Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektroenergie mit Solarzellen

Ziele

� Kennen lernen der Energieträgerarten, ihrer Vor- und Nachteile

� Kennen lernen des Verhaltens von Solarzellen bei Leerlauf und Belastung

� Kennen lernen von Funktion, Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen

� Kennen lernen der historischen Entwicklung der Solartechnik

� Kennen lernen des Aufbaus von Solar - Wasserstoff - Anlagen

� Verstehen der Vorteile der Solartechnik durch den Vergleich mit der konventionellen Energieerzeugung

� Anwenden der Solarzelle zum Betreiben eines elektronischen Gerätes

� Anwendung einer Simulationssoftware zur Projektierung von Solaranlagen

� Festigung solartechnischer und elektrophysikalischer Begriffe und Zusammenhänge

Unterrichtskonzept Werkstatt (Lernen an Stationen)

Richtlinienbezug

� Gesamtschule NRW, Sek. I, Arbeitslehre, S. 49, (1. Auflage 1998)

� Alle Schulformen in Brandenburg, Sachsen, Sachsen - Anhalt, Niedersachsen, u.a.

Weiter mit

Unterrichtsablauf

Fachtipps für LehrerInnen

Medien und Material

Briefkasten Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an: nuykenb@nwz.uni-muenster.de

Autoren Elisabeth Hein, Maximilian-Kolbe-Schule Saerbeck elisabeth.klaus@t-online.de

Unterrichtsablauf im Überblick

Zum Konzept

� Beim Lernen in der Lernwerkstatt (Lernen an Stationen) erfolgt die komplexe Bearbeitung des Themas mit hoher Eigentätigkeit.

� Die Schüler üben den selbständigen Umgang mit unterschiedlichen Medien. � Das logische und selbst organisierte Arbeiten wird gefördert. � Das Lernen an Stationen wird von Schülern gern angenommen, weil sie selbstständig arbeiten

können.

Organisation des Unterrichts

� In dieser Unterrichtseinheit werden 9 Stationen errichtet, an denen jeweils bis zu vier Schüler arbeiten können.

� Als Bearbeitungszeit für jede Station ist eine Doppelstunde vorgesehen. � Zur Einführung in die Stationen mit ihrem Mittelsystem werden eine bis zwei Doppelstunden

benötigt. � In der Reflexion ist Zeit für Schülervorträge und die Festigung des erarbeiteten Stoffes

einzuplanen.

Merkmale der Lernwerkstatt

� Es gibt keine feste Reihenfolge für den Durchlauf der Stationen, Leerlauf- und Belastungsversuch sollten aber nacheinander bearbeitet werden.

� An allen Stationen arbeiten Schülergruppen gleichzeitig und unabhängig voneinander. � Die Stationen enthalten zur Leistungsdifferenzierung Zusatzaufgaben.

Anforderungen an die Arbeitsweise der Schüler

� Jeder Schüler bearbeitet seine Arbeitsblätter.

1. Aufgabenstellung vollständig durchlesen 2. Überblick über Literatur, Hilfsmittel und Experimentiersystem verschaffen 3. Arbeitsteilung in der Gruppe planen

Kontrollmöglichkeiten

� Nach dem Durchlaufen der Station vergleichen die Schüler ihre Ergebnisse mit dem Lösungshefter (Selbstkontrolle, Leistungseinschätzung)

� Der Lehrer bewertet die Aufzeichnungen der Schüler. � Die Ausarbeitungen werden vom Lehrer nach jeder Stunde eingesammelt und bis zur Reflexion

einbehalten. � In der Reflexionsphase werden die besten Lösungen vorgetragen.

Stationen Tätigkeiten Ausstattung

1. Energieträger im Vergleich

Kennen lernen der Energieträger- arten, ihrer Vor- und Nachteile Leitfaden Technik, Lexika, Arbeitsblatt Energieträger im Vergleich

2. Funktion, Aufbau und Erarbeiten des Aufbaus und der Wirkungsweise von Solarzellen Solarzellen zur Ansicht z.

Wirkungsweise von Solarzellen

B. aus Solarkoffer, Leitfaden Technik, Broschüre: StromBASISWISSEN Photovoltaik von IZE, Arbeitsblatt Funktion, Aufbau und Wirkungsweise

3. Betriebsverhalten bei Leerlauf

Messen von Leerlaufspannung bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. Solarkoffer, Arbeitsblätter 1 - 4 Verhalten

4. Betriebsverhalten bei Belastung

Messen von Spannung und Stromstärke bei Belastung der Solarzellen Solarkoffer, Arbeitsblätter Versuchsanleitung (siehe Station 3)

5. Geschichte der Solartechnik

Kennen lernen der historischen Entwicklung der Solartechnik Broschüre: StromBASISWISSEN Photovoltaik von IZE, Lexika, Arbeitsblatt Geschichte der Solartechnik

6. Solar - Wasserstoff - Anlagen

Kennen lernen der Teilsysteme und Wirkungsweise einer Solar - Wasserstoff - Anlage Leitfaden Technik, Fachartikel, Arbeitsblatt Solar-Wasserstoff-Anlagen

7.Energieumwandlungs- ketten im Vergleich

Vergleich der Energieumwandlungs- ketten im Wärme- und Solarkraftwerk Leitfaden Technik; Lexika, Arbeitsblatt Energieumwandlungskette

8. Betreiben eines Radios mit Solarzellen

Zusammenschalten von Solarzellen zum Betreiben eines elektronischen Gerätes Walkman, Solarkoffer, Arbeitsblatt Radio

9. Entwurf von Solaranlagen mit dem Computer

Anwendung einer Simulationssoftware zur Projektierung einer Anlage im Inselbetrieb Computer, Simulationsprogramm Photovoltaik; Energieverlag Heidelberg, Arbeitsblatt Computersimulation

2

Energieträger im Vergleich

1. Erkläre den Begriff Energieträger! Energieträger speichern und transportieren Energie. Primärenergieträger sind Stoffe, die technisch nutzbare Energie gespeichert haben und die Energie der Sonnenstrahlung.

2. Setze in die Tabelle die fehlenden Begriffe ein und markiere die zutreffenden Merkmale mit einem Kreuz!

Energieträger nicht regenerative regenerative

Kohle Erdöl Uran Sonne Wasser Wind

Merk-

male

begrenzt vorhanden + + +

unbegrenzt vorhanden + + +

erneuern sich ständig + + +

langfristig verfügbar + + +

jahreszeitlich abhängig + + +

tageszeitlich abhängig + +

hohe Schadstoffentstehung + + +

große Umweltprobleme + + +

aufwendige Schadstoffentsorgung

+ + +

Gefahr für Klima + +

Gefahr durch Radioaktivität +

gut transportierbar + + + +

hoher Transportaufwand + + +

gut speicherbar + + + +

hoher Speicheraufwand + + +

nur an wenigen Standorten nutzbar

+ + +

hohe Sicherheitsanforderungen

+ + +

hoher Wirkungsgrad der Energieumwandlung

+

gute Perspektiven + + +

Auf diesen Seiten können Sie sich über folgende Bereiche informieren:

� Zur Vorbereitung der Lernwerkstatt durch den Lehrer � Wasserstoff - Ein Energieträger der Zukunft � Literaturhinweise zur Solartechnik

Vorbereitung der Lernwerkstatt durch den Lehrer

Die Lernwerkstatt erfordert eine umfangreiche Vorbereitung hinsichtlich der Unterrichtsorganisation, der Ausstattung und der Fachinhalte.

� Die Unterrichtsorganisation entnehmen Sie dem Unterrichtsablauf im Überblick. Hier werden alle Stationen mit ihren Haupttätigkeiten und der dazu erforderlichen Ausstattung vorgestellt. Diese Seiten können vom Bildschirm abgedruckt werden. Die Durchführung der Lernwerkstatt ist durch einen hohen Grad an Selbständigkeit in der Schülerarbeit geprägt. Der Lehrer hat als Teammitglied Hilfs- und Kontrollfunktion.

� Über Medien und Materialien erhalten Sie ebenfalls eine Übersicht, die vom Bildschirm abgedruckt werden kann. Über den Unterrichtsablauf gelangen Sie zu den einzelnen Arbeitsblättern. Die gelösten Arbeitsblätter können vom Bildschirm abgedruckt und zu einem Lösungshefter zusammengestellt werden. Die Schülerarbeitsblätter laden Sie bitte auf Ihren Computer. Sie sind überwiegend in Corel-Draw 7 erarbeitet worden, so dass sie bei Bedarf von Ihnen geändert werden können.

Empfehlungen zur Durchführung der Lernwerkstatt

Die Lernwerkstatt erfordert selbständiges Arbeiten. Dazu müssen die Schüler in den Umgang mit den Materialien und Medien eingewiesen werden.

Der Umgang mit dem Computer und dem Solarkoffer sollte in einer Schnupperstunde geübt werden. Die Schüler sollen auch zur Beschaffung eigener Informationsquellen angeregt werden. Alle in den Arbeitsblättern gestellten Aufgaben und Fragen können von den Schülern mit Hilfe der aufgelisteten Medien und Materialien beantwortet werden. Auf Seitenhinweise wurde bewusst verzichtet.

Fachliche Voraussetzungen:

Um die Arbeit an den Stationen zu verstehen müssen folgende Begriffe geklärt werden:

� Energie und Leistung � Spannung, Stromstärke und Widerstand als Verbraucher � Zusammenhänge zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand bei Reihen- und Parallelschaltung � Umgang mit dem Vielfachmessgerät zum Messen von Spannung und Stromstärke � Energieumwandlungskette � Wirkungsgrad � Lesen und Zeichnen von Schaltzeichen und Schaltpläne

Bei der Erarbeitung dieser Voraussetzungen kann der Umgang mit der zur Verfügung stehenden Literatur und den Materialien geübt werden.

Um die Zusammenhänge der elektrischen Grundgrößen in Reihen- und Parallelschaltungen zu wiederholen, bieten sich Demonstrationen mit Lampen- oder Widerstandsschaltungen an. Entsprechende Messübungen sind mit der gesamten Lerngruppe durchzuführen.

Tipps zur Durchführung des experimentellen Teils der Lernwerkstatt:

Die Versuche zum Verhalten von Solarzellen im Leerlauf und bei Belastung mit dem Baukastenmodul bzw. dem Radio sind nur dann sinnvoll, wenn folgende Reihenfolge eingehalten wird:

1. Leerlaufversuch 2. Belastungsversuch mit Baukastenmodul 3. Betreiben eines Radios mit Solarzellen

Bei den anderen Stationen kann die Reihenfolge der Bearbeitung von den Schülern selbst gewählt werden.

Einige Arbeitsblätter enthalten bereits Zusatzaufgaben, die vor allem leistungsstarke Schüler fördern sollen. Weitere Zusatzaufgaben für die Stationen finden Sie in diesen Empfehlungen.

Zusatzfragen zu den einzelnen Stationen:

Funktion, Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen:

1. Welche Solarzellenarten gibt es? 2. Wodurch unterscheiden sie sich?

Energieumwandlungsketten:

Bei Energieumwandlungsketten ist der Wirkungsgrad der gesamten Kette entscheidend.

1. Erkläre den Begriff Wirkungsgrad. 2. Wie sind die Wirkungsgrade der einzelnen Energieumwandlungsstufen eines Wärmekraftwerkes? 3. Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad eines Wärmekraftwerkes? 4. Welche Wirkungsgrade werden z.Z. mit Solarzellen erreicht?

Geschichte der Solartechnik:

Durch den Bau von Niedrigenergiehäusern läßt sich die Sonnenenergie auch in unseren Breiten nutzen.

Welche Ausstattung muss ein Haus besitzen, das Sonnenenergie weitgehend nutzt?

Energieträger im Vergleich:

Zur Zeit werden in Deutschland etwa 6,5% der Primärenergie aus regenerativen Energieträgern erzeugt.

Welche Gründe gibt es für diesen geringen Prozentsatz?

Solar-Wasserstoff-Anlagen:

Der Text "Wasserstoff ein Energieträge der Zukunft" zeigt, die Vision von Jules Verne ist Realität geworden.

1. Stelle positive Eigenschaften des Wasserstoffs zusammen. 2. Welche Probleme ergeben sich beim Einsatz von Wasserstoff?

Simulationsprogramm "Photovoltaik":

1. Auf 1m² Fläche strahlen in Deutschland im Durchschnitt 1000 kWh pro Jahr solare Energie. Wieviel elektrische Energie könnte daraus erzeugt werden, wenn der Wirkungsgrad der Anlage etwa 10% beträgt?

2. Wie groß muss die Fläche des Solargenerators sein, wenn ein Haushalt 3000 kWh verbraucht?

Empfehlungen für die Bewertung der Schülerleistung

Abhängig von der Situation in der Lerngruppe, kann die Kontrolle der Lernergebnisse auch von den Schülern weitgehend selbständig durchgeführt werden. Die Lösungen zu den Stationen werden dann in einem Lösungshefter angeboten, mit dem die Schülergruppen ihre Arbeit vergleichen können.

Es empfiehlt sich, die Arbeitsergebnisse nach der Bearbeitung einzusammeln, um die Schülerleistungen zu bewerten.

Natürlich werden Schüler bei der Bearbeitung der Stationen auf die Ergebnisse ihrer Arbeit zurück greifen wollen. Dazu muss der Lehrer gewährleisten, dass sie bei der weiteren Arbeit in ihren erarbeiteten Unterlagen nachschlagen können. So werden Folgefehler vermieden.

In der Auswertung ist es sinnvoll, gelungene Ergebnisse der einzelnen Schülerarbeitsgruppen in Schülervorträgen vorzustellen. Mit dem beigefügten Test können die Arbeitsergebnisse nochmals kontrolliert werden.

Empfehlungen für einen Test:

1. Erkläre den Begriff Halbleiter und nenne Halbleiterwerkstoffe. 2. Aus welchem Material bestehen Solarzellen? 3. Skizziere den prinzipiellen Aufbau einer Solarzelle und beschrifte die Skizze. 4. Skizziere Schaltzeichen, die für Solarzellen verwendet werden. 5. Welche Energieumwandlung findet in einer Solarzelle statt? 6. Wie groß ist die Leerlaufspannung einer Solarzelle ? 7. Wie ändert sich die Leerlaufspannung, wenn 4 Solarzellen in Reihe geschaltet werden? 8. Welchen Einfluss hat die Beleuchtungsstärke auf die Leistung einer Solarzelle? 9. Welchen Einfluss hat die Beleuchtungsstärke auf die Leerlaufspannung?

10. Entwickle die Energieumwandlungskette für eine Solar-Wasserstof-Anlage.

11. Erkläre den Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren. 12. Welche Vorzüge haben regenerative Energieträger?

Wasserstoff - Ein Energieträger der Zukunft

Wasserstoff mit dem chemischen Zeichen H ist ein gasförmiges Element, das in der Natur nur in chemischen Verbindungen auftritt. Er bildet zusammen mit Sauerstoff Wasser. Aber er kommt auch in Kohle, Erdöl oder Erdgas vor. Da 71 % der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind, ist Wasserstoff praktisch unbegrenzt vorhanden. Aus chemischer Sicht ist Wasserstoff ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Kunstdünger. In Raffinerien wird er zur Verarbeitung von Rohöl verwendet. Mit ihm können die Bestandteile des Rohöls aufgespalten "gecrackt" werden. Dazu wird der Wasserstoff vor allem aus Erdgas gewonnen. Wasserstoff kann auch auf elektrolytischem Wege freigesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird Wasser mit Hilfe von Säure oder Lauge elektrisch leitend gemacht und dann unter Einsatz von Strom in die Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Elektrolyse ist teuerer als die chemische Abtrennung des Wasserstoffes aus dem Erdgas. Sie wird dort angewandt, wo eine hohe Reinheit des Wasserstoffs erforderlich ist. Seit den Ölkrisen in den 70er Jahren wird über die Nutzung von Wasserstoff auch als Energieträger intensiver nachgedacht und geforscht. Wissenschaftler meinen, dass Wasserstoff als Energieträger viele Probleme lösen könnte, die heute mit dem Verbrauch von Energie verbunden sind. Wasserstoff hat gegenüber fossilen Energieträgern viele positive Eigenschaften. Er hat einen hohen Heizwert, ist vielseitig verwendbar, z. B. zum Kochen, zum Heizen oder als Kraftstoff für Autos. Schon heute wird er als Treibstoff für Raketen im größerem Umfang eingesetzt. Wasserstoff ist ungiftig und verbrennt mit reinem Sauerstoff rückstandsfrei zu Wasser. Bei der Verbrennung mit Luft entstehen Stickoxide. Das Ausmaß dieser Stickoxide kann man durch die Steuerung der Luftzufuhr beeinflussen. Andere Schadstoffe, wie Staub oder Schwefeldioxid oder das Treibhausgas Kohlendioxid fallen nicht an. Wasserstoff läßt sich in Tanks oder Rohrleitungen transportieren. Der Umgang mit Wasserstoff ist aber nicht unproblematisch, er ist explosiv.

Wasserstoff ist ein flüchtiger Stoff, er ist sehr leicht und entweicht auch aus kleinsten Lecks. Bereits geringe Anteile des Gases in der Luft können in geschlossenen Räumen zu unkontrollierten Verbrennungen führen (Knallgasexplosion). Das setzt die Entwicklung entsprechender Sicherheitstechniken voraus. Zum Transport wird der Wasserstoff verflüssigt und auf -253°C gekühlt, das erfordert einen hohen Energieaufwand. Aber das Volumen wird um das 860- fache verringert.

Einige Eigenschaften von Wasserstoff:

Eigenschaften Wasserstoff

Dichte (gasförmig) 0,09 kg/m³

Kondensationspunkt: -252,77 °C

Gefrierpunkt : -259,14 °C

Flammentemperatur: 2318, 00°C

Unterer Heizwert 133 MJ/m³

Literaturhinweise zur Solartechnik

Autor Titel Verlag ISBN

Krieg, B. Strom aus der Sonne Elektor Verlag GmbH 3-928051-05-9

Muntwyler, U. Praxis mit Solarzellen Franzis-Verlag GmbH 3-7723-2046-5

Karamanolis, S. Solarzellen für Hobbyelektroniker Elektra Verlags-GmbH 3-922238-95-5

Weber, R.Webers Taschenlexikon 2

Erneuerbare Energien

Olynthus Verlags-Anstalt 3-907175-06-9

Medien und Material für die Lernwerkstatt

Medien und Material Bezugsquelle

Solarkoffer

Energieversorgungsunternehmen oder Stadtwerke

Herausgeber: Arbeitskreis Schulinformation Energie; Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt / Main , Tel. 069 / 256 19-148, Fax: 069 / 23 27 21;

Herstellung, Vertrieb und Service: Maschinenhandels- gesellschaft Niebur mbH, Milchpfad 15, 45659 Reckling- hausen, Tel: 02361 / 2 43 46 ; Fax: 02361 /1 55 17

Ähnliche Solarbausätze werden auch von verschiedenen Lehrmittelverlagen in den Katalogen angeboten.

Simulationsprogramm Photovoltaik (Diskette und Anleitungsheft)

Energie-Verlag GmbH , Pf 10 21 40, 69011 Heidelberg Tel: 06221 / 90 13-22; Fax: 06221 / 90 13- 41 E-Mail: info@energie-aktuell.de

BMWi-Broschüre Energiedaten 2000

BMWi Pf 300265 ,53182 Bonn Tel: 018 88 / 615-4171 , Fax: 0228 / 42 23-462, Internet: www.bmwi.de

Basiswissen Schule Duden Technik

Paetec Verlag für Bildungsmedien, 1. Auflage 2000 Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-040-9

Energie für helle Köpfe Thema: Solar - Wasser- stoff - Technik;

Grundelemente des Le- bens, Solar-Wasserstoff

Hefte der MEAG ;Mitteldeutsche Energieversorgung AG Magdeburger Str.36, 4020 Halle

Wasserstoff ein Energie- träger der Zukunft Internetadressen für weitere Informationen

beigefügter Text Verzeichnis Fachwissen http://regio3.ch/solarregion/wasserst.htm http://www.hedinger.de/lehrmittel/htm

Erneuerbare Energien Heft 3

IZE, Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt/ Main Tel: 069/ 256 19 148, Fax: 069/ 23 27 21

StromBASISWISSEN Strom aus Sonnenlicht (Photovoltaik) Nr.110

IZE PF 70 05 61, 60555 Frankfurt am Main, Tel: 069 / 63 04-411, Fax: 069 / 63 04-387

Internet: Praxis Technikunterricht www.uni-muenster.de/Physik.TD/matrix.htm