Messbericht Kennlinie Einer Solarzelle

Institut für Energiesysteme und Fluid-EngineeringIEFE

Kennlinie einer Solarzelle

Messprotokoll: SpannungsmessungMessung vom: 9.10.2013

Auftraggeber:ZHAW

A. HeinzelmannTechnikumstr. 98401 Winterthur

Autor : Marc Thurnheer

Sebastian Nadler

EU13b

ZHAW

Zürcher Hochschule für

Angewandte Wissenschaften

Technikumstr. 9

8401 Winterthur / Schweiz

Projekt : ELHL Praktikum 3

Version : 0.2

Seiten : 17

Erstellt am : 12.10.2013

Letzte Änderung : 22.10.2013

Datei : document.docx

geprüft :

genehmigt :

- - -

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

In diesem Praktikum wurde die Spannung einer Solarzelle, unter zwei unterschiedlich starken Beleuchtungen, mit dem digitalen Voltmeter Hameg 8011 spannungsrichtig ausgemessen. Mit den Messdaten und dem Berechnen des Stromes konnten die beiden U-I-Kennlinien aufgezeigt werden, sowie die Leistungen untereinander verglichen und so mit der Idealkurve verglichen werden. Wie zu erwarten war, fand eine Abweichung zur Idealkennlinie statt, welche jedoch darauf zurückzuführen ist, dass die Idealkennlinie rein theoretisch zu betrachten ist. Was bedeutet, dass jegliche Verluste und äussere Beeinträchtigungen nicht in die Berechnungen miteinbezogen wurden. Von der Charakteristik her sind die zwei U-I-Kennlinien der Messung ähnlich zu jener der Idealkennlinie.

Die Leistung ist abhängig von der Beleuchtungsintensität auf die Solarzelle, und die maximal erreichten Leistungen entsprechen unterschiedlichen Lastwiderständen bei Voll- oder Teilbeleuchtung.

Bei Vollbeleuchtung liegt die höchste Leistung (-5.826 mW) bei einem Lastwiderstand von 300 Ω, bei

Teilbeleuchtung wird bei einem Lastwiderstand von 600 Ω nur noch eine Leistung von -2.432 mW

erreicht. Da sich der Verbraucher (Lastwiderstand RL), der an eine Solarzelle angeschlossen ist, nicht gross ändert, wird bei unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten nicht immer die optimale Maximalleistung abgerufen.

- -

Inhaltsverzeichnis

Dokument Versionsverwaltung

Version Autor QS Datum Status Änderungen

0.0 Thurnheer

Nadler

MT

SN

2013-10-12 Entwurf Erstellung des Berichts

0.1 Thurnheer

Nadler

MT

SN

2013-10-16 Entwurf Messergebnisse, Tabellen

0.2 Thurnheer

Nadler

MT

SN

2013-10-21 Fertig formative und sprachliche Anpassungen

- -

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 1 Messung.......................................................................................................................................1-7

1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Messung....................................................................................................1

1.2 Messaufbau..............................................................................................................................................1-2

1.3 Messdurchführung......................................................................................................................................2

1.4 Messergebnis...............................................................................................................................................3

1.5 Auswertung..............................................................................................................................................4-7

2 Begriffsdefinitionen und Masseinheiten.......................................................................................8

3 Anhang.......................................................................................................................................9-10

4 Literatur........................................................................................................................................11

- -

Messung 1

1 Messung

1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Messung

Das Ziel bei der Messung ist, die U-I-Kennlinie einer Solarzelle unter zwei verschiedenen Beleuchtungsstärken darzustellen. Anhand der gemessenen Spannung Um und dem daraus berechneten Strom Im, werden zwei Kennlinien erstellt und untereinander verglichen. Ein weiteres Ziel ist die maximale Leistung in Abhängigkeit des Widerstandes in der Kennlinie zu ermitteln. Es ist zu erwarten, dass die Solarzelle bei voller Beleuchtung mehr Strom abgibt und somit aufgrund des Ohm’schen Gesetzes mehr Leistung hat. Da die Solarzelle aktiv als Spannungsquelle arbeitet, liegt ihre Kennlinie im 4. Quadranten des Koordinatensystems. Die Messgenauigkeit sollte die vom Hersteller der Messgeräte angegebene Messunsicherheit nicht überschreiten unter Berücksichtigung der Genauigkeit von den Widerständen von 1 %.

1.2 Messaufbau

Beim Messaufbau (Bild 1-1) wird zwischen zwei verschiedenen Stromkreisen unterschieden. Zum einen sieht man in der linken Abbildung, dass die Beleuchtungseinheit an der der Spannungsquelle mit 12 V betrieben wird. Zur Aufnahme der Kennlinie wird eine Widerstanddekade (RL) an die Solarzelle angeschlossen. Sie besitzt mehrere Schalterstellungen, mit verschiedenen Widerständen, deren Werte so ausgewählt werden, dass der Verlauf der Kennlinie gut dargestellt werden kann. Der Lastwiderstand RL simuliert in der Schaltung einen Verbraucher. Mit dem Voltmeter, welches parallel an der Widerstanddekade angeschlossen ist, wird die Spannung spannungsrichtig gemessen. In der Messung kamen die Messgeräte nach Tabelle 1-1 zum Einsatz.

Bild 1-1: Messaufbau mit Solarzelle und Lampe

Messgerät: HAMEG 8011

Inventar-Nummer: 12-912

Messbereich: 20V

Messanordnung: Direkte Messung

Messgerät: HAMEG 8142

Inventar: 15-912

Einstellung: 12V DC

Messanordnung: Spannungsquelle

Tabelle 1-1: Messgeräte

ZHAW Winterthur 2013 - - -

Messung 2

Anmerkungen:

Beim Voltmeter handelt es sich um ein Multimeter HAMEG 8011 Die Messunsicherheit beim HAMEG 8011 bei Messbereich 20V beträgt ± 0.05% vom

Messbereich ± 0.005 vom Ergebnis. Beim Netzgerät handelt es sich um ein Gerät Typ HAMEG 8142

1.3 Messdurchführung

Ohne Betrieb der Beleuchtungseinheit misst man als erstes die höchste Spannung, die bei Umgebungslicht anliegen kann, unter Berücksichtigung der Grösse des Lastwiderstandes RL. Danach wird gemäss Bild 1-2 und 1-3 die Beleuchtungseinheit mit 12V Betriebsspannung belastet, womit auf dem Voltmeter ein Wert erscheint. Die Beleuchtungseinheit wird so ausgerichtet, dass die maximale Spannung auf dem Voltmeter angezeigt wird. Somit ist die Beleuchtungsstärke auf 100 % (Vollbeleuchtung) eingestellt. In der ersten Messserie (Vollbeleuchtung), welche schlussendlich aus 15 Einzelmessungen bestand, wurden die Widerstände so gewählt, dass die U-I-Kennlinie gut dargestellt werden kann. Im Bereich der Krümmung mussten deswegen viele Messpunkte gewählt werden, um grobe Knicke in der U-I-Kennlinie zu vermeiden Ein einzelner Messschritt beinhaltet die Messung eines eingestellten Widerstandes auf der Dekade. Die Spannung wird also unter dem Einfluss verschiedener Widerstände RL von 10 – 10000 Ω gemessen und sogleich abgelesen. Bei der zweiten Messserie (Teilbeleuchtung), bei welcher die gleichen 15 Widerstände verwendet werden, ist die Beleuchtungseinheit so einzustellen, dass beim Lastwiderstand RL = 100 Ω die gemessene Spannung genau die Hälfte des Wertes beträgt, welcher bei 100% Beleuchtungsstärke gemessen wurde. Somit simulieren wir für die zweite Messserie eine andere Beleuchtungsstärke.

Bild 1-2: links Spannungsquelle; rechts Voltmeter Bild 1-3: Solarzelle und Beleuchtungseinheit


Messung 3

1.4 Messergebnis

Die Tabelle 1-1 zeigt die Messwerte der Messung anhand der verschieden eingesetzten Widerstandswerte bei Voll- und Teilbeleuchtungsintensität.

RL [Ω] UmVoll [V] UmTeil [V]10000 1,667 1,570

3300 1,654 1,5501000 1,612 1,468

800 1,590 1,372600 1,560 1,208500 1,531 1,061450 1,509 0,977400 1,476 0,887350 1,418 0,790300 1,322 0,690250 1,155 0,585200 0,951 0,475150 0,733 0,364100 0,496 0,248

10 0,050 0,025

Tabelle 1-2: Messergebnis


Messung 4

1.5 Auswertung

Der Einsatz eines Ampere-Meters ist in dieser Messschaltung ungünstig, weil man entweder den Strom (Stromfehlerschaltung) oder die Spannung (Spannungsfehlerschaltung) falsch misst. Durch Berechnung des Stromes aus Spannung und Widerstand mit dem Ohm`schen Gesetz entfällt der Messfehler. Die Solarzelle wird somit durch Verwenden nur eines Messgerätes spannungsrichtig gemessen. Ein systematischer Fehler ist nicht vorhanden.

Der Strom Im wird wie folgt (Formel 1-1) für alle gemessenen Spannungen Um berechnet:

I=UmRL

∗1000=−ℑ=[V ][Ω ]

∗1000=[mA ] (1-1)

In der Tabelle 1-3 sind alle berechneten Ströme für die Vollbeleuchtung und in der Tabelle 1-4 die Ströme der Teilbeleuchtung ersichtlich.

Tabelle 1-3: Stromberechnung Tabelle 1-4: Stromberechnung Vollbeleuchtung Teilbeleuchtung


RL [Ω] UmVoll [V] Im [mA]10000 1,667 -0,167

3300 1,654 -0,5011000 1,612 -1,612

800 1,590 -1,988600 1,560 -2,600500 1,531 -3,062450 1,509 -3,353400 1,476 -3,690350 1,418 -4,051300 1,322 -4,407250 1,155 -4,620200 0,951 -4,755150 0,733 -4,887100 0,496 -4,960

10 0,050 -5,000

RL [Ω] UmTeil [V] Im [mA]10000 1,570 -0,157

3300 1,550 -0,4701000 1,468 -1,468

800 1,372 -1,715600 1,208 -2,013500 1,061 -2,122450 0,977 -2,171400 0,887 -2,218350 0,790 -2,257300 0,690 -2,300250 0,585 -2,340200 0,475 -2,375150 0,364 -2,427100 0,248 -2,480

10 0,025 -2,500

Messung 5

Im Bild 1-5 sind die zwei erstellten U-I-Kennlinien der Solarzelle abgebildet:

- Die blaue Kennlinie zeigt die U-I-Kennlinie bei Vollbeleuchtung und ergibt sich zum einen aus der abgelesenen Spannungsmessung der Solarzelle und dem berechneten Strom aus Widerstand und Spannung.

- Die rote Kennlinie basiert auf der Spannungsmessung der Solarzelle bei halber Beleuchtungsintensität und dem daraus berechneten Strom.

Die beiden gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzelle zeigen jeweils einen charakterisierenden Verlauf: Bei kleinen Spannungen (kleinen Widerstandswerten) sinkt die Stromstärke nur wenig. Erst wenn die maximale Spannung (Leerlaufspannung) fast erreicht ist, fallen die beiden Kurven stark ab.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0Spannung [V]

Stro

m [m

A]

Bild 1-5 Kennlinie der Solarzelle bei Voll- und Teilbeleuchtung

Aufgrund der Ergebnisse der zwei Kennlinien ist die Abweichung von der Idealkurvenform durch das nicht zu starke Abfallen der Kurven am ehesten zu beschreiben. Die Idealkurvenform ist darum geometrisch eher mit einem Rechteck zu vergleichen als die aus dem Praktikum aufgenommenen Kennlinien. Aber rein von der Charakteristik her sind die zwei U-I-Kennlinien der Messung ähnlich zu jener der Idealkennlinie.


Messung 6

Im Bild 1-6 ist die Leistung in Abhängigkeit der bei der Messung verwendeten Widerstände ersichtlich. Die maximale Leistung Im * Um entspricht dem grössten Rechteck, das man der U-I-Kennlinie (Bild 1-5) einschreiben kann.

Die Leistung P wird wie folgt (Formel 1-2) für alle gemessenen Spannungen Um berechnet:

P=Um2

Rl∗1000=

[V ][Ω ]∗1000=[mW ] (1-2)

-Bei Vollbeleuchtung (blau) entspricht der optimale Widerstand der zur höchsten Leistung führt

300 Ω.

-Bei Teilbeleuchtung (rot) entspricht der optimale Widerstand der zur höchsten Leistung führt 600 Ω.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

-3

-2

-1

0

Widerstand [Ω]

Leis

tung

[mW

]

Bild 1-6: Solarzellenleistung in Abhängigkeit der Lastwiderstände

Die optimalen Widerstandswerte sind nicht in beiden Fällen gleich. Bei der Vollbeleuchtung ist der optimale Widerstand genau halb so gross wie bei der Teilbeleuchtung. Um eine Solarzelle somit optimal nutzen zu können, ist eine sorgfältige Abstimmung mit dem Verbraucher zu gewährleisten. Der Widerstand des Verbrauchers sollte sich an die Schwankungen der Lichtintensität anpassen, damit die Zelle im optimalen Leistungsbereich arbeiten kann. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad einer solchen Solarzelle bei unterschiedlicher Strahlungsintensität enorm abnimmt, da die Solarzelle nicht immer auf dem Leistungsmaximum arbeiten kann.


Messung 7

Die Leistung der Solarzelle bei Vollbeleuchtung pro cm2 wird wie folgt (Formel 1-3) berechnet:

PmaxA

=−5.826mW25cm2 =−0.233

mWcm2 (1-

3)

Die Leistung der Solarzelle bei Teilbeleuchtung pro cm2 wird wie folgt (Formel 1-4) berechnet:

PmaxA

=−2.432mW25cm2 =−0.097

mWcm2

(1-4)


Messung 8

2 Begriffsdefinitionen und Masseinheiten


Messung 9

Die Error: Reference source not found zeigt die verwendeten Abkürzungen.

Symbol Bezeichnung Masseinheit

U Spannung Volt [V]I Ampere Milli-Ampère [mA]R Widerstand Ohm [Ω]P Leistung Milli-Watt [mW]A Fläche Quadratzentimeter [cm2] Tabelle 2-1:


Messung 10

3 Anhang


Messung 11

Inventar:

-1 Doppel-Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung

-1 Multimeter

-1 Widerstandsdekade, Bereich 1 Ω -10 MΩ, Genauigkeit 1 %, Belastbarkeit 1 W

-1 Solarzelle Marke «Ansmann»

-1 Beleuchtungseinheit

Matlab-Skript:

%**********************************************************************************************************************************% Projekt : Messpraktikum 3% Beschreibung : Kennlinie einer Solarzelle % Verfasser : Marc Thurnheer ; Sebastian Nadler % Datum : 16-10-2013%**********************************************************************************************************************************/ % Initialsierungclear all; % entferne Workspace-Elemente, lösche Systemspeicherclose all; % schliesse alle Fensterclc; % lösche Command Window % Messwerte/Parameter bei halber Beleuchtung Um1 = [0.025 0.248 0.364 0.475 0.585 0.690 0.790 0.887 0.977 1.061 1.208 1.372 1.468 1.550 1.570]; % Spannung: [V]Rl1 = [ 10 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 800 1000 3300 10000]; % Widerstand: [Ohm] % Berechnungen Il1 = Um1./Rl1; % Strom im Lastwiderstand Rl: [A]Im1 = -Il1; % Strom in der Solarzelle: [A]P1 = Um1.*Il1; % Messwerte/Parameter bei voller Beleuchtung Um2 = [0.050 0.496 0.733 0.951 1.155 1.322 1.418 1.476 1.509 1.531 1.560 1.590 1.612 1.654 1.667]; % Spannung: [V]Rl2 = [10 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 800 1000 3300 10000]; % Widerstand: [Ohm] % BerechnungenIl2 = Um2./Rl2; % Strom im Lastwiderstand Rl: [A]Im2 = -Il2; % Strom in der Solarzelle: [A]P2 = Um2.*Il2;


Messung 12

% Plot% Simulationfigure (1); subplot(2,1,1); plot(Um1,Im1,'-',Um2,Im2,'-'); title('U-I-Kennlinien bei Voll- und Teilbeleuchtung') xlabel('Spannung [V]'); ylabel('Strom [mA]'); legend('Kennlinie bei Teilbeleuchtung ','Kennlinie bei Vollbeleuchtung','Location','SouthEast') subplot(2,1,2); plot(Rl1,-P1,'-',Rl2,-P2,'-'); title('Leistungskennlinien bei Voll- und Teilbeleuchtung'); xlabel('Widerstand [R]'); ylabel('Leistung [P]'); legend('Leistung Teilbeleuchtung','Leistung Vollbeleuchtung');


Messung 13

4 Literatur

[1] Formeln für Elektrotechniker, Europa Lehrmittel 2005

[2] Heinzelmann, A.: ETEK1-2013 Praktikum-3:Kennlinie einer Solarzelle, Aufgabenstellung 09.10.2013


Documents

Messbericht Kennlinie Einer Solarzelle