Lernwerkstatt Solarzellen

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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 ttueftler.ch ttueftler.ch