2009 / 2010 Hinter der Sonne her

Mit Fotovoltaikanlagen wird Strom erzeugt wenn die Solarzelle von der Sonne angeleuchtet wird. Die erzeugte Strommenge hängt von der eingestrahlten Lichtenergie ab. Je senkrechter das Licht auf die Solarzelle fällt, desto mehr Energie wird erzeugt. Für eine Steigerung der Energieeffizienz werden sogenannte Sun-Tracker verwendet. Mit deren Hilfe wird der Stand der Sonne bestimmt und die Solarzellen so ausgerichtet, dass die Solarzellen senkrecht zur Sonne stehen. Ich will in meiner Arbeit verschiedene Sensoren zur Ermittlung der Sonnenposition einsetzen. In meiner Arbeit soll untersucht werden, welche Sensoren für welchen Anwendungsfall am besten geeignet sind und mit welcher Methode man die größte Energieausbeute erzielen kann. Diese Sensoren werde ich im Folgenden kurz beschreiben:

(1) In einem ersten Ansatz kommt das Prinzip einer Sonnenuhr zum Einsatz. Der Schatten des Zeigers der Sonnenuhr wird durch eine Web-Cam aufgenommen und das Bild wird an ein selbst geschriebenes Programm übermittelt. Dort werden die Daten zum Stand der Sonne berechnet und der Sun-Tracker senkrecht zu der Sonne ausgerichtet.

(2) Durch Fotodioden auf einer Viertelkugel wird der tatsächliche Sonnenstand über eine selbstentwickelte Elektronik gemessen, mit eigener Software ausgewertet und auch hier werden die Solarzellen wiederum senkrecht zur Sonne ausgerichtet.

(3) An Hand eines Kalenderprogramms wird der Stand der Sonne nach Datum und Uhrzeit berechnet werden. Diese Daten werden dann über einen Mikro-Controller verarbeitet werden und damit der Sun-Tracker angesteuert.

(4) Die Eigenschaft von Bimetallstreifen, sich unter Wärme zu verbiegen, wird ausgenutzt, um die Solarzellen in Richtung der höchsten Temperatur und damit genau zur Sonne auszurichten.

(5) Als weitere Methode für einen Sun-Tracker ohne Stromversorgung und ohne Steuerelektronik, baute ich ein Modul, das über einen Motor bewegt wird, der durch eine eigene, zu der Hauptsolarzelle im ca. 90° Winkel versetzte, Solarzelle angetrieben wird. Wenn Licht auf die Solarzelle fällt, dreht sich das Modul solange, bis kein Licht mehr auf die Zelle fällt. So steht dann die Hauptsolarzelle wieder im Licht.

(6) Zum Vergleich der Effizienz der Sun-Tracker werde ich eine fest nach Süden ausgerichtet Solaranlage verwenden. Für die Versuchsaufbauten habe ich jeweils eine kleine Solaranlage mit 3 Solarzellen als Modell aufgebaut.

Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Sensorarten werden gegenübergestellt. Die Energieausbeute wird in Abhängigkeit von den Sensoren und Witterungsverhältnissen miteinander verglichen. Die Wirtschaftlichkeit und Energiebilanz der Solartracker wird ebenfalls betrachtet.


  • Durch Sun-Tracker kann wesentlich mehr Energie 
    gewonnen werden als durch stationäre Solarzellen. Im Winter konnte bis zu 21% mehr Energie erzeugt werden, im Sommer ist dieser Wert größer.
  • Die genaueste Nachführung erfolgte durch das Kalenderprogramm.
  • Der genaueste Sensor ist die Sonnenuhr.
  • Das sparsamste Modul ist das Modul mit „Solarmotor“, da es seinen Energiebedarf selbst erzeugt.

Durch diese Arbeit gewann ich in Dingolfing den Landeswettbewerb Bayern von Schüler Experimentieren in Physik (also auch den Regionalwettbewerb) und ich durfte meine Arbeit während der Nobelpreisträgertagung auf der Insel Mainau im Rahmen einer Austellung präsentieren. Außerdem bekam ich beim Bundesumweltwettbewerb einen Sonderpreis für diese Arbeit. Bei dem Siemens-Schülerwettbewerb gewann ich den Vorentscheid München und wurde 2. Platz beim Bundesentscheid.

Ausarbeitung

Hinter der Sonne her

Filme

Ausrichtung der Solarmodule (Zeitraffer)

Sonnenposition – Höhen- und Seitenwinkel

Der gemessene Sonnenverlauf entspricht dem Verlauf aus dem vorigen Film (abgebildet sind die Daten der Sonnenuhr)

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