Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Photovoltaik, speziell mit photovoltaischen Inselanlagen und deren Einsatzmöglichkeiten im Unterricht der Berufsschule. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine praxisorientierte didaktische Einheit zur Photovoltaik exemplarisch für den Bildungsgang Elektroniker1 für Energie- undGebäudetechnik (EEGT) im Lernfeld 11EG zu konzipieren.
Bei der Gestaltung sollen insbesondere Experimente zu photovoltaischen Inselanlagen im Mittelpunkt stehen. Die experimentelle Bearbeitung des Themas wurde gewählt, da Versuche die Anschaulichkeit der Theorie erhöhen. Das Konzept soll Lehrkräften einen Leitfaden bieten, das Thema Photovoltaik handlungsorientiert, schülerselbstorganisierend und praxisnah zu erarbeiten.
Im Kapitel 2 - Fachwissenschaftlicher Teil - werden die Grundlagen der Photovoltaik und photovoltaischer Inselanlagen dargestellt. Neben theoretischen Inhalten soll insbesondere die Praxis- und Zukunftsbedeutung der Technologie hinterfragt werden. Dabei spielen besonders Wirkungsgrade der Systemkomponenten, Einsatzmöglichkeiten der Technologie sowie das Potential der Photovoltaik eine wichtige Rolle.
Das Kapitel 3 - Didaktischer Teil - setzt am aktuellen Stand der Diskussion um Handlungsorientierung an. Dazu werden die Anforderungen an die berufliche Bildung im Berufsfeld Elektrotechnik skizziert und die Bedeutung des Lernorts Berufsschule für die Förderung beruflicher Handlungskompetenz näher erläutert. Es wird gezeigt, welchen derzeitigen Rahmenbedingungen ein didaktisches Konzept zu Grunde liegen sollte. Anschließend wird das Experiment als eine mögliche Methode handlungsorientierten Unterrichts genauer beschrieben und klassifiziert. Abschließend wird die Konzeption der didaktischen Einheit vorgestellt und begründet.
Im Kapitel 4 - Experimenteller Teil - werden die theoretischen Grundlagen zu photovoltaischen Inselanlagen in Experimente umgesetzt. Hierzu werden zuerst die beiden verwendeten Experimentiersysteme vorgestellt. Die Planung, Durchführung und Auswertung einer Auswahl an Experimenten wird beschrieben. Durch einen didaktischen Kommentar zu jedem Experiment wird die Theorie-Praxis-Verknüpfung erläutert und Überlegungen zu weiterführenden didaktische Zielen angestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Fachwissenschaftlicher Teil
2.1 Definition Photovoltaik
2.2 Sonnenstrahlungsenergie
2.3 Geschichte der Photovoltaik
2.4 Grundlagen der Halbleitertheorie
2.4.1 Festkörpermaterialien
2.4.2 Innerer Photoeffekt
2.4.3 pn-Übergang
2.4.4 Halbleiterdiode
2.5 Solarzellen
2.5.1 Aufbau und Funktionsweise
2.5.2 Ersatzschaltbild und Kennlinie
2.5.3 Arbeitspunkt
2.5.4 Wirkungsgrad
2.6 Solarmodule
2.6.1 Aufbau und Wirkungsgrad
2.6.2 Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und Temperatur
2.6.3 Verluste durch Abschattung
2.6.4 Ausrichtung von Solarmodulen
2.7 Photovoltaische Inselanlagen
2.7.1 Aufbau und Einsatzmöglichkeiten
2.7.2 Akkumulator
2.7.3 Laderegler
2.7.4 Wechselrichter
2.7.5 Gesamtbetrachtung einer Inselanlage
2.8 Potential der Photovoltaik
2.8.1 Beitrag der Photovoltaik zur Stromerzeugung
2.8.2 Beschäftigungsstruktur
3 Didaktischer Teil
3.1 Anforderungen an die berufliche Bildung im Berufsfeld Elektrotechnik
3.2 Handlungsorientierung
3.2.1 Berufliche Handlungskompetenz als Leitziel
3.2.2 Lernfeldkonzept und die Umsetzung im Berufsfeld Elektrotechnik
3.2.3 Handlungsorientierter Unterricht
3.2.4 Leittexte
3.2.5 Experimente
3.3 Konzept der didaktischen Einheit
3.3.1 Beschreibung und Anforderungen
3.3.2 Ziele
3.3.3 Handlungsstruktur
4 Experimenteller Teil unter didaktischen Aspekten
4.1 Experimentiersysteme
4.2 Experimentiervorschläge im Rahmen des didaktischen Konzepts
4.2.1 Experiment 1: Kennlinien und Temperatureinfluss auf Solarmodule
4.2.2 Experiment 2: Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen
4.2.3 Experiment 3: Abschattung von Solarmodulen
4.2.4 Experiment 4: Inselanlage ohne Speicher (DC)
4.2.5 Experiment 5: Inselanlage mit Speicher (DC)
4.2.6 Experiment 6: Inselanlage mit Speicher (AC)
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Anhang
6.1 Qualifikationsprofil Elektroniker für Energie- und Gebäudetechnik
6.2 Berufliche Handlungskompetenz und deren Dimensionen
6.3 Lernfeld 11EG Elektroniker für Energie- und Gebäudetechnik
6.4 Arbeitsaufgabe: Kundenauftrag
6.5 Handlungsregultationsschema
6.6 Arbeitsblatt: Aufbau von PV-Inselanlagen
6.7 Leittext: Experiment 1
6.8 Leittext: Experiment 2
6.9 Leittext: Experiment 3
6.10 Leittext: Experiment 4
6.11 Leittext: Experiment 5
6.12 Leittext: Experiment 6
6.13 Evaluationsbogen
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konzeption einer praxisorientierten didaktischen Einheit zum Thema Photovoltaik, speziell für den Bildungsgang Elektroniker für Energie- und Gebäudetechnik. Die Arbeit zielt darauf ab, Lehrkräften einen handlungsorientierten Leitfaden an die Hand zu geben, um schülerselbstorganisierte Lernprozesse durch gezielte Experimente an photovoltaischen Inselanlagen zu fördern.
- Theoretische Grundlagen der Photovoltaik und Halbleitertheorie
- Didaktik der beruflichen Bildung und Konzept des handlungsorientierten Unterrichts
- Planung und Ausführung von Experimenten zu PV-Inselanlagen
- Systemanalyse und Funktionsprüfung von photovoltaischen Systemkomponenten
- Förderung der beruflichen Handlungskompetenz durch fachpraktische Aufgaben
Auszug aus dem Buch
2.4.3 pn-Übergang
Der innere Photoeffekt erzeugt zwar Elektronen im Leitungsband, aber für den Stromfluss müssen die Elektronen zur Vermeidung von Rekombination von den Löchern getrennt werden. Die Trennung von Ladungsträgern im Halbleiter erreicht man durch ein elektrisches Feld, das innerhalb des Materials selbstständig entsteht.
Dazu wird im folgenden Teil näher auf das Verfahren der Dotierung und die Ausbildung des pn-Übergangs für Silizium eingegangen. In Abb. 2-3 wird ein ungestörtes Kristallgitter mit vierwertigem Silizium (a) und gestörte Silizium-Kristallgitter durch den Einbau eines fünfwertigen Phosphoratoms (b) bzw. dreiwertigen Boratoms (c) dargestellt. Das Silizium-Kristallgitter kommt zustande, indem ein vierwertiges Atom mit vier Nachbaratomen kovalente Bindungen eingeht. Jedes Atom steuert zu einer Bindung je ein Valenzelektron bei. Damit füllt jedes Atom seine äußere Schale von vier auf acht Elektronen auf und erreicht damit die Edelgaskonfiguration.
Der gezielte Vorgang des Einbringens von Fremdatomen, um die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern zu erhöhen, wird als Dotierung bezeichnet. Wird Silizium mit Phosphoratomen, welche je fünf Valenzelektronen besitzt, dotiert, so kann eines der Elektronen keine Bindung mit den Nachbaratomen eingehen. Das Elektron löst sich von seinem Atomkern und wird an den Kristallverband abgegeben. Der jetzt einfach positiv geladene Kern wird als Donator und das abgegebene Elektron als Donatorelektron bezeichnet. Das Elektron bewirkt eine negative Störleitung im Kristall und dieser wird n-leitend. Im Bändermodel von n-dotiertem Silizium sitzen die Donatorelektronen direkt unterhalb des Leitungsbandes und benötigen nur wenig Energie aus der Temperaturbewegung, um ins Leitungsband zu gelangen.
Wird Silizium mit Boratomen, welche je drei Valenzelektronen besitzen, dotiert, so können nur drei der vier Bindungen zu den benachbarten Si-Atomen abgesättigt werden. Dadurch entsteht ein Elektronenloch, in welches ein frei bewegliches Elektron fallen kann, das aber an seinem Ursprungsort wiederum ein Loch hinterlässt. Ein nicht abgesättigtes Atom wird Akzeptoratom genannt und der Kristall mit dieser positiven Störleitung wird p-leitend.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die existenzielle Bedeutung der Energiewende und die wachsende Relevanz der Photovoltaik als technologische Basis für eine nachhaltige Stromerzeugung.
2 Fachwissenschaftlicher Teil: Dieses Kapitel liefert die physikalischen und technischen Grundlagen der Photovoltaik, von der Halbleitertheorie bis hin zum Aufbau und der Funktionsweise von Inselanlagen.
3 Didaktischer Teil: Hier wird der theoretische Rahmen für eine handlungsorientierte berufliche Bildung entwickelt, um Facharbeiter optimal auf die Anforderungen der modernen Elektrotechnik vorzubereiten.
4 Experimenteller Teil unter didaktischen Aspekten: Dieses Kapitel verknüpft die Theorie mit der Praxis durch konkrete Experimentiervorschläge, die didaktisch aufbereitet sind, um schüleraktives Lernen zu fördern.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit resümiert die Bedeutung des handlungsorientierten Ansatzes für die Ausbildung und skizziert die Zukunftsperspektiven der Photovoltaik im Bildungssektor.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Inselanlage, Handlungsorientierung, Berufsbildung, Halbleitertheorie, Solarmodule, Experimente, Lernfeldkonzept, Handlungskompetenz, Elektronen, pn-Übergang, Laderegler, Wechselrichter, Energieversorgung, Praxisbezug
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption einer praxisorientierten didaktischen Einheit zum Thema Photovoltaik, speziell für den Ausbildungsberuf Elektroniker für Energie- und Gebäudetechnik.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt fachwissenschaftliche Grundlagen der Photovoltaik sowie didaktische Methoden ab, um diese Themen im Rahmen einer handlungsorientierten Ausbildung an Berufsschulen zu vermitteln.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines Leitfadens für Lehrkräfte, um durch Experimente an PV-Inselanlagen die berufliche Handlungskompetenz der Auszubildenden gezielt zu fördern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Sachanalyse der Fachwissenschaften sowie der didaktischen Klassifizierung und Umsetzung von handlungsorientierten Experimenten in Form von Unterrichtseinheiten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die fachlichen Grundlagen der Photovoltaik, die didaktischen Anforderungen der beruflichen Bildung und die praktische Umsetzung in Form von sechs spezifischen Experimenten an PV-Inselanlagen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Photovoltaik, Inselanlage, Handlungsorientierung, Berufsbildung, Halbleitertheorie, Solarmodule und didaktische Konzeption.
Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung eines Solarmoduls?
Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad des Moduls, da die Erhöhung der Modultemperatur eine im Verhältnis stärkere Abnahme der Spannung bewirkt, was zu einer linearen Abnahme der Leistung führt.
Warum sind Bypassdioden in Solarmodulen wichtig?
Bypassdioden schützen Solarmodule bei Abschattung einzelner Bereiche vor Überhitzung (Hot-Spot-Effekt) und reduzieren den Leistungsabfall des gesamten Moduls durch Überbrückung betroffener Zellstränge.
Was ist die Hauptaufgabe eines Ladereglers in einer Inselanlage?
Der Laderegler schützt den Akkumulator vor Überladung sowie Tiefentladung und verhindert, dass sich der Akkumulator bei Dunkelheit über das Solarmodul entlädt.
- Quote paper
- Andre Küppers (Author), 2009, Experimentieren mit einer "PV-Inselanlage". Gestaltung einer praxisorientierten Unterrichtseinheit für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Photovoltaik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/339929
