Eine der wichtigsten Ressourcen unserer menschlichen Existenz ist unbestritten die Energie. Im Fokus der weltweiten Energieversorgung zeigt sich, dass der Bedarf an Energie stetig wächst, jedoch fossile Energieträger, wie Kohle und Öl, aber auch Uran, nicht unendlich verfügbar sind. Hinzu kommt noch der nicht unwesentliche Aspekt, dass durch Transformation von fossilen Energieträgern die Kohlenstoff-Emissionen immer weiter ansteigen. Daher erscheint es sinnvoll, wie auch notwendig, auf Alternativenergiequellen zurück zu greifen.
Hierbei bietet vor allem die Sonne das wohl größte nutzbare Potential für die Energiegewinnung. Expertenaussagen zufolge kann die Solartechnik als eine tragende Säule im zukünftigen Energiemix der regenerativen Energien (z. B. Wasserkraft, Biomasse, Wind) gesehen werden. Aufgrund der unumgänglich sich verändernden Energiegewinnungsmöglichkeiten ergibt sich die Notwendigkeit, das Thema „Alternative Energiequellen“ auch im Technikunterricht aufzugreifen, um Schülerinnen und Schüler für den Schutz und für die Erhaltung der natürlichen Umwelt zu sensibilisieren .
Auch innerhalb des Technikseminars beschäftigten wir uns, wenn auch zeitlich bedingt, kurzweilig mit dem Thema „Regenerative Energien“ am Beispiel der Solarenergie. Die vorliegende Arbeit ist primär aus den Überlegungen entstanden, sich einmal näher und intensiv mit diesem Teilgebiet der Technik zu beschäftigen.
Nach verschiedenen Denkanstößen und einer intensiven Recherche im Internet wie auch in der Literatur kam mir die Idee, ein Experimentierboard zu entwickeln, das den Ansprüchen eines handlungs- und problemorientierten Unterrichts entspricht, wodurch Schüler größtenteils eigenständig durch verschiedene technische Experimente elektrische Eigenschaften von Solarzellen erarbeiten. Durch den Anspruch an einen handlungs- und problemorientierenden Unterricht soll es den Schülern vor allem durch den methodischen Einsatz des technischen Experimentes ermöglicht werden, ein gemeinsames Handeln zu stärken, mehr Freude und Interesse zu entwickeln, um somit letztlich eine Trennung von Schule und Leben ein Stück weit aufzuheben.
Somit ergibt sich auch in Hinblick auf diese Arbeit die Frage, inwiefern sich Schüler mit Hilfe des Experimentierboards „EXPESOLA “ unter der Beachtung des handlungs- und problemorientierenden Unterrichts elektrische Eigenschaften der Solarzelle erarbeiten können.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
I. Vorüberlegungen
1. Problemstellung
2. Das Unterrichtsverfahren „Technisches Experiment“
2.1 Allgemeine Grundlagen
2.2 Arten von Experimenten
2. 3 Planung und Ablauf von Experimenten im Technikunterricht
II. Beschreibung des Experimentierboards „EXPESOLA“
1. Entwicklung und Bau
2. Funktion
III. Planung der Unterrichtseinheit
1. Übersicht der Unterrichtseinheit
2. Beschreibung der Lerngruppe
3. Sachanalyse
3.1 Abhängigkeit der Leistung einer Solarzelle von der Beleuchtungsstärke
3.2 Abhängigkeit der Leistung einer Solarzelle vom Einfallwinkel der Lichtstrahlen
3.3 Reihen- Parallelschaltung von Solarzellen
3.4 Spannungs- und Stromstärkemessungen an der Solarzelle
4. Didaktische Analyse
IV. Durchführung der Unterrichtssequenz
1. Beispielstunde
1.1 Methodische Analyse
1.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
1.3 Reflektion der 1. Unterrichtsstunde
2. Beispielstunde
2.1 Methodische Analyse
2. 2 Geplanter Unterrichtsverlauf
2.3 Reflektion der 2. Unterrichtsstunde
3. Beispielstunde
3.1 Methodische Analyse
3.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
3.3 Reflektion der 3. Unterrichtsstunde
4. Beispielstunde
4.1 Methodische Analyse
4.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
4.3 Reflektion der Unterrichtsstunde
V. Schlussbetrachtung
VI. V e r z e i c h n i s s e
1. Quellenverzeichnis
2. Abbildungsverzeichnis
VII. Anhang
Arbeitsblätter
F o t o d o k u m e n t a t i o n
Einleitung
Eines der wichtigsten Ressourcen unserer menschlichen Existenz ist unbestritten die Energie. Im Focus der weltweiten Energieversorgung zeigt sich, dass der Bedarf an Energie stetig wächst, jedoch fossile Energieträger, wie bspw. Kohle, Öl aber auch Uran nicht unendlich verfügbar sind. Hinzu kommt noch der nicht unwesentliche Aspekt, dass durch Transformation von fossilen Energieträgern die Kohlenstoff-Emissionen immer weiter ansteigen. Daher erscheint es sinnvoll, wie auch notwendig, auf Alternativenergiequellen zurück zu greifen. Hierbei bietet vor allem die Sonne das wohl größte nutzbare Potential für die Energiegewinnung. Expertenaussagen zufolge kann die Solartechnik als eine tragende Säule im zukünftigen Energiemix der regenerativen Energien (z. B. Wasserkraft, Biomasse, Wind) gesehen werden. Aufgrund der unumgänglich sich verändernden Energiegewinnungsmöglichkeiten ergibt sich die Notwendigkeit, das Thema „Alternative Energiequellen“ auch im Technikunterricht aufzugreifen, um Schülerinnen und Schüler[1] für den Schutz und für die Erhaltung der natürlichen Umwelt zu sensibilisieren[2].
Auch innerhalb des Technikseminars beschäftigten wir uns, wenn auch zeitlich bedingt, kurzweilig mit dem Thema „Regenerative Energien“ am Beispiel der Solarenergie. Die vorliegende Arbeit ist primär aus den Überlegungen entstanden, sich einmal näher und intensiv mit diesem Teilgebiet der Technik zu beschäftigen. Nach verschiedenen Denkanstößen und einer intensiven Recherche im Internet wie auch in der Literatur kam mir die Idee, ein Experimentierboard zu entwickeln, das den Ansprüchen eines handlungs- und problemorientierten Unterrichts entspricht, wodurch Schüler größtenteils eigenständig durch verschiedene technische Experimente elektrische Eigenschaften von Solarzellen erarbeiten. Durch den Anspruch an einen handlungs- und problemorientierenden Unterricht soll es den Schülern vor allem durch den methodischen Einsatz des technischen Experimentes ermöglicht werden, ein gemeinsames Handeln zu stärken, mehr Freude und Interesse zu entwickeln, um somit letztlich eine Trennung von Schule und Leben ein Stück weit aufzuheben. Somit ergibt sich auch in Hinblick auf diese Hausarbeit die Frage, inwiefern sich Schüler mit Hilfe des Experimentierboards „EXPESOLA[3] “ unter der Beachtung des handlungs- und problemorientierenden Unterrichts elektrische Eigenschaften der Solarzelle erarbeiten können.
Im ersten Teil dieser Ausarbeitung (Kapitel I u. II) wird zunächst speziell auf die Methode des technischen Experimentes eingegangen und das entwickelte Experimentierboard im Aufbau und in der Funktion näher beschrieben.
Der zweite Teil der Arbeit (Kapitel III u. IV) setzt sich mit der Planung sowie mit der Durchführung der ausgewählten Unterrichtsstunden der Unterrichtseinheit auseinander. Im Anschluss an jede geplante Stunde wird eine umfassende Reflektion vorgenommen.
Kapitel V greift die gemachten Erfahrungen, Anregungen und Gedanken auf, die in Hinblick auf die realisierte Unterrichtseinheit gemacht wurden.
Im Anhang befinden sich die Arbeitsblätter der aufgezeigten Unterrichtsstunden sowie eine umfassende Fotodokumentation.
* * *
I. Vorüberlegungen
1. Problemstellung
In Hinblick auf die thematische Auswahl der Themenbereiche des Faches Technik in Klasse 9 der Hauptschule[4] liegt der wesentliche Schwerpunkt in der Erarbeitung der Grundlagen der Elektrotechnik, der unter Beachtung und Absprache mit dem Fachlehrer für Physik aufgegriffen und vertieft behandelt werden soll. Als neue Bauteile der Elektrotechnik werden neben den bekannten Bauteilen wie Schalter, Widerstand und Stromquelle nun auch die Diode, der Fotowiderstand und der Transistor behandelt. Aufgrund der Tatsache, dass die Diode ebenso wie die Solarzelle ein Halbleiter ist, bietet es sich an, aufbauend auf den wiederholten und erweiterten Grundlagen, die Solarzelle als elektronisches Bauteil zu behandeln. Der so gemachte „Exkurs“ bietet die Möglichkeit das Themengebiet der „regenerativen Energien[5] “ mit dem Schwerpunkt Photovoltaik näher zu beleuchten.
Um eine eindeutige Grundlage für die zu erklärenden und zu erarbeitenden[6] elektrischen Eigenschaften der Solarzelle zu schaffen[7], wird im Folgenden zunächst die Funktionsweise der Solarzelle als solches näher beschrieben.
Die Solarzelle besteht aus Halbleitermaterial, das unter dem Einfluss von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig wird. Wird das Halbleitermaterial einer kalten Umgebung ausgesetzt, wirkt dieses isolierend[8]. In der Regel verwendet man für die Herstellung von Halbleitermaterial Silizium. Jedes Siliziumatom besitzt auf der äußeren Schale 4 Elektronen, die auch als Valenzelektronen bezeichnet werden.
Da die Leitfähigkeit von reinen Halbleitern bei Zimmertemperatur sehr schlecht ist, bringt man während der Herstellung in das 4- wertige Halbleitermaterial 5- bzw. 3-wertige Fremdatome ein. Diese gezielte Veränderung der Leitfähigkeit nennt man auch Dotieren bzw. Verunreinigen. Dadurch kann man einen positiven (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen (n-leitende Halbleiterschicht)[9] Ladungsträgerüberschuss erzielen.
Um diesen Ladungsträgerüberschuss zu erzielen, eignen sich Stoffe die über 5 bzw. 3 Elektronen auf der äußeren Schale des Atoms verfügen. Lagert man nun ein 5-wertiges Fremdatom (z. B. Phosphor) in eine der beiden Schichten des Siliziums ein, steht ein zusätzlicher freier Ladungsträger zur Verfügung (vgl. Abbildung 1). Der Kristall ist negativ leitend.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Einlagerung eines 5-wertigen Phosphoratoms in das Kristallgitter des Siliziums[10]
Um eine p-leitende Halbleiterschicht zu erhalten, fügt man ein 3- wertiges Fremdatom (z. B. Bor, Aluminium) in das Siliziumkristall ein. Es entsteht eine Fehlstelle (vgl. Abbildung 2), da dem Fremdatom ein Außenelektron fehlt. Somit entsteht ein Loch in dem Kristall.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Einlagerung eines 3-wertigen Indiumatoms in das Kristallgitter des Silizium[11]
Fügt man nun zwei unterschiedliche Halbleiterschichten aneinander, entsteht an der Grenzschicht (Raumladungszone) der Halbleiterschichten ein p-n-Übergang (vgl. Abbildung 3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Aufbau der Solarzelle[12]
Am p-n-Übergang des Halbleiters baut sich ein inneres elektrisches Feld auf[13]. Die durch das Licht einfallenden Photonen, deren Energie größer als der Bandabstand[14] des Halbleitermaterials ist, werden auf der Solarzelle absorbiert. Durch den inneren Photoeffekt entstehen Elektronen/ Lochpaare, die durch das starke elektrische Feld der Grenzschicht (Raumladungszone) getrennt werden. Die Elektronen sammeln sich dabei in der n-Zone und die Löcher in der p-Zone. Wird nun der Vorder- und Rückseitenkontakt kurzgeschlossen (direkt miteinander verbunden), können alle durch den inneren Photoeffekt erzeugten Elektronen/ Lochpaare aus den Zonen abfließen.
Entsprechend der Bestrahlungsstärke[15] (Lichtintensität) fließt ein maximaler Strom, der auch als Kurzschlussstrom bezeichnet wird. Der Kurzschlussstrom an der Solarzelle verhält sich proportional zur Bestrahlungsstärke. Mit der Zunahme der Bestrahlungsstärke steigt die Leerlaufspannung nur gering. Durch die Bestrahlung (z. B. mit Hilfe eines Halogenstrahlers, 150 Watt[16] ) wird die Solarzelle auch einer gewissen Wärmeentwicklung ausgesetzt. Nimmt die Temperatur an der Zelle zu, erhöht sich der Kurzschlussstrom - jedoch nicht mehr so stark wie bei der Erhöhung der Bestrahlungsstärke.
Die Leerlaufspannung nimmt mit der Temperaturzunahme erheblich ab. Somit sinkt insgesamt durch die nur leichte Erhöhung der Stromstärke und der geringer werdenden Spannung die Leistung[17] an der Solarzelle. Die elektrische Spannung (Gleichspannung) bei maximaler Leistung liegt bei den gebräuchlichsten Zellen bei 0,5 Volt.[18] Besteht ein technischer Bedarf die Leistung der Solarzelle zu erhöhen, kann man durch Reihenschaltung[19] die Spannung und durch Parallelschaltung die Stromstärke erhöhen[20].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Das Schaltzeichen der Solarzelle[21]
Um den Schülern die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle in Hinblick auf einen handlungs- und problemorientierenden Unterricht näher zu bringen und dadurch die Schüler als solches stärker am Lernprozess zu beteiligen, bietet es sich an, an geeigneten Stellen der Unterrichtseinheit technische Experimente zur Erarbeitung der elektrischen Eigenschaften durchzuführen.
Deshalb möchte ich im nächsten Abschnitt die Methode „Technisches Experiment“ in den Focus meiner Betrachtungen ziehen.
2. Das Unterrichtsverfahren „Technisches Experiment“
2.1 Allgemeine Grundlagen
Grundlegend betrachtet werden technische Experimente in allen Bereichen der Forschung, der Praxis wie auch in der Wissenschaft durchgeführt[22]. Dabei sind sie generell auf Erkenntnisgewinnung und Erkenntnisanwendung ausgerichtet und setzen sich grundlegend mit der Frage „ WIE “ auseinander. Bei der Durchführung eines Experimentes soll die Verwendbarkeit bzw. die Anwendung einer Problemlösung unter realen Praxisbedingungen im Vordergrund stehen. Innerhalb des durchzuführenden Experimentes wird der Widerspruch oder die Differenz zwischen dem Sollwert (geforderter Wert) und dem Ist-Zustand des technischen Systems aufgedeckt. Dabei lassen sich die Experimente zunächst nach ihrer Zielsetzung differenzieren:
- Erkundungsexperiment
- Forschungsexperiment
- Erprobungsexperiment
- Überführungsexperiment[23]
2.2 Arten von Experimenten
Hauptmerkmal für den Einsatz von technischen Experimenten ist der Gedanke Schüler zu aktivieren und Lernen als solches zu initiieren. Dabei müssen die Experimente so gewählt bzw. didaktisch/ methodisch reduziert werden, dass sie durch Schüler lösbar sind und das derzeitige Leistungsvermögen aufgreifen. Im unterrichtlichen Einsatz haben sich dabei das Demonstrationsexperiment und das Schülerexperiment [24] als zwei wesentliche Formen herauskristallisiert die im Folgenden näher betrachtet werden sollen.
Demonstrationsexperimente eignen sich vor allem in frontalen Unterrichtsphasen. Dabei liegt die Leitung des Experimentes primär bei der Lehrperson. Eine Einbeziehung eines oder auch mehrerer Schüler ist möglich. Bei der Durchführung von Demonstrationsexperimenten ist darauf zu achten, dass die Experimentieraufgaben und der Aufbau der Schülerschaft näher erläutert werden. Besonders effektiv ist es wenn Schüler, die am Experiment als solches beteiligt sind, den Versuchsaufbau bzw. das Experiment mit eigenen Worten erklären. Ergebnisse werden auf einen Beobachtungsbogen festgehalten.
Bei der Durchführung von Experimenten ist besonders darauf zu achten, dass die Aspekte Exaktheit, Ausdauer und Zuverlässigkeit nicht aus dem Blickfeld der Betrachtungen weichen. Sollte die Möglichkeit bestehen, mehrere Experimente zum Themenkomplex durchzuführen, sollte in Hinblick auf den Stundenaufbau darauf geachtet werden, die Stunden als solches nicht zu überfrachten, um den Lernprozess der Schülerschaft zu effektivieren. Des Weiteren sollte darauf geachtet werden, dass sichere Experimentierbedingungen vorliegen, so dass weder Schüler noch Lehrkörper in Gefahr gebracht werden. Wesentlicher Nachteil von Experimenten ist die Tatsache, dass diese oft aufwendig gestaltet sind, da der Lehrer Geräte bereitstellen und Experimente im Vorlauf bereits durchführen und erproben muss.
Sollte die Möglichkeit bestehen, Schüler mit in die Vorbereitungsarbeit einzubeziehen, soll von dieser Möglichkeit Gebrauch gemacht werden. Innerhalb der Durchführung besteht die Möglichkeit, dass die Schülerschaft Teilaufgaben (Ablesen von Messwerten, Inbetriebnahme des Experimentes) des Experimentes übernehmen.
Schülerexperimente zeichnen sich vor allem durch das selbstständige Experimentieren der Schüler in Kleingruppen aus. Hierbei müssen jedoch im Vergleich zum Demonstrationsexperiment ausreichend Experimentierarbeitsplätze angeboten werden[25].
Innerhalb der Durchführung sollte darauf geachtet werden, dass Experimente lerninhaltsbezogen und sorgfältig ausgewählt werden. Die Schüler sind ausreichend mit Informationen zu versorgen, zu motivieren und mit der Experimentiereinheit vertraut zu machen. Innerhalb der Gruppenbildung sollte darauf geachtet werden, dass Schüler eigenständig entscheiden in welcher Gruppe bzw. mit welchem Partner sie arbeiten[26]. Die gewonnenen Ergebnisse der durchgeführten Experimente sollten und müssen auf geeigneten Materialien (z. B. Arbeitsblätter) schriftlich festgehalten werden[27].
Im direkten Vergleich zum Demonstrationsexperiment zeichnet sich das Schülerexperiment besonders dadurch aus, da während der Durchführung neue bzw. bereits erlernte/ vorhandene Leistungs- bzw. Verhaltensdispositionen entwickelt werden können. Dadurch ist es möglich die individuelle Lernleistung sowie die Aktivität der Schülerschaft als solches zu steigern.
Der Einsatz von Experimenten sollte langfristig geplant und vorbereitet werden. Hierzu müssen Gerätschaften rechtzeitig bereitgestellt, Experimente erprobt und das unterrichtliche Konzept erarbeitet werden. Die Experimente sollten so geplant werden, dass eine Unterrichtsstunde bzw. eine Doppelstunde für das jeweilige Experiment benötigt wird.
2. 3 Planung und Ablauf von Experimenten im Technikunterricht
Zur Durchführung von technischen Experimenten im Technikunterricht ist eine langfristige Planung zunächst erforderlich. Dadurch ist es möglich zweckmäßige Unterrichtsexperimente auszuwählen, Einsatzvoraussetzungen in Hinblick auf die Lernenden sowie räumliche Bedingungen festzulegen und ausreichend Experimentiergeräte bereitzustellen.
Das technische Experiment zeichnet sich durch die folgende chronologische Abfolge aus:
1. Problemstellung
2. Hypothesenbildung
3. Planung der Versuchsanordnung
4. Bau der Versuchsanordnung
5. Durchführung des Versuchs
6. Auswertung[28]
In Hinblick auf die Realisierung eines technischen Experimentes ist es zunächst erforderlich, das zu bearbeitende Problem vorzustellen und näher zu erläutern. Dabei werden Zusammenhänge, die für die Schüler wichtig sind, verständlich festgehalten. Innerhalb der Präsentation und der Auseinandersetzung mit der Problemstellung soll primär das Ziel der technischen Mündigkeit[29] (Normen aufstellen und überprüfen) verfolgt werden. In Anbetracht der Problemstellung stellen die Schüler Vermutungen zu möglichen Zusammenhängen an und formulieren Lösungsansätze. Versprechen die formulierten Lösungsansätze innerhalb der Planung der Versuchsanordnung Erfolg, kann die Experimentiereinheit aufgebaut und das Experiment durchgeführt werden. Innerhalb der Durchführung ist darauf zu achten, dass die geplante Vorgehensweise befolgt und realisiert sowie Zusammenhänge, die sich innerhalb des Experimentes ergeben, beobachtet sowie schriftlich festgehalten werden. Abschließend werden die festgehaltenen Ergebnisse dahingehend überprüft, ob sie im Rückblick auf die Problemstellung eine konkrete Lösung liefern. Innerhalb der Auswertung wird der Versuchsaufbau, die Durchführung sowie das Ergebnis reflektiert und verallgemeinert.
II. Beschreibung des Experimentierboards „EXPESOLA“
1. Entwicklung und Bau
Folgende Gedanken waren bei der Entwicklung des Experimentierboards von wesentlicher Bedeutung:
- Darstellung der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle in Abhängigkeit der Lichtintensität (Entfernung des Strahlers zur Solarzelle)
- Spannungs- und Stromstärkemessungen zur Reihen- und Parallelschaltung
- Aussagen zu den elektrischen Eigenschaften in Hinblick auf den Neigungswinkel der Solarzelle zur Lichtquelle
- Vergleichbare Ergebnisse aus den Experimenten aufgrund gleicher Ausgangssituationen
Die Grundidee für das Experimentierboard[30] kam mir während eines Unterrichtsbesuchs zur Unterrichtseinheit Solartechnik. Innerhalb meiner intensiven Recherche wurden immer wieder Versuchseinheiten angeboten, die die von mir selbst gestellten Anforderungen nicht erfüllen konnten oder aber diese nur z. T. aufgriffen[31]. Als Lösung sollte eine neue kostengünstige und einfache Variante entwickelt werden, wodurch sowohl Abstände immer genau eingehalten werden, sich Solarzellen sowohl in Reihe wie auch Parallel schalten lassen und auch, wenn erforderlich, neben Messungen (Multimeter) Teilergebnisse mit Hilfe eines Motors sichtbar gemacht werden können.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Das Experimentierboard „Expesola“
Als Bauteile ergaben sich in Hinblick auf die gestellten Anforderungen das Experimentierboard (vgl. Abb. 6), die Solarzellen verschiedenen Typs (vgl. Abb. 7), ein Solarmotor (vgl. Abb. 9/10) sowie eine Lichtquelle (vgl. Abb. 11/12).
Als praktische Anforderungen an das Experimentiersystem war vor allem die gute Übersichtlichkeit für die Darstellung der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle sowie eine ausreichend große Dimensionierung des Experimentierboards, um Sachverhalte auch deutlich sichtbar machen zu können, von großer Bedeutung. Um den praktischen Gebrauch für den Schulalltag gewährleisten zu können, wurde ein einfaches Stecksystem (vgl. Abb. 8) entwickelt, mit dessen Hilfe man die einzelnen Bauteile mühelos auf das Board stecken und wieder entfernen kann. Somit ist es auch möglich, dem Aspekt der Vergleichbarkeit von Ergebnissen zu entsprechen, da die Ausgangsvoraussetzungen betreffs Lage, Abstand sowie Neigungswinkel in Hinblick auf den Einsatz der Bauteile identisch sind.
Die Abmessungen des Boards wurden in Anbetracht der bereits oben erwähnten Anforderungen auf 700 mm[32] Länge und 300 mm Breite dimensioniert. Dazu wurde eine Kiefernplatte mit einer Stärke von 18 mm gewählt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Das Experimentierboard
Für eine sowohl sichere Anwendung wie auch gute und stabile Führung des Halogenstrahlers wurde eine Gabunsperrholzplatte von 6 mm Dicke darunter geklebt. Für das Erarbeiten der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle wurden insgesamt 12 Solarbausteine hergestellt (6 Solarzellen 0,45 V/ 400 mA; 6 Solarzellen 0,45 V/ 700 mA).
Die Solarzelle wurde in einer Höhe von 13 cm auf eine 3 mm starke Acrylglasplatte montiert. Die mittige Fixierung der Solarzelle ergibt sich durch die baulichen Eigenschaften des Halogenstrahlers. Als Standfuß wurde eine Gabunsperrholzplatte (65 x 70 mm) gewählt. Um eine kostengünstige Steckverbindung zum Board herzustellen zu können, wurde wie bei allen Bausteinen eine Bohrung mit einem Durchmesser von 4 mm in der Grundplatte vorgenommen, um eine M4 Maschinenschraube darin zu befestigen (vgl. Abb. 8).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: einfache Steckverbindung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Der Solarzellenbaustein (0,45 V/ 700 mA)
Die Maschinenschraube wurde auf der Bodenfläche mit einer Mutter versehen, die in das Holz versenkt wurde. Durch diese effektive Lösung konnte das einfache Stecken der Bausteine auf dem Experimentierboard gewährleistet werden.
Um beispielsweise eine Reihenschaltung oder aber eine Parallelschaltung der Solarzellen herstellen zu können, sind auf dem Boden des Bausteins zwei Reißnägel fixiert, die mit zwei Lötnägeln (1,3 mm) jeweils versehen wurden. An die Reißnägel wurde entsprechend dem Plus- bzw. Minuspol der Solarzelle ein rotes (Pluspol) bzw. ein schwarzes (Minuspol) Kabel angelötet.
Die Verbindung der Bauteile wird durch Drähte aus einer einadrigen Litze hergestellt. An den Enden der Drähte wurden Steckschuhe von 1,3 mm Stärke angelötet.
Für die Entwicklung des Bausteins „Solarmotor“ wurde eine technische Lösung der Firma OPITEC[33] aufgegriffen und weiterentwickelt. Als Steckverbindung dient auch hier, bei den insgesamt 6 hergestellten Solarmotoren, eine Maschinenschraube, die in der Bodenplatte versenkt wurde (vgl. Abb. 9/10).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Der Solarmotor mit Propeller Abbildung 10: Der Solarmotor (Seitenansicht)
Der Halogenstrahler (6 Stück), mit einer Leistung von 150 Watt (vgl. Abb. 11), wurde auf eine Kiefernholzplatte (140 mm x 140 mm) montiert, der passgenau in der Führung des Experimentierboardes verschoben werden kann (vgl. Abb. 11).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Der Halogenstrahler in der Führung Abbildung 11: Der Halogenstrahler (einzeln)
2. Funktion
In dem folgenden Abschnitt soll kurz auf die Funktionsweise des Experimentierboards eingegangen werden. Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz werden explizit in Kapitel III dieser Ausarbeitung gegeben.
Um die technischen Eigenschaften der Solarzelle in Abhängigkeit der Lichtintensität darstellen zu können, wurde in dem Experimentierboard eine Führung von insgesamt 50 cm Länge und 14 cm Breite geschaffen. Durch die Führung ist es möglich, mit Hilfe des Halogenstrahlers die Lichtintensität durch Wahl verschiedener Abstände zu variieren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: Führung des Experimentierboards
Um diese Veränderungen sichtbar machen zu können, besteht die Möglichkeit zum einen Messungen mit einem Multimeter durchzuführen und zum anderen durch Hinzunahme des Solarmotorbausteins Veränderungen optisch sichtbar zu machen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: Einsatz des Solarmotors
Für die konstruktionstechnische Lösung - um Auswirkungen auf die Leistung der Solarzelle durch die Veränderung der Neigungswinkel erkennbar zu machen - ergaben sich schon innerhalb der Planung der Experimentiereinheit zwei Lösungen.
Es bestand zum einen die technische Möglichkeit jeden Solarbaustein so zu konstruieren, dass dieser sich z. B. durch das Lösen einer Flügelmutter neigt. Jedoch zeigte sich bereits in den Anfängen, dass diese Konstruktion auch in Hinblick auf die Anzahl der Solarbausteine fertigungstechnisch sehr aufwendig ist. Deshalb ergab sich die Idee, einen 180 ° Winkel in den oberen Bereich des Experiementierboards zu fixieren. Dadurch ist es möglich den Solarbaustein entsprechend des gewünschten Winkels zum Halogenstrahler zu neigen, um verschiedene Messungen durchführen zu können.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15: Abbildung 16:
Neigungswinkel des Experimentierboards Anwendungsmöglichkeit (Neigungswinkel)
Um Messreihen zu Reihen- und Parallelschaltungen von Solarzellen durchführen zu können, wurden in das Experimentierboard Bohrlöcher eingelassen, die es ermöglichen bis zu zwei (erweiterbar auf max. 3) Solarbausteine auf das Board zu stecken.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 17: zwei Solarbausteine Abbildung 18: drei Solarbausteine
[...]
[1] Der Begriff wird zur sprachlichen Vereinfachung im Folgenden synonym für Mädchen und Jungen verwendet.
[2] vgl. RRL (AW/T), 4
[3] Der Begriff „EXPESOLA“ setzt sich aus den Wörtern Experiment und Solar zusammen und wurde im Rahmen des unterrichtlichen Einsatzes durch die Schüler entwickelt. Somit ergab sich aus meinen Beobachtungen heraus für die Schüler eine unsichtbare Bindung an das Experimentiersystem, mit dem sie sich in den nächsten Wochen intensiv beschäftigen.
[4] vgl. Stoffverteilungsplan der Haupt- und Realschule Bad Essen
[5] vgl. RRL (AW/T) TE 13 (HS)
[6] vgl. Kapitel III, 1 Übersicht der Unterrichtseinheit
[7] vgl. Kapitel III, 3 Sachanalyse
[8] vgl. www.solarserver.de/wissen/photovoltaik.html
[9] Die n-leitende Halbleiterschicht ist der Sonne zugewandt.
[10] vgl. Schenk, Gerd, 7
[11] ebenda, 7
[12] vgl. www.leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/funktion.htm
[13] vgl. www.solarserver.de/wissen/photovoltaik.html
[14] In Halbleitern, die sich in einem festen Kristallgefüge befinden, werden die Bahnen zu Bändern verzogen. In den Bändern können sich Elektronen aufhalten. Zwischen diesen Bändern befinden sich aber weiterhin verbotene Zonen. Bei Halbleitern wie Silizium nennt man das äußere vollbesetzte Band auch Valenzband. Das Band darüber Leitungsband. Photonen sind mit ihrer Energie in der Lage, Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband zu heben. Ihre Energie muss größer als die Bandlücke zwischen dem Valenz- und Leitungsband sein. Trifft nun ein solch starkes Photon auf ein Elektron im Valenzband, so wird dieses Elektron in das Leitungsband gehoben. Im Valenzband bleibt ein Loch zurück. Das Loch wirkt in der Masse der negativen Elektronen wie ein positiver Ladungsträger. (vgl. www.lexsolar.de/index.asp?sid=32 )
[15] Die Bestrahlungsstärke hängt im wesentlichen vom Abstand der Lichtquelle und dem Einfallwinkel zur Solarzelle ab. (vgl. Kapitel II, 3 Sachanalyse)
[16] vgl. Kapitel II, 1 Bau und Entwicklung
[17] Die Leistung (P) setzt sich aus der Multiplikation der Stromstärke (I) und der Spannung (U) zusammen, die in der Einheit Watt gemessen wird.
[18] vgl. www.wikipedia.org/wiki/Solarzellen
[19] vgl. Kapitel III, 3. Sachanalyse
[20] vgl. Kapitel III, 3. Sachanalyse
[21] vgl. www.leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/funktion.htm
[22] vgl. Hüttner, 133
[23] ebenda, 133
[24] ebenda, 133
[25] vgl. Kapitel II, 1 Bau und Entwicklung
[26] vgl. Hüttner, 135
[27] vgl. Kapitel VII, Anhang, Arbeitsblätter zu den Unterrichtsstunden
[28] vgl. Henseler, 87
[29] ebenda, 87
[30] Insgesamt wurden 6 Experimentiereinheiten hergestellt, um eine Partnerarbeit ermöglichen zu können.
[31] Vgl. Kapitel VII, 2, Abbildung 27
[32] Die Länge des Boards ergab sich aus eigenen Versuchen im Vorfeld des Baus des Experimentierboards. Durch die Länge des Boards ist es auch möglich, optische Veränderungen an der Solarzelle mit Hilfe des Solarmotors darzustellen.
[33] vgl. Bausatz No. 124.058 Funktionsmodell „Solar-Propeller“, 92
- Quote paper
- Daniel von Kirchner (Author), 2006, Technische Experimente zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Solarzellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/318925
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