftler.ch
experimentieren
mitanSolarenergie
Lichtmenge
verschiedenen Standorten: Im Freien,
abzugeben. Im Schatten oder in Räumen
ist die LichtWenn ein Drehzahlmesser zur Verfügung steht, können
neben
dem Baum,+unter
dem Baum, unter dem Vordach.
menge oft zu klein. Der Motor steht still.
0.5V/1000mA
0.5V/1000mA
die Drehzahlen gemessen und in einer Tabelle festgehalInteressant ist der Vergleich vor und hinter der FensterSolarzellen lieben helle Standorte, damit sie gut arbeiten
ten werden.
scheibe. Das ist vor allem gut sichtbar bei trübem Wetter.
können.
Die Serieschaltung ist ideal bei guten Lichtverhältnissen
Fensterscheiben absorbieren je nach Bauart mehr als die
und wenn die Motordrehzahl erhöht werden soll.
Hälfte des Lichts.
Ein paar Strahlungswerte (Mittag) im Vergleich:
Windstärke
parallel
Turmmotor mit Propeller
experimentieren mit Solarenergie
... weiter mit seriell/parallel 3s/2p und 2s/3p
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie
Für diese Lichttests muss die Sonne nicht zwingend
scheinen.
Mit einer 1000 mA - Solarzelle läuft der Motor über die
Mittagsstunden oft sogar bei Regen.
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie
experimentieren mit Solarenergie
+
Licht und Schatten
das schwarze Kabel mit dem Minuskontakt.Kabelsatz
Steckt die(rot/schwarz)
Luftschraube auf die
Ziel
Motorwelle
Materialund beobachtet die Drehrichtung.
Grundschaltung
Solarzelle 0,5 V/1000 mA
Solarmotor und Luftschraube
+
+
Drehrichtung des Motors
Ziel
Das gelbe Kabel verbindet die zwei Solarzellen als Brücke.
Material
Durch
Vertauschen
von Plus undnebeneinander
Minus die Drehrichtung
Legt
die beiden Anordnungen
und suchtändern
einen können.
Standort, wo
Experimentieren
Experiment 1
Grundschaltung
Parallelschaltung
Auswirkungen
von
Licht
und Schatten
auf die
Solarzelle und
Leistung
Verbindet das
rote
Motorkabel
mit dem
Minuskontakt
undderen
das schwarze
Grundschaltung
Serieschaltung
kennen.
Kabel mit dem Pluskontakt so wie auf dem Bild.
Solarzelle 0,5 V/1000 mA
2 Solarzellen 0,5 V/1000 mA
Was passiert mit der Drehrichtung?
ttueftler.ch
Solarmotor und Luftschraube
Solarmotor und Luftschraube
Auftrag
gelbes Kabel
Material
Steckt
die Motorkabel in die Anschlüsse der Solarzelle und die Luftschraube
aufGrundschaltung
die Motorwelle.
Bewegt
euch 0,5
im Schulhaus
Solarzelle
V/1000 mAund auf dem Pausenplatz und sucht Orte, an
denen genügend Licht für den Betrieb des Motors vorhanden ist.
Solarmotor und Luftschraube
Option: Beobachtungsblatt/Tabelle mit Schatten- und Lichtstandorten.
ttueftler.ch
Wo dreht die Luftschraube und wo nicht?
+
Serieschaltung
Solarmotoranwenden und die Wirkung auf
Solarmotor
Brücken.
Serieschaltung
die Drehzahl des Motors
Experiment 2
Luftschraube
Luftschraube
Legt
die beiden Aordnungen nebeneinander
und sucht einen Standort, wo
kennen.
Kabelsatz (rot/schwarz) ttueftler.ch
beide Motoren gut laufen.
Beobachtet und vergleicht die Drehzahl der Luftschrauben.
Auftrag
Versucht,
Luftschraube
abzubremsen.
ihrdem
einenFoto.
Unterschied?
Verkabelt
diedie
Solarzellen
und den
SolarmotorSpürt
wie auf
Material
experimentieren mit Solarenergie
Lernwerkstatt Solarzellen
Grundschaltung
Parallelschaltung
Verkabelt
die Solarzellen und den Solarmotor
wie auf dem Foto.
Ziel
Solarzelle
0,5V/1000mA
2 Solarzellen
0,5V/1000mA
Das
rote (+) und
das schwarze (-) Kabel verbinden
die zwei
Solarzellen als
Experimentieren
experimentieren mit Solarenergie
Parallelschaltung
Parallelschaltung 2
+
Parallelschaltung 1
Solarzelle
0,5 V/1000
mA Foto. Legt Halogenlampen,
Glühlampen
Steckt
die Verbindungen
gemäss
die beiden Anordnungen
neben-
Serieschaltung
Parallelschaltung
+
Kombination:
2 parallel
- 3 seriell
1. Kombination:
3 parallel
- 2 seriell
Manchmal
ist
es verlockend,
bei Modellen
mit zweiist2.der
Bei
der
versorgenäche
zwei unabhängige
Um die Wirkung
der
Lichtmenge
zu beobachten
urchParallelschaltung
die
doppelte Solarzellen
ird doppelt so viel
Solarmotor
undverschieden
Luftschraube
Energiesparlampen,
Ziel
Material
einander
und sucht
stark beleuchtete
Standorte im LED-Lampen
Freien.
Fluoreszenzröhren
usw. kenBeobachtet
die anwenden
Drehzahl der
Parallelschaltung
undLuftschrauben.
die Wirkung
auf
die Kraft des Motors
Serieschaltung
Parallelschaltung
Lernwerkstatt
Solarzellen
Experimentieren
Experiment 3
Parallelschaltung
2 Solarzellen 0.5V/1000mA
nen. 2 Solarzellen 0,5 V/1000 mA
Solarmotor und Luftschraube
Solarmotor und Luftschraube
experimentieren mit Solarenergie
ttueftler.ch
gelbes Kabel
Kabelsatz (rot/schwarz)
Material
Auftrag
Lernwerkstatt Solarzellen
Beschattung
+
Experimentieren
Experiment 4
stärke
kennen.
laufen.
Deckt bei beiden Anordnungen die rechte Solarzelle ab. Beobachtet
dieMaterial
Wirkung. Deckt jeweils die linke Solarzelle ab. Deckt nur einenttueftler.ch
Teil der
experimentieren mit Solarenergie
Grundschaltung
versch.
(Leuchtmittel)
Auftrag
Solarzelle
ab und findet die Grenze,
o ein
Motor Lampen
stehenbleibt
Parallelschaltung
1
versch. Lampen (Leuchtmittel)
+
Halogenlampen.
Sonne ausgelegt.
0.5V/1000mA + 0.5V/1000mA
1V/1000m
Leuchtstof ampen geben das
Licht nicht gebündelt
Solarzellen können aber an die Lichtquelle
angepasst
ttueftler.ch
ab und ihre Farbzusammensetzung (Spektrum) passt
werden. Die Module von Taschenrechnern sind ans
Hinweise
Technikverständnis
nicht
so gut zu den Solarzellen.
Kunstlicht
angepasst. Bei den automatischen Schweiss1V/1000mA
LED-Lampen
funktionieren
wennsollten
sie stark
helmen
verdunkelt
ein Solarmodul
Gesichtsfeld,
Damit
dieses
Experimentnur,
gelingt,
die genug
beiden Sets0.5V/1000mA
der
Serieschaltung
iesst1.5V/1000mA
derdas
Strom
in einem soreis
0.5V/1000mA
+ei 0.5V/1000mA
+ 0.5V/1000mA
+ 0.5V/1000mA
Lernwerkstatt
Solarzellen
Wissen
Experiment 5
sind.
bald
der beide
Sch eissbogen
auWenn
euchtet
iese Solarmodule
mit „Serie“ und „Parallel“ (Haftnotizen) beschriftet sein.
durch
Solarzellen.
eine Solarzelle
beschattet
sindird,
aufist
das
desunterbrochen
Schweissbogens
So finden sich die Schülerinnen und Schüler zurecht und
derSpektrum
Strom uss
Manoptimiert.
kann sich
sehen, bei welcher Schaltung der Motor beim Beschatten
einen Wasserschlauch vorstellen:
Wenn jemand drauf1.5V/1000mA
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie1V/1000mA
weiterläuft
und
bei
welcher
er
abstellt.
iesst
im
ganzen
Schlauch
kein
Wasser
mehr
0.5V/1000mA stehst,
0.5V/1000mA
0.5V/1000mA
+
+
1V/3000mA
1.5V/2000mA
0.5V/1000mA
0.5V/1000mA
experimentieren mit Solarenergie
+
Parallelschaltung 2
Lernwerkstatt
Solarzellen
Serieschaltung
EinWissen
Fahrzeug braucht Kraft um sich fortzubewegen,
da
Ausprobieren
1
es den Reibungswiderstand auf dem Boden überwinden
muss. In der Regel funktioniert es deshalb nicht befriedigend, wenn die Räder direkt vom Motor angetrieben
werden.
Hinweise
DieTechnikverständnis
Motordrehzahl ist hoch, aber das Drehmoment, die
Für Solarobjekte mit Propellerantrieb kann die Drehzahl Kraft
Sind
dieMotors
zu bewegenden
gut ausbades
ist klein. Objekte leicht und Experiment
Lernwerkstatt Solarzellen
Wissen
8
des Solarmotors direkt genutzt werden.
lanciert können sie mit einem Direktantrieb (Motor plus
Fahrt gebracht
werden.
DasPropeller)
Getriebein
reduziert
die Drehzahl
und erhöht gleichWirklich beeindruckend wird es, wenn die sechs Solar- zeitig
Leicht
und gut
ausbalanciert
muss natürlich
auch der
die Kraft,
welche
auf die Antriebsräder
übertragen
zellen seriell verschaltet und an den Turmmotor mit dem werden
Propeller
kann.sein. Eine Unwucht bremst den Motor und führt
Technikverständnis
Hinweise
grossen Propeller angeschlossen werden. Nicht umsonst Einzu
einem unruhigen
Motor
Getriebe
braucht esLauf.
auch,Der
wenn
sichrüttelt.
etwas nur langie einfache
arallelschaltung
ergibt häufig
Inwird
diesen
beiden
Variantenauch
sindWirbelsturm
die Solarzellen
seriell diese
Kombination
genannt!
Propeller
werden
auchoder
Luft- oder
Wasserschrauben
sam
drehen
soll. Serie
Lernwerkstatt
Solarzellen
Wissen
Experiment 7
nicht die
benötigte
Spannung und/oder
denPropeller
gewünschten
und parallel miteinander verschaltet.
genannt.
Nebst
dem Blattdurchmesser
haben
Strom.
Bei 6 Solarzellen gibt es zwei Kombinationsmöglichkeiauch
eine sogenannteObjekten
Steigung.
Diese
entspricht
Wieimmer
bei allen
solarbetriebenen
hat
LeichtbauDurch
die
Kombination
der
beiden
Schaltungen
können
ten.
sinngemäss
der Steigungoberste
einer Schraube.
weise
und Leichtgängigkeit
Priorität. Je grösser die
diese Grössen - in einem beschränkten Bereich - beeinSteigung,
umso weiter kommt der Propeller mit einer UmHinweise
usst
erden
Technikverständnis
drehung. Eine grosse Steigung braucht aber auch mehr
Fast alle Lichtquellen ermöglichen der Solarzelle, aus
Da Solarzellen
in Propeller
der Regelmüssen
für die Nutzung
SonnenMotorkraft.
Motor und
deshalb von
aufeinLernwerkstatt Solarzellen
Wissen
Experiment
6
Licht Strom zu machen. Besonders gut funktioniert es mit anderlicht
hergestellt
werden, sind sie auf das Spektrum der
abgestimmt
sein.
Propellerantrieb
Serie - /Parallelschaltung
Ziel
Mehrere Solarzellen seriell und parallel verschalten können.
Experimentieren
Experiment 7
Lernwerkstatt Solarzellen
Technikverständnis
FürLernwerkstatt
fahrende Solarobjekte
oder ein sich langsam drehenSolarzellen
des Objekt braucht es ein Getriebe.
ttueftler.ch
- Blauer Himmel, strahlende Sonne: 1000 W/m2
- Hohe Schleierwolken, dunstig: 300–500W/m2
- Bedeckter Himmel, Regenwetter: 70–150W/m2
- Hochnebel und Staulage, sehr düster: 30W/m2
- Innenraum, gut ausgeleuchtet: 0.5 - 2W/m2
ttueftler.ch
ttueftler.ch
experimentieren mit Solarenergie
tueftler.ch Steig 40 CH-9630 Wattwil
tel. 071 988 14 76 [email protected] www.tueftler.ch
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