Anhang mit Bildern, Arbeitsblättern und Zeitschriftenartikeln..
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Anhang A Lernen an Stationen ..........................................................................................S. 44 A1 Übersicht über die Experimente .......................................................................................S. 45 A2 Formelblatt .......................................................................................................................S. 47 A3 Laufzettel ..........................................................................................................................S. 48 A4 Hinweise für die Stationenarbeit........................................................................................S. 49 A5 Bewertungsbogen..............................................................................................................S. 50 A6 Arbeitsaufträge .................................................................................................................S. 51 A7 Schaltpläne .......................................................................................................................S. 58 A8 Hilfezettel ..........................................................................................................................S. 59 A9 Zusatzmaterial ..................................................................................................................S. 63 A10 Auswertungen .................................................................................................................S. 66 B Plakate zur Stationenarbeit ..........................................................................S. 77 C Tafelbilder..................................................................................................................S. 79 C1 Wirkungsgrad ...................................................................................................................S. 79 C2 Elektrische Leistung .........................................................................................................S. 80 D Material zur Exkursion ......................................................................................S. 81 D1 Gesammelte Zeitungsartikel .............................................................................................S. 81 D2 Kurzbeschreibungen der Anlagen ....................................................................................S. 85 D3 Folien mit Schülerfragen ...................................................................................................S. 88 D4 Landkarte ..........................................................................................................................S. 92 D5 Laufzettel ..........................................................................................................................S. 93 D6 Pressebericht ....................................................................................................................S. 94 D7 Fotos..................................................................................................................................S. 95 E Kursarbeit ..................................................................................................................S. 97 1 Aufgabenblatt ......................................................................................................................S. 97 2 Schülerlösung .....................................................................................................................S. 98 44 2 2 Anleitung Windkoffer 1 Idee bzw. Quellen Anleitung Solarkoffer (modifiziert) Gebläse, Strom- und Spannungsmessgeräte, kleines Windrad und Modell von Savonius-Rotor Anzahl B. Apell, JGS Kassel Station 2 Fotovoltaik Lampe, Solarzelle, veränderbarer Widerstand, Experimentierfeld Station 2 Fotovoltaik Material Lampe, Digitalthermometer, Experimentierfeld oder Maßband Station 1 Windenergie Foto Kurzbeschreibung Ermittelt werden die Wirkungsgrade verschiedener Modelle von Windkraftanlagen. Mit Hilfe des Gebläses kann hierzu eine bestimmte Windgeschwindigkeit eingestellt werden. Es können die Flügelform, Flügelanzahl und Flügelstellung zur Untersuchung variiert werden. Aus den Messgrößen Spannung und Stromstärke kann die elektrische Leistung bestimmt und mit der Leistung des Windes verglichen werden. Bei bekannter Bestrahlungsstärke der Lampe kann der Wirkungsgrad der Solarzelle für das Lampenlicht bestimmt werden. Hierzu wird aus der Fläche der Solarzelle und der Bestrahlungsstärke die auf die Solarzelle treffende Strahlungsleistung berechnet. Der sich für Lampenlicht ergebende Wirkungsgrad ist wesentlich geringer als der für Sonnenlicht. Wenn möglich, sollte der Versuch daher mit Sonnenlicht durchgeführt werden. A Lernen an Stationen A1 Übersicht über die Experimente Bezeichnung Die Erwärmung eines bestrahlten, geschwärzten Aluminiumzylinders wird durch die Messung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt. Der Aluminiumzylinder ist zur Wärmeisolierung an den Seiten mit Styropor umgeben. Durch ein kleines Loch an der Rückseite kann das Thermometer gesteckt werden. Aus dem Temperaturanstieg pro Zeit wird Bestrahlungsstärke berechnet. Die Wärmeabgabe von Lampen beeinflusst das Ergebnis. 45 45 Bild zur Veröffentlichung der Arbeit entfernt Station 6 CO2-Ausstoß Mikrowelle, Gaskocher, Herdplatte, Thermometer, Uhr, Becherglas, Messzylinder 3 1 (1999) Messung der physikalischen Leistung der Schüler beim Treppensteigen: Ein Schüler rennt so schnell wie möglich eine Treppe hinauf. Die anderen Schüler der Gruppe stoppen währenddessen die Zeit. Mit er Masse des Schülers und der Treppenhöhe kann damit die Leistung berechnet werden. Der Versuch soll auch Huckepack durchgeführt werden. B. Apell JGS Kassel Stoppuhren, Maßband Station 5 Treppensteigen Ermittelt wird, wie viel der aufgenommenen elektrischen Energie eine Halogenlampe als Licht abgibt. Hierzu wird das Becherglas mit Wasser gefüllt. Die Temperatur des Wassers mit eingetauchter, eingeschalteter Lampe wird gemessen. Aus der Masse des Wassers, der spez. Wärmekapazität und der Temperaturzunahme wird die zugeführte Wärmeenergie bestimmt und von der zugeführten elektrischen Energie subtrahiert. 5 Bild zur Veröffentlichung der Arbeit entfernt PLIB-Werkstattheft, 26 Energieparcours NaTLab Mainz (1993) 2 H. Muckenfuß in NiU, Station 4 Lichtenergie 1 Energieparcours NaT-Lab Mainz Zumbis JSG Rotenburg Stirlingmotor, Stromund SpannungsMessgerät, Waage, Stoppuhr veränderlicher Widerstand Becherglas, Messzylinder, Thermometer, Uhr, verschiedene Halogenbirnen , Spannungsgerät (max. 12V) Station 3 Stirlingmotor Der Stirlingmotor wird mit einer Spiritusflamme angetrieben und ist mit einem Generator verbunden. Am Generatorausgang wird ein veränderlicher Widerstand angeschlossen und Strom und Spannung zur Bestimmung der maximalen elektrischen Leistung gemessen. Mit der Waage und der Uhr wird bestimmt, wie viel Spiritus in einer bestimmten Zeiteinheit verbrennt. Aus den Messdaten wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung bestimmt. Der CO2-Ausstoß beim Erwärmen einer bestimmten Menge Wasser wird für eine Mikrowelle, einen Campingkocher und eine Herdplatte ermittelt. Zunächst wird die jeweilige Energiemenge berechnet, die einen Temperaturanstieg von etwa 20°C bewirkt. Hieraus kann der Wirkungsgrad der Energieumwandlungen bestimmt werden. Bei der Berechnung des CO2-Ausstoßes muss auch Basiswissen aus dem Bereich der Chemie einfließen. 46 Im Internet unter: www.nat-schuelerlabor.de/pdf/Energieparcours.pdf 46 A2 Formelblatt 47 A3 Laufzettel Laufzettel zum Lernen an Stationen - Alternative Energien Gruppenmitglieder: _________________________ Stationen Nummer Bezeichnung ___________________________ Experte Ort der Versuchsdurchführung __________________________ (eigene) VersuchsVersuchsZusatzinfor- durchführung auswertung mationen erledigt erledigt Zeitrichtwert Hilfezettel (Min.) 30 1 Windenergie Physikraum 2 Fotovoltaik Sammlung 25 2 Bestrahlungsstärke Sammlung 20 3 Stirlingmotor Physikraum 25 4 Lichtenergie Sammlung 20 5 Treppensteigen Treppenhaus 20 6 CO2-Ausstoß Physikraum Zusatzaufgabe Physikraum 30 30 48 48 A4 Hinweise zur Stationenarbeit Als Vorlage für die Hinweise diente folgender Artikel: R. Hepp: Lernen an Stationen: Ratschläge zum methodischen Vorgehen, Naturwissenschaften im Unterricht Physik, 10 (1999) 49 49 A5 Bewertungsbogen 50 50 A6 Arbeitsaufträge Windenergie Wahlstation 1 AUFGABE: Mit Hilfe des zur Verfügung gestellten Materials soll ein Modell einer Windenergieanlage gebaut werden, welches bei einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s eine möglichst hohe elektrische Leistung liefert. HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: Baut die Schaltung auf, die auf dem beiliegenden Schaltplan abgebildet ist! Der Lastwiderstand muss auf 50 Ω eingestellt sein. Am Potentiometer, welches die Spannungszufuhr des Gebläses regelt, kann die Windgeschwindigkeit variiert werden. Eine Windgeschwindigkeit von 5 m/s entspricht einer Gleichstromspannung von 7 V am Potentiometer. Achtung: Die Spannung am Potentiometer darf 12 V nie überschreiten, ansonsten wird das Gebläse beschädigt! Getestet werden können ein Savonius-Rotor sowie verschiedene Ausführungen von Auftriebsläufern, die an der dafür vorgesehenen Stelle auf dem Experimentierfeld aufgestellt werden. Für die Auftriebsläufer steht ein Mast zur Verfügung, an dessen Nabe mit Hilfe eines Inbusschlüssels Flügel geschraubt werden können. Die Anzahl und die Anstellwinkel der Flügel sowie deren Form (gerade oder gewölbt) können verändert werden. Der Anstellwinkel der Flügel kann mit Hilfe der Skala auf der beiliegenden Plexiglasscheibe abgelesen werden. Beschreibt die getesteten Anlagen und notiert die zu den Anlagen gehörende Leistung bei einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s! AUSWERTUNG: - Nach 15 Minuten sollt ihr die Windenergieanlage mit der bis dahin höchsten Leistung dokumentieren und zwar so, dass ihr sie jederzeit wieder aufbauen könnt. Testet diese Anlage dann bei Windgeschwindigkeiten von 3 m/s und 6 m/s (Potentiometerspannung 5 V bzw. 10,5 V)! - Vergleicht für verschiedene Windgeschwindigkeiten die Energie des von der Windenergieanlage erfassten Windes mit der elektrischen Ausgangsleistung der Anlage! Welcher Prozentsatz der Windenergie wird tatsächlich genutzt? Beachtet das Infoblatt zu dieser Station! 51 Fotovoltaik Wahlstation 2 Das Wort Fotovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Lichtenergie der Sonne (Sonnenenergie) in elektrische Energie mittels Solarzellen. AUFGABE: Bestimmt, wie viel Sonnenenergie bei einer bestimmten Bestrahlungsstärke maximal von den zur Verfügung gestellten Solarzellen nutzbar gemacht wird! HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: Solarzellen werden durch die so genannte Strom-Spannungs-Kennlinie beschrieben. Diese erhält man, indem man bei konstanter Temperatur und konstanter Einstrahlung einen veränderlichen Widerstand an die Solarzelle anschließt. Durch gleichzeitige Spannungs- und Strommessung beim schrittweisen Verändern der Widerstandswerte können viele Punkte ermittelt werden, die dann die Kennlinie ergeben. - Zur Bestimmung der Kennlinie der Solarzelle baut zunächst das Experiment entsprechend der ausliegenden Skizze auf! Es ist darauf zu achten, dass der auf dem Experimentierfeld angegebene Abstand zur Lampe von 30 cm eingehalten wird. Bei wolkenlosem Himmel sollte die Messung draußen durchgeführt werden, hierbei sollte ein optimaler Einstrahlwinkel gesucht werden. Die vorhandenen Messgeräte können sowohl als Voltmeter („DCV 20 V“) als auch als Amperemeter („DCA 2000 mA“) eingesetzt werden. - Den Drehknopf vom Verbraucher (Widerstand) in dem Messmodul bitte ganz nach rechts drehen (größter Widerstand)! Dann dreht den Knopf langsam nach links und ergänzt die Werte in der Messtabelle! Strom I in mA Spannung U in V - 60 70 80 85 90 95 100 Die Bestimmung der Bestrahlungsstärke in W/m2 am Ort der Solarzelle ist mit Hilfe des geschwärzten Aluminiumzylinders möglich. Eine Anleitung liegt aus. AUSWERTUNG: Berechnet zu allen Messpaaren die abgegebene elektrische Leistung Pel = U·I und zeichnet das U-I-Diagramm und das U-P-Diagramm! Interpretiert eure Ergebnisse! Welche Konsequenzen ergeben sich für den Betrieb von Solaranlagen? Welcher Anteil der Strahlungsleistung wird maximal mit der Solarzelle in elektrischen Strom umgewandelt? 52 2 Bestimmung der Bestrahlungsstärke Es wird die Erwärmung eines von der Sonne oder der Lampe bestrahlten, geschwärzten Aluminiumzylinders bestimmt, indem die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird (ca. 12 min lang). Der Aluminiumzylinder ist zur Wärmeisolierung an den Seiten mit Styropor umgeben. Durch ein kleines Loch an der Rückseite kann das Thermometer gesteckt werden. MESSWERTE: Zeit t 0 Temp. T Zeit t 8 Temp. T 1 2 3 4 9 10 11 12 5 6 7 min Grad min Grad AUSWERTUNG: 1. Tragt die Werte in ein Koordinatensystem ein (t auf die x-Achse)! 2. Man kann davon ausgehen, dass der geschwärzte Zylinder zu Beginn seiner Erwärmung nur Energie aufgenommen hat (im späteren Verlauf der Messung wird er auch Energie durch eigene Strahlung abgeben). Somit gilt mit der Wärmekapazität c und der Masse des Zylinders m während der ersten Minuten: EStrahlung Ethermisch c m T Für die Bestrahlungsstärke S folgt: S WStrahlung t A Wthermisch c m T c m T t A t A A t Die Steigung m der Messkurve während der ersten Minuten der Messung liefert T . t Könnt ihr das erklären? 3. Ermittelt die bestrahlte Fläche A des Zylinders aus dem Durchmesser d = 3 cm! J T und die Bestrahlungsstärke S der gK t W T Sonne bzw. der Lampe in 2 ! Tipp: Rechnet den Wert für zuerst in die Einheit K/s t m Berechnet aus mAlu = 56,7 g, c Alu 0,896 um! 53 3 Stirlingmotor Pflichtstation AUFGABE: Bestimmt den elektrischen Wirkungsgrad des Stirlingmotors mit Generator! HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: - Macht euch zunächst mit Hilfe des Infoblattes mit der Funktionsweise des Stirling-Motors vertraut! Zündet dann den Spiritusbrenner an! Nach einiger Zeit der Erwärmung kann das große Schwungrad im Uhrzeigersinn gedreht werden und der Motor setzt sich in Bewegung. Stellt den Kippschalter in die Stellung „Generator“! - Dreht das Lämpchen aus der Fassung! Messt dann mit den beiden Messgeräten und dem Schiebwiderstand Spannung und Stromstärke am Generatorausgang! Die Leistung des Generators wird maximal, wenn der Schiebwiderstand so eingestellt wird, dass an ihm eine Spannung von 4 V abfällt. Notiert den zugehörigen Wert der Stromstärke! Löscht die Flamme! - Stellt den Spiritusbrenner auf die Waage! Fasst den Brenner dazu möglichst weit unten an! Vorsicht Verbrennungsgefahr! Zündet die Flamme des Spiritusbrenners auf der Waage an! Notiert den Masseverlust nach einer Brenndauer von exakt einer Minute! Stellt den Brenner danach wieder auf den vorgesehenen Platz unter dem Verdrängerkolben! AUSWERTUNG: - Berechnet die elektrische Leistung am Ausgang des Generators! 1 kg Spiritus kostet im Geschäft etwa 3 €. Wie viel kostet eine mit dem Stirlingmotor erzeugte Kilowattstunde? Vergleicht das Ergebnis mit dem Preis einer kWh aus der Steckdose! - Die Verbrennungswärmeenergie von Spiritus beträgt 29,1 kJ/g. Bestimmt die Leistung des Spiritusbrenners! Ermittelt dann den Wirkungsgrad des Stirlingmotors als Quotient aus abgegebener elektrischer Leistung und aufgenommener chemischer Energie! - Was passiert mit der restlichen Energie? Kann sie genutzt werden? 54 Lichtenergie Wahlstation 4 Auch Befürworter der alternativen Energien gehen davon aus, dass diese nur bei drastischen Energieeinsparungen den primären Energieverbrauch der Industrieländer vollständig decken können. Ein mögliches Szenario für den künftigen Primärenergieverbrauch Europas ist im Bild rechts dargestellt: Bis zum Jahr 2050 könnte der primäre Energieverbrauch auf 45 %, bezogen auf den Verbrauch im Jahr 1990, verringert werden. Energieeinsparungen sind prinzipiell möglich, wenn die zur Verfügung stehende Energie besser ausgenutzt werden kann (Wirkungsgradverbesserung). AUFGABE: Ermittelt, wie viel der aufgenommenen elektrischen Energie eine Halogenlampe als Licht abgibt! Quelle: Solarenergie-Förderverein HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: - Lest die Leistung P der Halogenlampe auf der Fassung oder Verpackung ab! (Kontrolliert eventuell die Stromstärke I, denn das Produkt aus Spannung und Stromstärke ergibt die Leistung!) - Füllt das bereitstehende Becherglas mit einem Messzylinder mit Wasser, so dass es zu ca. ¾ gefüllt ist! Notiert die Wassermenge! - Befestigt die Halogenlampe mit Hilfe der Krokodilklemmen! Hierbei ist etwas Geschick gefragt. Achtet darauf, keinen Kurzschluss zu produzieren! Bestimmt dann die Anfangstemperatur des Wassers mit eingetauchter Lampe. Die Lampe sollte sich in der Mitte des Wassers befinden. - Schließt die Kabel an die 12Volt Wechselspannungsbuchsen (12 V ) an der bereitstehenden Spannungsquelle an! Startet im gleichen Moment die Uhr! Hinweis: Dieses Experiment dürft ihr auf keinen Fall zu Hause mit 230 V nachmachen! Lebensgefahr! - Rührt regelmäßig, aber vorsichtig, mit dem Thermometer! Lest jede volle Minute die Temperatur ab und protokolliert die Werte! Nach 10 bis 15 Minuten stoppt das Experiment, zieht die Kabel aus der Quelle und notiert die Endtemperatur des Wassers! AUSWERTUNG: 1. Tragt den Temperaturverlauf über die Zeit auf und ermittelt innerhalb des linearen Anfangsverlaufes des Graphen eine Temperaturzunahme T und die dazugehörige Zeitspanne t! 2. Ermittelt für diese Zeitspanne t die von der Glühlampe aufgenommene elektrische Energie und vergleicht diese mit der in dieser Zeit vom Wasser aufgenommenen thermischen Energie! (Formel siehe Vorbereitungsblatt, spezifische Wärmekapazität des Wassers siehe Formelsammlung). 3. Wie viel Prozent der aufgenommenen elektrischen Energie gibt die Halogenbirne als Wärme, wie viel als Licht ab? 4. Angenommen eine Solaranlage wandelt maximal 15 % der auftreffenden Lichtenergie in elektrische Energie um. Mit der Halogenlampe kann diese wieder in Lichtenergie umgewandelt werden. Welchen Anteil der ursprünglichen Lichtenergie erhält man dabei zurück? 55 Treppensteigen 5 Wahlstation Deutschland verbraucht pro Jahr 14.1018 Joule an Energie. Der Physiker und Träger des Alternativen Nobelpreises Ernst-Peter Dürr berechnete die Anzahl der Energiesklaven, die nötig sind, um diese Energiemenge jährlich zu erzeugen. Ein Energiesklave hat in seiner Rechnung eine durchschnittliche Leistung von etwa einer Viertel Pferdestärke bei einem zwölfstündigen Arbeitstag. AUFGABE: Jeder Schüler der Gruppe ermittelt seine körperliche Leistungsfähigkeit mit Hilfe der Hubarbeit beim Treppensteigen. HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: Man benötigt die Masse des Schülers, die Höhe der Treppe und die Zeit beim Treppensteigen. Der Schüler rennt so schnell wie möglich die Treppe vom Keller bis zum 1. Stock hoch. Die anderen Schüler der Gruppe stoppen währenddessen die Zeit. Führt danach die Messung beim Treppensteigen Huckepack mit Partner aus. Hierfür benötigt man die Gesamtmasse beider beteiligten Schüler, die Höhe der Treppe und die Zeit beim Treppensteigen. Der Huckepack getragene Schüler stoppt die Zeit. AUSWERTUNG: - Berechnet mit Hilfe eurer Messergebnisse eure Leistungsfähigkeit beim Treppensteigen einzeln und beim Huckepack-Tragen! - Tragt die Messwerte eurer Gruppe auf der beiliegenden Folie ein und vergleicht sie mit den vorgegebenen Messpunkten! Wie hängt die Leistung beim Treppensteigen mit der Körpermasse zusammen? Wie kann man das erklären? Wie lässt sich die veränderte Lage der Messpunkte beim Huckepack-Tragen erklären? - Vergleicht zunächst die Leistung der Dürrschen Energiesklaven mit eurer Leistung beim Treppensteigen! Wie erklärt ihr die Abweichung? Schätzt dann sinnvoll ab, wie viele Energiesklaven von eurer körperlichen Leistungsfähigkeit nötig sind, um euern Energiebedarf zu decken! 56 6 CO2-Ausstoß Wahlstation Nach §42 des Energiewirtschaftsgesetzes sind seit dem 15. Dezember 2005 alle Energieversorgungsunternehmen in Deutschland verpflichtet, die Herkunft ihres Stroms zu veröffentlichen. Die E.ON Mitte AG, die Nordhessen mit Strom versorgt, gewinnt demnach 15 % der elektrischen Energie aus erneuerbaren Energiequellen, 51 % aus Kernenergie und 34 % aus fossilen Energieträgern. Pro erzeugter Kilowattstunde fielen 1,8 mg radioaktiver Abfall und 282 g CO2 an. AUFGABE: Bestimmt den CO2-Ausstoß beim Erwärmen von 0,5 l Wasser mit Campingkocher, Mikrowelle und Kochplatte! HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG: - Wiegt den Campingkocher mit der Digitalwaage! - Erwärmt dann jeweils in einem Becherglas 0,5 l Wasser um etwa 20°C mit dem Campingkocher, mit der Mikrowelle und mit der Kochplatte! Mikrowelle und Kochplatte sind dabei auf die höchste Stufe zu stellen. Bestimmt die Temperaturerhöhung möglichst genau! Vorsicht: Keine metallischen Gegenstände in die Mikrowelle stellen, auch nicht das Thermometer! Für die Temperaturerhöhung von etwa 20°C benötigt die Mikrowelle etwa 75 Sekunden. - Ermittelt die Masse des Gases, die bei der Erwärmung mit dem Campingkocher benötigt wurde! - Bestimmt die mit der Mikrowelle und der Herdplatte zugeführte elektrische Leistung, indem ihr Leistungsmesser zwischen Steckdose und Stecker schaltet! Das gefüllte Becherglas sollte sich dabei in der Mikrowelle befinden. AUSWERTUNG: - Der Energiegehalt des Gases im Campingkocher beträgt 46440 J/g. Bestimmt die mit dem Campingkocher, der Mikrowelle und der Herdplatte umgewandelte Energie und die jeweils auf das Wasser übertragene Wärmeenergie! - Der Anteil der jeweils zur Erwärmung genutzten Energie an der insgesamt umgewandelten Energie wird Wirkungsgrad genannt. Bestimmt für die drei Erwärmungsarten den Wirkungsgrad! Wie ändert sich die Rechnung, wenn man berücksichtigt, dass bei der Stromerzeugung nur etwa ein Drittel der Primärenergie in elektrische Energie umgewandelt wird? - Ermittelt für die drei Erwärmungsarten die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 l Wasser um 1°C zu erwärmen! * Zusatzaufgabe (4 Punkte): Welche Menge an CO2 wird dabei freigesetzt? Wie ließe sich diese Menge jeweils reduzieren? Tipp: Flüssiggas aus der Kartusche des Campingkochers besteht zu 70% aus Propan (C3H8) und 30% aus Butan (C4H10). Beide Stoffe reagieren bei der Verbrennung zu CO2 und Wasser. 57 A7 Schaltpläne Experimentierfeld er Abstand LampeSolarzelle: 45 cm Messgerät Spannung Messgerät Strom 58 A8 Hilfezettel* Hilfezettel zu Station 1 (Windenergie) Versuchsdurchführung Auswertung Wie wird die Schaltung aufgebaut? Wie wird die Leistung des Windes berechnet, der auf die Anlage trifft? Gebläse (schwarz mit grauem Aufsatz) ausströmende Luft Strommessgerät Rechnet zuerst für die Windräder und für den Savonius-Rotor die Fläche A aus, die von den Anlagen überstrichen wird! Die Formel für die Leistung des Windes lautet: PWind Ekin 1 A v3 t 2 Potentiometeranschluss des Gebläses (graue Kiste) Einstellung Windrad oder des VerSavnius-Rotor braucherwiderstands Spannungs- (auf 50 Ω messgerät stellen) ρ: Dichte der Luft mit ρ (1,2 kg/m3 bei Zimmertemperatur) v: Windgeschwindigkeit Was versteht man unter einem Anstellwinkel? Der Anstellwinkel setzt die Flügelausrichtung in Bezug zur Windrichtung. Den Anstellwinkel könnt ihr abgelesen, indem ihr die gebogene Plexiglasscheibe über die Anlage stülpt und die Skala ablest. * Die entsprechende Antwort zur jeweiligen Frage musste aufgeklappt werden. 59 Hilfezettel zu Station 2 (Fotovoltaik) Versuchsdurchführung Auswertung Messung der Bestrahlungsstärke: Wie Bestimmung der Bestrahlungsstärke: wird der Aluzylinder mit der Isolierung T Wie wird bestimmt? richtig gehalten? t Am besten hält man die Apparatur so, dass der schwarze Stab keinen Schatten wirft: Legt eine Ausgleichsgerade durch die Messpunkte! Überlegt Euch wieso diese Gerade durch den Ursprung geht! T ist t die Steigung der Geraden. Wie würdet ihr sie im Matheunterricht bestimmen? Was folgt denn aus dem U-I- und dem U-P-Diagramm? Wie stellt man die Solarzelle richtig auf? Wichtig ist, dass die Solarzelle am selben Ort platziert wird wie bei der Messung der Bestrahlungsstärke der Aluzylinder. Zeichnet die Diagramme! P soll möglichst groß sein. Ist es egal, wie I und U gewählt werden? Gibt es eine optimale Einstellung? Was ist der „Verbraucher“? In dem weißen Gerät befindet sich ein variabler Widerstand, der elektrische Energie in Wärme umwandelt. Welcher Anteil der Strahlungsleistung wird maximal umgewandelt? Zuerst muss bestimmt werden, welche Strahlungsleistung auf die Solarzelle 60 trifft. Für die Berechnung benötigt ihr die Fläche der Solarzelle und die Bestrahlungsstärke. Hilfezettel zu Station 3 (Stirlingmotor) Hilfen zur Versuchsdurchführung Hilfen zur Auswertung Wie wird der Widerstand verändert? Wie teuer ist eine mit dem Stirlingmotor erzeugte Kilowattstunde? Am Schiebwiderstand befindet sich ein Regler, mit dem der Widerstand der Schaltung verändert werden kann: Zuerst solltet ihr folgende Fragen klären, wobei ihr natürlich eure Mappen oder das Buch benutzen könnt: - Was ist eine Kilowattstunde (kWh)? Wie lange müsste der Motor laufen, um eine kWh an elektrischer Energie zu erzeugen? Wie teuer ist eine kWh elektrische Energie? Wird der Widerstand vergrößert, so könnt ihr mit Hilfe der angeschlossenen Messgeräte beobachten, dass die Spannung U steigt, aber die Stromstärke I fällt. Wird der Widerstand verkleinert, so Überlegt Euch dann, wie viel Spiritus verbraucht wird, um eine Kilowattstunde fällt U und I steigt. elektrischer Energie zu erzeugen. Bestimmung der Stromstärke bei maximaler Leistung Für die elektrische Leistung P gilt: P = U . I, mit der Spannung U und der Stromstärke I. Die Leistung des Motors soll natürlich möglichst groß sein. Das Produkt U.I und damit die Leistung ist dann maximal, wenn gilt: U = 4V. Wie Bestimmung des Wirkungsgrads - - Stellt die Energieumwandlung qualitativ mit Hilfe eines Energieflussdiagramms dar! Wie ist der Wirkungsgrad definiert? Wie viel Spiritus wird in einer Minute verbrannt und welche Energiemenge wird dabei 61 groß sind dann I und P? - umgesetzt? Welche Menge an elektrischer Energie wird maximal in einer Minute erzeugt? Hilfezettel zu Station 6 (CO2-Ausstoß) Versuchsdurchführung Auswertung Wie wird die elektrische Leistung der Mikrowelle und der Herdplatte bestimmt? Welche Energiemenge wird jeweils benötigt, um 1 l Wasser um 1°C zu erwärmen? Zur Leistungsmessung müsst ihr das unten abgebildete Gerät zwischen Steckdose und (den Stecker) der Mikrowelle bzw. der Herdplatte schalten. Auf dem Display kann dann die Leistung (gegeben in Watt) abgelesen werden. Ihr habt für alle drei Erwärmungsarten berechnet, welche Energiemengen benötigt werden, um 0,5l Wasser um eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Überlegt euch mit Hilfe der Formel für die Wärmeenergie, was es für die Energiemenge bedeutet, wenn - die Menge Wasser erhöht wird - die Temperaturerhöhung verringert wird. Tipps für die Zusatzaufgabe: Die Aufgabe erfordert etwas Nachdenken. Überlegt euch, wie viele CO2-Moleküle aus einem Propan- bzw. Butan-Molekül entstehen! Berücksichtigt 62 dann noch die Molekülmassen von Propan und Butan sowie die von CO2! 63 A9 Zusatzmaterial Informationsblatt zu Station 1: Geschichte der Windenergienutzung Die Technik der Windenergieanlagen hat sich im letzten Jahrhundert, insbesondere nach dem Ölpreisschock 1973, deutlich weiter entwickelt. Geschichtlicher Ausgangspunkt der Windnutzung zu Land waren die so genannten Widerstandsläufer, die auf das Persische Windrad von 700 n.Chr. zurückgehen. Widerstandsläufer entziehen dem Wind die Energie, indem sie mit der Fläche quer zu ihm stehen. 1925 wurde der heute wohl bekannteste Widerstandsläufer, der so genannte Savonius-Rotor, erfunden. Neben Widerstandsläufern existieren Auftriebsläufer, wie die im 12. Jahrhundert in Holland entwickelte Bockwindmühle. Charakteristisch für Auftriebsläufer sind die Flügel (Rotorblätter), die sich senkrecht zum Wind drehen und dabei aufgrund ihrer Form Auftriebskräfte erfahren. Bis 1977 in Afghanistan erhaltene Persische Windmühle Bockwindmühle in Zierau in der Altmark Savonius-Rotor in Tschechien ZweiflügelAuftriebs-läufer in den USA Dreiflügel-Auftriebsläufer vor der Küste Dänemarks In Deutschland werden heute etwa 4 % der benötigten elektrischen Energie durch Windenergieanlagen erzeugt. Um die Anlagen besonders effizient nutzen zu können, werden sie mit Hilfe von Windgutachten an den jeweiligen Standort angepasst. Wichtig für einen günstigen Standort im Binnenland ist, dass der Wind am häufigsten mit etwa 5 m/s weht. 63 64 Informationsblatt zu Station 1: Physik der Windenergie Windenergie ist kinetische Energie der Luftteilchen, welche sich mit der Geschwindigkeit v bewegen. Kürzt man die Dichte der Luft mit ρ (1,2 kg/m3 bei 20°C) ab, so wird eine Fläche A, die senkrecht zur Windrichtung steht, in der Zeit t vt von folgender Masse durchströmt: m V Avt Somit ergibt sich die kinetische Energie des Windes zu: Ekin 1 mv2 1 At v3 2 2 V Avt Für die Leistung des Windes, der durch die Fläche A strömt, gilt somit: PWind Ekin 1 A v3 t 2 Hierbei ist bemerkenswert, dass die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Somit ist diese einer der bestimmenden Faktoren bei der technischen Nutzung der Windenergie. Albert Betz konnte 1919 mit Hilfe der Differentialrechnung zeigen, dass die entnommene Leistung P dann maximal ist, wenn v2 gerade einem Drittel von v1 entspricht. Damit kann die Windleistung theoretisch zu maximal 16/27 ≈ 59,3% entnommen werden (Betzsches Gesetz). P/PWind Berücksichtigt werden muss noch, dass die Geschwindigkeit des Windes in einem Windrad nicht auf Null abgebremst werden kann. Ansonsten kämen die Luftmassen hinter der Anlage zum Stillstand, sodass der Massenstrom durch die Anlage und die Leistung Null wären. Würde der Wind dagegen gar nicht abgebremst, nähme der Massenstrom zwar nicht ab, aber es würde auch keine Energie entnommen, und die Leistung wäre wiederum Null. Der Idealfall liegt dazwischen, die Luftströmung wird von der Ausgangsgeschwindigkeit v1 auf die Geschwindigkeit v2 abgebremst. Eine gut aufbereitete Herleitung des Betzschen Gesetzes findet sich im Internet unter http://www.windpower.org/de/tour/wres/betz.htm. v2/v1 65 Informationsblatt zu Station 3: Stirlingmotor Der Stirlingmotor (auch Heißluftmotor genannt) wurde 1816 von dem schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Stirling wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten. Der Stirlingmotor benötigt keinen besonderen Treibstoff, sondern ist lediglich auf Wärmezufuhr angewiesen. Da die Quelle dieser Wärme unerheblich ist, kann beispielsweise Sonnenenergie, Abwärme von Kraftwerken oder Wärme im Boden ausgenutzt werden. Im Folgenden wird die Funktionsweise eines Stirlingmotors vom so genannten α-Typ erklärt. Bei dieser einfacheren Bauweise befindet sich ein Gas eingeschlossen in zwei miteinander verbundenen Zylindern. In den Zylindern laufen der Arbeitskolben bzw. der Verdrängerkolben auf und ab. Beide Kolben sind um 90° versetzt an einem Schwungrad befestigt, welches vom Arbeitskolben angetrieben wird. Der Verdrängerkolben wird nur bewegt, um das Gas zu verschieben. Der vordere Teil des Verdrängerkolbens wird durch Wärmezufuhr auf hoher Temperatur gehalten. Der Kreisprozess, der in dem Motor mehrmals pro Sekunde abläuft, kann in vier Phasen eingeteilt werden: a) Der Verdrängerkolben V befindet sich in seiner vordersten Position. Noch befindet sich das Gas fast vollständig in dem kühlen Teil. Es wird dort durch den abwärts gehenden Arbeitskolben A komprimiert. b) Das komprimierte Gas wird vor dem Verdrängerkolben erwärmt, so dass der Druck weiter zunimmt. c) Das kalt komprimierte Gas wird durch den Verdrängerkolben in den Teil geschoben, der sich über der Wärmequelle befindet. Dabei dehnt sich das Gas durch die äußere Zufuhr von Wärme aus. Der Arbeitskolben bewegt sich nach oben und treibt das Schwungrad an. d) Der Verdrängerkolben bewegt sich wieder nach vorn, sodass das gesamte Gas unter Abkühlung in den kühleren Teil verschoben wird. Der Druck des Gases nimmt dabei ab, sodass der Arbeitskolben über den oberen Umkehrpunkt das Gas erneut im kühlen Zustand komprimieren kann. 66 A10 Auswertungen (Dieser Teil wurde für die Veröffentlichung auf dem Bildungsserver entfernt. Die Leerzeilen wurden eingefügt, damit die Nummerierung aus dem Inhaltsverzeichnis noch stimmt.) 67 B Plakate zur Stationenarbeit 77 68 78 69 C Tafelbilder C1 Wirkungsgrad 79 70 C2 Elektrische Leistung 80 71 HNA – 19. August 2005 81 72 D Material zur Exkursion D1 Gesammelte Zeitungsartikel HNA – 5. August 2005 HNA – 29. März 2006 HNA – 10 Mai 2006 82 HNA – 29. April 2006 73 HNA – 17. Mai 2006 HNA – 19. Mai 2006 HNA – 13. Mai 2006 HNA – 18. Mai 2006 HNA – 25. Mai 2006 83 74 HNA - 21. Juni 2006 HNA – 7. Juni 2006 HNA – 3. Juli 2006 84 75 D2 Kurzbeschreibung der Anlagen Hintergrundpapier: Holzfeuerungsanlagen Holz ist ein nachwachsender Rohstoff. Es kann in der Energieversorgung eine wichtige Rolle bei der Schonung fossiler Ressourcen spielen, denn: Wird Holz verbrannt und damit Energie erzeugt, wird nur soviel für das Klima schädliches Kohlendioxid (CO2) freigesetzt, wie zuvor während der Wachstumsphase des Baumes bei der Photosynthese aus der Atmosphäre aufgenommen und im Holz fixiert wurde. Die energetische Nutzung von Holz trägt deshalb zum Klimaschutz bei. Holz wird seit einigen Jahren häufiger als Brennstoff genutzt. Ein Grund dafür sind teilweise die hohen Gas- und Ölpreise. Die Kehrseite dieser Entwicklung: Bei kleinen Holzfeuerungsanlagen also zum Beispiel solchen im heimischen Wohnzimmer oder Keller gibt es noch erhebliche Probleme mit Luftschadstoffen. Quelle: Umweltbundesamt: Hintergrundpapier: Die Nebenwirkungen der Behaglichkeit: Feinstaub aus Kamin und Ofen Internet: http://www.umweltbundesamt.de/uba-infopresse/hintergrund/holzfeuerung.pdf HNA – 13. Mai 2006 76 Windkraftanlagen werden immer günstiger Belief sich der Preis einer Anlage 1990 noch auf 1.260 Euro pro Kilowatt installierter Leistung, so sank der Anlagenpreis bis 2004 auf 890 Euro pro Kilowatt, also um über 29 Prozent4). Eine Windkraftanlage mit einem Megawatt – also 1.000 Kilowatt – Leistung kostet dementsprechend 890.000 Euro. Dabei ist die Technologie neuerer Anlagen ausgereifter, Turbinen und Rotorblätter arbeiten effizienter. 1990 drehten sich in Deutschland lediglich Kleinanlagen mit einer Gesamtleistung von 60 Megawatt. Ende 2005 hingegen waren bereits 18.500 Megawatt installiert und die größten Windräder brachten es schon auf eine Nennleistung von bis zu sechs Megawatt. Zum Vergleich: Ein Atom- oder Braunkohlekraftwerk hat eine Nennleistung von etwa 1.000 Megawatt. In Deutschland wird seit 1991 Strom aus Windenergie mit staatlich festgesetzten Mindestpreisen nach dem „Erneuerbare Energien Gesetz – (EEG)“ vergütet. Allerdings fällt dieser Mindestpreis laut Gesetz jährlich um 5%. Quelle: Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) in Kassel: Effizienz der Windenergie, Sonderdruck des Bundesverbandes WindEnergie e.V. Energiewende in Melsungen ? ! Fließendes Wasser hat Kraft - das merken wir Melsunger immer wieder, wenn die Fulda Hochwasser führt. Die Kraft des fließenden Wassers wird auch in Melsungen schon seit Jahrhunderten genutzt, früher durch Mühlen und, seit 1907, auch durch ein kleines Wasserkraftwerk, mit dem elektrischer Strom erzeugt wird. 1992 wurde die Anlage generalüberholt, die Geräuschbelastung für die Anwohner konnte gesenkt werden und die unter günstigen Bedingungen nutzbare Leistung wurde auf 150 Kilowatt erhöht. Die Erwartung der Stadt Melsungen war es, durch den Betrieb der Wasserkraftanlage jährlich für ca. 80.000 DM Strom an die EAM verkaufen zu können. Anlagen zur Gewinnung von Strom aus Wasserkraft sind wartungsarm und amortisieren sich schnell. Es besteht die Möglichkeit, durch den Umbau alter Mühlenstandorte weitere Wasserkraftwerke an der Fulda in Betrieb zu nehmen. Quelle: Bündnis 90/Die Grünen, Stadtverband Melsungen Internet: http://basis.gruene.de/melsungen/ Zukunftstechnologien aus Niestetal Die SMA Technolgie AG ist 1981 als eigenständiges Unternehmen aus der Kasseler Universität heraus mit der Idee gegründet worden, intelligente computerbasierte Regelungssysteme für die dezentrale Energieversorgung zu entwickeln. Heute produziert SMA vornehmlich systemtechnische Komponenten für Photovoltaik-, Windenergie- und kombinierte Energieerzeugungsanlagen. SMA setzt neben der Entwicklung und Produktion von Komponenten für Solaranlagen auf die Erforschung und Fertigung neuer Leistungselektronik-Lösungen für Brennstoffzellensysteme, innovativer Anlagen zur KraftWärme-Kopplung oder elektronischer Wandler für Automotive-Applikationen. Das Unternehmen konnte seine Marktanteile seit Firmengründung sowohl national als auch international stetig ausbauen. Hinter diesem Erfolg stehen ein erfahrenes Management und mehr als 900 hochqualifizierte Mitarbeiter. Gemeinsam mit den Niederlassungen in der Volksrepublik China, den USA und weiteren Vertretungen innerhalb Europas gilt es, zukünftig die weitere Verbreitung der dezentralen, modularen Energietechnik für eine umweltverträgliche und nachhaltige Energieversorgung voranzutreiben. Quelle: Unternehmensinformation der SMA AG Im Internet unter www2.sma.de Energieversorgungstechnik (ISET) 77 Stromerzeugung am Edersee Am Fuß der Mauer befindet sich das Kraftwerk Hemfurth, das elektrischen Strom mit Hilfe von Wasserkraft erzeugt. Die Turbineneinläufe befinden sich ganz unten am Fuß der Staumauer seewärts auf ihrer linken Seite. Durch die Turbinenrohre, die etwa 2,50 m Durchmesser haben, laufen sekündlich bis zu 54 m³ Wasser, so dass 20 MW Strom erzeugt werden können. Betrieben wird die Anlage von der E.ON-Wasserkraft GmbH. Außerdem wird am Affolderner See, einige Kilometer flussabwärts vom Edersee, mit zwei Pumpspeicherkraftwerken Strom erzeugt. Zu Zeiten geringen Strombedarfs wird Wasser aus dem See in ein auf dem benachbarten Berg gelegenes Speicherbecken gepumpt, von wo es dann bei hohem Strombedarf wieder durch die gleichen Röhren nach unten fließt und dabei die Wasserturbinen die Stromgeneratoren antreiben. Quelle: Internet: www.wikipedia.de Mehrertrag durch Nachführung Die Mehrerträge der Nachführung sind standortabhängig. Unter günstigen Bedingungen können bis zu 40% Mehrertrag erreicht werden. Zahlreiche Einzelfaktoren ermöglichen diese Effizienzsteigerung der Photovoltaiktechnik. Einachsige Nachführungen werden verstärkt auf großen Industrie- und Gewerbedächern eingesetzt. Individuelle Verschattungssimulationen auf CAD Basis ermöglichen die objektoptimierte Aufstellung aller geplanten Anlagen – egal ob Freiland oder auf und an Gebäuden. Die Solarparks in Nordhessen, insbesondere die Solarparks in Oberellenbach und Bebra, fördern die Akzeptanz der Technologie in der Bevölkerung, bei Behörden und Investoren. Neue Erkenntnisse aus den bestehenden Solarparks werden für zukünftige Projekte genutzt. Ein umfangreiches Monitoring sorgt für permanente Kontrolle der Erträge und stellt für zahlreiche Kooperationspartner eine Datengrundlage für neue Entwicklungen und Erkenntnisse dar. Quelle: Unternehmensinformation der sonnen_systeme Projektgesellschaft mbH Im Internet unter: www.sonnen-systeme.de 78 D3 Folien mit Schülerfragen 79 80 81 82 D4 Landkarte* * Quelle: Städte Verlag (1993): Der Schwalm-Eder-Kreis 83 D5 Laufzettel 84 D6 Pressebericht 85 D7 Fotos* Herr Schnurr beim Vortrag. So kommt die Wärme in die Schule. Eine Kilowattstunde Die Fahrt mit dem Linienbus Auf dem Weg zur nächsten Station Trotz des Wetters war die Stimmung gut. Herr Hocke erklärt seinen Arbeitsplatz. Die Gasentstehung konnte beobachtet werden. (Die Bilder wurden für die Veröffentlichung auf dem Bildungsserver entfernt. Die Leerzeilen wurden eingefügt, damit die Nummerierung aus dem Inhaltsverzeichnis noch stimmt.) * Leider wurden direkt an der Windenergieanlage und an der Wasserkraftanlage keine Fotos gemacht. 86 E Kursarbeit E1 Aufgabenblatt 2. Physikklausur 22.6.06 NAME: 1) Der im Mai in Betrieb genommene Drei-Schluchten-Damm in China zählt zu den größten Talsperren der Erde. Das mittlere Abflussvolumen des die Talsperre speisenden Flusses Jangtsekiang liegt mit 32500 m³/s etwa 15-mal über dem des Rheins. Die Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterwasser beträgt normalerweise 113 m. a) Das deutsche Unternehmen Siemens lieferte Wasserturbinen und dazugehörige Generatoren zur Stromerzeugung. Welche Faktoren können die Stromerzeugung beeinträchtigen? Fertige eine aussagekräftige Skizze an! b) Am Damm wird pro Sekunde eine elektrische Energie von 18200 MJ erzeugt, die Leistung entspricht damit der von 18 Atomkraftwerken. Welche Energiemenge könnte dem Jangtsekiang am Damm theoretisch pro Sekunde entnommen werden? Wie erklärst Du die Differenz? 2) Um Fotovoltaikanlagen besser vergleichen zu können, gibt man ihre Ausgangsleistung bei einer Bestrahlungsstärke der Sonne von S P 1, 0 kW und m2 25°C Außentemperatur an. Da diese Bedingungen für die Erzeugung von Solarstrom (beinahe) optimal sind, spricht man auch von der so genannten Peakleistung (peak – engl. Spitze). Die 10 Solarmodule auf der Geschwister-Scholl-Schule (je 0,83m2 ) haben eine Peakleistung von insgesamt 1,1 kW. a) Berechne den (Gesamt-)Wirkungsgrad der Fotovoltaikanlage bei optimalen Bedingungen! b) Beschreibe eine Möglichkeit, experimentell die Bestrahlungsstärke der Sonne zu bestimmen! 3) Das Grundprinzip der Nutzung erneuerbarer Energie besteht darin, dass aus den in unserer Umwelt laufend stattfindenden Prozessen Energie abgezweigt und der technischen Verwendung zugeführt wird. Wähle eine Art der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien aus! Erläutere die Argumente, die im Vergleich zur herkömmlichen Erzeugung elektrischer Energie aus fossilen Energieträgern für und gegen diese Art der Stromerzeugung sprechen! 4) Durch eine kreisförmige Querschnittsfläche eines kleinen Windrads (A = 1 m2) strömt bei mäßigem Wind pro Sekunde ein Luftpaket mit einem Volumen von 1 m3. a) Berechne die Windgeschwindigkeit v und die Bewegungsenergie des Luftpakets (Dichte der Luft: ρ = 1,2 kg/m3)! Welche Windleistung ergibt sich? b) Begründe anschaulich, warum die Bewegungsenergie des Luftpakets nicht vollständig mit Hilfe eines Windrads in elektrische Energie umgewandelt werden kann! Veranschauliche deine Überlegung mit Hilfe eines Energieflussdiagramms! 87 E2 Schülerlösung (Dieser Teil wurde für die Veröffentlichung auf dem Bildungsserver entfernt.) 88 89
