Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht
Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht
Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht
Fach: Physik Klasse: 9
.jpg)
Einleitung
Photovoltaik macht aus Sonnenlicht elektrische Energie. Das geschieht in einer Solarzelle. Viele Solarzellen bilden ein Solarmodul. Mehrere Solarmodule bilden eine Photovoltaikanlage.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wie eine Solarzelle arbeitet. Du kennst die Aufgaben von Solarmodul, Wechselrichter und Stromnetz. Du kannst einfache Rechnungen mit Leistung und Energie durchführen.
Lernbereiche
- Elektrizitätslehre: Spannung, Stromstärke und elektrische Leistung
- Energie: Energieumwandlung und Energieerhaltung
- Halbleiter: Aufbau und Funktion einer Solarzelle
- Erneuerbare Energie: Nutzung von Sonnenenergie
- Nachhaltigkeit: Chancen und Grenzen der Photovoltaik
Vom Licht zum Strom
Die Solarzelle
Eine Solarzelle besteht meist aus Silizium. Silizium ist ein Halbleiter. Trifft Licht auf die Zelle, gibt es Energie an Elektronen ab. Die Elektronen können sich bewegen. So entstehen eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom.
Von der Zelle zur Anlage
Eine einzelne Solarzelle liefert nur wenig Leistung. Deshalb werden viele Zellen verbunden. Sie bilden ein Solarmodul. Mehrere Module bilden eine Photovoltaikanlage.
Gleichstrom und Wechselstrom
Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Haushaltsgeräte und das öffentliche Stromnetz nutzen Wechselstrom. Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Der Strom kann direkt genutzt, in einem Akku gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden.
Leistung und Energie
Die elektrische Leistung wird in Watt angegeben.
P = U · I
Dabei ist P die Leistung, U die Spannung und I die Stromstärke.
Die elektrische Energie berechnet sich mit:
E = P · t
Ein Modul mit 400 Watt liefert in fünf Stunden unter idealen Bedingungen:
400 W · 5 h = 2000 Wh = 2 kWh
In der Wirklichkeit ist der Wert oft kleiner. Wolken, Schatten, Wärme und technische Verluste senken den Ertrag.
Wovon hängt der Ertrag ab?
- Sonneneinstrahlung: Starkes Licht erhöht meist die elektrische Leistung.
- Ausrichtung: Eine günstige Ausrichtung fängt mehr Sonnenlicht ein.
- Verschattung: Schatten auf einem Teil der Anlage kann den Ertrag deutlich senken.
- Temperatur: Sehr warme Solarzellen arbeiten meist weniger effizient.
- Wirkungsgrad: Er zeigt, welcher Anteil der Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Vorteile und Grenzen
Photovoltaikanlagen nutzen eine erneuerbare Energiequelle. Beim Betrieb entstehen keine direkten Abgase. Die Stromerzeugung schwankt aber mit Tageszeit und Wetter. Herstellung, Transport und Recycling benötigen ebenfalls Energie und Rohstoffe.
Beobachte ein Solar-Experiment
Ein kleines Solarmodul kann einen Motor antreiben. Wird das Modul gedreht oder teilweise abgedeckt, ändert sich die Leistung. Arbeite nur mit kleinen Schulmodulen. Öffne keine Netzgeräte und arbeite niemals an einer Hausanlage.
Datei:Fischertechnik PROFI Solar Power -533875- animation.webm
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was wandelt eine Solarzelle direkt um? (Lichtenergie in elektrische Energie) (!Elektrische Energie in Lichtenergie) (!Wärmeenergie in Bewegungsenergie) (!Schallenergie in elektrische Energie)
Welcher Stoff wird häufig für Solarzellen verwendet? (Silizium) (!Kupfer) (!Holz) (!Glaswolle)
Welche Stromart erzeugt ein Solarmodul? (Gleichstrom) (!Wechselstrom) (!Drehstrom) (!Schallstrom)
Welche Aufgabe hat ein Wechselrichter? (Er wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um) (!Er erzeugt Sonnenlicht) (!Er kühlt das Haus) (!Er speichert Wärme im Dach)
Was bilden viele verbundene Solarzellen? (Ein Solarmodul) (!Eine Glühlampe) (!Einen Elektromotor) (!Eine Steckdose)
Welche Formel beschreibt die elektrische Leistung? (P gleich U mal I) (!P gleich U plus I) (!P gleich U durch t) (!P gleich I minus U)
In welcher Einheit wird elektrische Leistung angegeben? (Watt) (!Voltstunde) (!Meter) (!Sekunde)
Was kann den Ertrag einer Photovoltaikanlage senken? (Verschattung) (!Ein freier Blick zum Himmel) (!Eine passende Ausrichtung) (!Starkes Sonnenlicht)
Was bedeutet Wirkungsgrad? (Anteil der nutzbar umgewandelten Energie) (!Größe der Dachfläche) (!Länge des Stromkabels) (!Masse des Wechselrichters)
Warum kann eine Photovoltaikanlage nachts keinen Solarstrom erzeugen? (Weil Sonnenlicht fehlt) (!Weil der Wechselstrom zu schnell ist) (!Weil Silizium nachts verschwindet) (!Weil das Dach keinen Strom leitet)
Memory
| Solarzelle | wandelt Licht in elektrische Energie um |
| Solarmodul | besteht aus vielen verbundenen Zellen |
| Wechselrichter | erzeugt aus Gleichstrom Wechselstrom |
| Silizium | häufig verwendeter Halbleiter |
| Watt | Einheit der elektrischen Leistung |
| Verschattung | kann den Stromertrag senken |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Aufgabe oder Bedeutung |
|---|---|
| Photon | überträgt Lichtenergie |
| Elektron | bewegt elektrische Ladung |
| Solarmodul | verbindet viele Solarzellen |
| Wechselrichter | wandelt die Stromart um |
| Akkumulator | speichert elektrische Energie |
Kreuzworträtsel
| Silizium | Welcher Halbleiter wird häufig für Solarzellen verwendet? |
| Solarzelle | Welches Bauteil wandelt Licht direkt in Strom um? |
| Gleichstrom | Welche Stromart liefert ein Solarmodul? |
| Wechselrichter | Welches Gerät wandelt die Stromart um? |
| Verschattung | Was kann durch Bäume oder Gebäude entstehen und den Ertrag senken? |
| Wirkungsgrad | Welche Größe beschreibt den Anteil der nutzbar umgewandelten Energie? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffskarte: Gestalte eine Karte mit einer Zeichnung und drei einfachen Sätzen zur Solarzelle.
- Bauteile finden: Markiere auf einem Foto Solarmodule, Kabel und Wechselrichter.
- Energiekette: Zeichne den Weg von der Sonne bis zu einer leuchtenden Lampe.
- Schatten-Test: Beleuchte ein kleines Schul-Solarmodul und decke nacheinander verschiedene Flächen ab. Notiere Deine Beobachtungen.
Standard
- Messreihe: Miss Spannung und Stromstärke eines Schul-Solarmoduls bei verschiedenen Winkeln. Berechne jeweils die Leistung.
- Modell-Dach: Baue ein einfaches Dachmodell und untersuche drei verschiedene Neigungswinkel.
- Erklärvideo: Produziere ein Video von höchstens zwei Minuten zur Aufgabe eines Wechselrichters.
- Tagesprofil: Zeichne ein mögliches Leistungsdiagramm für Morgen, Mittag und Abend. Begründe den Verlauf.
Schwer
- Versuchsplanung: Plane einen fairen Versuch zum Einfluss von Schatten. Lege unabhängige, abhängige und gleichbleibende Größen fest.
- Ertragsrechnung: Schätze den Tagesertrag einer kleinen Anlage. Gib Annahmen, Rechenweg und Unsicherheiten an.
- Versorgungskonzept: Entwirf für eine Gartenhütte ein System aus Solarmodul, Akku und Verbrauchern.
- Bewertung: Erstelle eine begründete Bewertung von Photovoltaik. Berücksichtige Betrieb, Herstellung, Flächenbedarf und Recycling.
|
|
Lernkontrolle
- Zusammenhang erklären: Erkläre, warum eine Solarzelle ohne Licht keine elektrische Energie liefert, obwohl alle Bauteile vorhanden sind.
- Fehleranalyse: Eine Anlage liefert mittags weniger Strom als erwartet. Entwickle drei mögliche Ursachen und beschreibe passende Prüfungen.
- Daten auswerten: Zwei Module liefern unterschiedliche Spannungen und Stromstärken. Berechne ihre Leistungen und entscheide, welches Modul mehr leistet.
- Systemverständnis: Begründe, warum ein Wechselrichter für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage notwendig ist.
- Transfer: Plane, wie ein Klassenraum auch nach Sonnenuntergang teilweise mit Solarstrom versorgt werden könnte. Erkläre Energiefluss und Verluste.
- Urteil bilden: Beurteile die Aussage „Photovoltaik ist völlig ohne Umweltwirkung“. Formuliere ein ausgewogenes Urteil.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du:
- die Energieumwandlung in einer Solarzelle erklären,
- Solarzelle, Solarmodul und Photovoltaikanlage unterscheiden,
- die Aufgabe des Wechselrichters beschreiben,
- mit P = U · I und E = P · t rechnen,
- Einflüsse auf den Stromertrag untersuchen,
- Vorteile und Grenzen der Photovoltaik begründet bewerten.
OERs zum Thema
Links
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|