A4 Der Wirkungsgrad einer Solarzelle
Die bei V.A3 gesammelten Meßwerte können direkt zur Bestimmung des Wirkungsgrades herangezogen werden. Dann sollte die Meßwerttabelle (siehe Schülerarbeitsblatt) noch um die Leistung in W ergänzt werden. Eine weitere Spalte mit der Leistung in mW erleichtert den Schülern die Umrechnung.
R in Ω |
Uph in V |
Iph in A |
P in W |
P in mW |
fast 0 |
0,075 |
0,093 |
0,0069 |
6,9 |
1 |
0,141 |
0,092 |
0,0130 |
13,0 |
2 |
0,243 |
0,091 |
0,0221 |
22,1 |
3 |
0,385 |
0,085 |
0,0327 |
32,7 |
4 |
0,415 |
0,081 |
0,0332 |
33,2* |
5 |
0,458 |
0,068 |
0,0311 |
31,1 |
6 |
0,465 |
0,061 |
0,0284 |
28,4 |
.... |
||||
∞ |
0,551 |
- |
0 |
Am Beispiel der 38 mW - Kennlinie ist erkennbar, daß bei einem Verbraucherwiderstand von 4 Ω die größte Leistung abgenommen werden kann (*). Dies ist auf der Kennlinie der Punkt, bei dem das größtmögliche Rechteck zwischen Kennlinie und der U- und I-Achse eingezeichnet werden kann. Bei einem Verbraucherwiderstand von 4 Ω kann bei dieser Zelle, die eine Fläche von ca. 7 cm² hat, die größte Leistung abgenommen werden. Alle anderen Verbraucherwiderstände führen zu einem Leistungsverlust. Die Energie, die nicht abgeführt wird, bewirkt eine Aufheizung der Solarzelle. Bei allen Solaranlagen und -geräten ist daher darauf zu achten, daß der Bereich des Anpassungswiderstands genau ermittelt wird.
Der Anpassungswiderstand ist der Verbraucherwiderstand, bei dem die Solarzelle die größtmögliche Leistung abgeben kann. Ist der Verbraucherwiderstand höher oder niedriger, spricht man von Fehlanpassung.
Bei größeren Zellen ist der Anpassungswiderstand bei gleicher Bestrahlungsstärke deutlich niedriger. So hat eine kreisförmige Zelle mit einer Fläche von 49 cm² lediglich einen Anpassungswiderstand von 0,54 Ω. Der Anpassungswiderstand ist aber neben der Zellengröße auch von der Bestrahlungsstärke abhängig. Je größer die Zellengröße und Bestrahlungsstärke, desto kleiner der Anpassungswiderstand.
Beispiel: Solarmotoren (das sind Elektromotoren mit sehr kleinen Anlaufströmen, ca. 10 mA) haben einen Innenwiderstand von ca. 50 Ω . Eine Solarzelle mit einem Durchmesser von 76 mm hat bei einer Bestrahlungsstärke von 67 mW/cm² einen Anpassungswiderstand von 0,21 Ω. D.h. der überwiegende Teil der Leistung der Solarzelle wird gar nicht im Solarmotor eingesetzt, sondern führt zur Erwärmung der Zelle. Selbst bei sehr niedrigen Bestrahlungsstärken liegt der Anpassungswiderstand einer solchen Zelle unter 10 Ω .
Die gemessene maximale Leistung wird auf dem Arbeitsblatt unten in mW eingetragen. Nach dem Dividieren durch die Zellenfläche erhält man den Output der Zelle in mW/cm². Die Bestrahlungsstärke wird in das dafür vorgesehene Feld eingetragen. Nun kann der Wirkungsgrad berechnet werden.