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Versuch mit dem Solarmodul

Wirkungsgrad des Solarmoduls

Wirkungsgrad  η = elektrisch abgegebene Leistung eingestrahlte Leistung = P aus P ein

Der Wirkungsgrad η ist definiert als das Verhältnis aus der eingestrahlten Leistung Pein und der von der Solarzelle abgegebenen elektrischen Leistung Paus am Punkt maximaler Leistung.

Die Solarzelle gibt die maximale elektrische Leistung im Maximum Power Point ab. Der Wert für Paus entspricht PMPP, ist also schon bekannt (in diesem Beispiel Paus = 0,311W).

Ermittlung mit Strahlungsleistungsmessgerät

Mit einem Strahlungsleistungsmessgerät wird die Leistung des eingestrahlten Lichts pro Fläche (Bestrahlungsstärke E) gemessen. Für die Ermittlung der Leistung Pein, die auf die Solarzelle trifft, muss dieser Wert mit der effektiven Fläche des Solarmoduls multipliziert werden.

P ein = E · A
Legende
P ein -Leistung des Lichts, die auf das Solarmodul trifft in W
E -Bestrahlungsstärke in W m-2
A -effektive Fläche des Solarmoduls in m2

Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit η = P aus P ein berechnen.

Ermittlung ohne Strahlungsleistungsmessgerät

Steht für die Messung der Strahlungsleistung kein Messgerät zur Verfügung, kann das Multimeter zur Abschätzung der eingestrahlten Lichtleistung verwendet werden. Dafür nutzt man die Tatsache, dass der Kurzschlussstrom (maximaler Photostrom) proportional zu der Anzahl der Photonen (Strahlung) ist, die auf die Solarzelle treffen. Der Kurzschlussstrom ist also proportional zur eingestrahlten Lichtleistung. Dafür wird der Faktor F genutzt (Proportionalitätsfaktor).

P ein = F · I K · A
Legende
P ein -Leistung des Lichts, die auf das Solarmodul trifft in W
F -Faktor F (siehe unten)
I K -Kurzschlussstrom in mA
A -effektive Fläche des Solarmoduls in m2
Faktor F
Die Leerlaufspannung ist charakteristisch für das Halbleitermaterial, aus dem die Solarzelle besteht. Sie ist nicht proportional zum eingestrahlten Licht und kann deshalb für diese Messung nicht genutzt werden. Um eine quantitative Aussage über die Lichtleistung zu erhalten und das Multimeter als Messgerät für die Lichtleistung zu verwenden, muss der am Multimeter angezeigte Kurzschlussstrom mit einem Faktor F multipliziert werden. Dieser Faktor hängt von dem Maximalwert des Kurzschlussstromes der Solarzelle ab.
Die maximale Leistung des eingestrahlten Lichts pro Fläche bei Sonnenschein im Sommer beträgt ca. 1.000 W m-2 . Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1.000 W m-2 Sonneneinstrahlung bei 25°C Zelltemperatur. Der vom Hersteller angegebene Maximalwert für den Kurzschlussstrom wird bei dieser Einstrahlungsleistung erreicht.
Angenommen, der maximale Kurzschlussstrom beträgt 600mA bei Standardtestbedingungen. Der Faktor F wird dann nach folgender Formel berechnet:
F = P max / A I K   max = 1.000 W m-2 600mA = 1,67 W m2  · mA
Wird der am Multimeter angezeigte Kurzschlussstrom nun mit dem Faktor
F = 1,67 W m2  · mA
multipliziert, hat man den annähernden Wert der flächenbezogenen Strahlungsleistung, die auf das Solarmodul trifft.
Für die Berechnung der auf das Solarmodul eingestrahlten Lichtleistung muss die effektive Fläche des Solarmoduls ausgemessen und mit der flächenbezogenen Strahlungsleistung multipliziert werden.
Beispiel

Solarmodulfläche: 4 Zellen je 26mm x 77mm, A = 8 · 10 3 m2 Kurzschlussstrom: I K = 200mA

P ein = F · I K · A = 1,67 W m2  · mA · 200mA · 8 · 10 3 m2 = 2,67W

Wie bereits in diesem Beispiel ermittelt, beträgt die maximal abgegebene elektrische Leistung 0,311W (bei einer eingestrahlten Leistung von 2,67W).

Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit der oben genannten Gleichung ermitteln.

η = P aus P ein = 0,311 2,67 = 0,116 11,6 %
Legende
A -effektive Fläche des Solarmoduls in m2
I K -Kurzschlussstrom in mA
P ein -Leistung des Lichts, die auf das Solarmodul trifft in W
P aus -maximal abgegebene Leistung in W
η -Wirkungsgrad des Solarmoduls
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