Fragestellung
Grundlagen Warum man Solarzellen zusammenschalten muss.
Eine einzelne Solarzelle nimmt Sonnenenergie auf und wandelt sie mit einigen Verlusten in elektrische Energie um. Dabei kann sie pro Sekunde nur eine bestimmte Menge an Sonnenenergie aufnehmen und entsprechend auch wieder in Form von elektrischer Energie abgeben.
Die Leistung einer einzelnen Solarzelle ist somit begrenzt.
Die von einer Solarzelle erzeugte Spannung ist relativ konstant. Sie beträgt in unserem Beispiel 1.2V, ähnlich der Spannung einer Batterie. Der Strom dagegen variiert, je nachdem wie viel Leistung von dem angeschlossenen Gerät benötigt wird. Es gibt aber einen Maximalstrom, der nicht überschritten werden kann. Er betrage in unserem Beispiel 360 mA.
Eine Solarzelle hat die Abmessungen 4cm x 4cm.
Um eine höhere Leistung zu erreichen muss man die Leistungsfähigkeit mehrerer Solarzellen miteinander koppeln. Dies kann in Reihen- und Parallelschaltungen und in verschiedenen Kombinationen dieser Schaltungen geschehen.
Aufgabe 1) einfache Rechnungen
a) Wie viele Solarzellen muss man wie zusammenschalten, um eine Spannung von mehr als 30V zu erreichen?
b) Wie viele Solarzellen muss man wie zusammenschalten, um einen Strom von mehr als 4A zu erreichen?
c) Die Anlage soll eine Leistung von 300W bei einer Spannung von 40V erbringen. Entwerfe eine geeignete Schaltung.
d) Gib für die in c) entworfenen Anlage die genauen Werte für I, U und P an, die sie erreichen kann.
Aufgabe 2) GROß denken!
Auf unsere Erde gelangt enorm viel Energie in Form von Sonnenlicht. Die Solarkonstante, d.h. die Energie, die pro Quadratmeter auf eine senkrecht zur Sonne stehende Fläche fällt, beträgt 1368 W/m2
Diese Situation kann durch nachführung der Solarzelle mit Motoren ca. 6h pro Tag erreicht werden.
Eine Solarzelle wandelt tatsächlich nur etwa 20% der einfallenden Energie in elektrische Energie um.
Der Energiebedarf eines Europäers beträgt z.Z. etwa 4MWh/Kopf.
a) Welche Leistung müsste ein Solarkraftwerk erbringen, um den weltweiten Energiebedarf für alle knapp 8Mrd. Menschen zu decken?
b) Wie viele der oben beschriebenen Solarzellen braucht man dafür? Beachte den Wirkungsgrad und die zeitliche Beschränkung.
c) Welche Fläche müsste man dazu mit Solarzellen pflastern? Vergleiche mit der Fläche Deutschlands oder der Sahara.
d) Der Strom soll über Höchstspannungsleitungen in der Welt verteilt werden. Diese können eine Spannung von 400kV aushalten. Welcher Strom muss dann transportiert werden?