Der Auftrieb bei einem Flugzeug Funktionsprinzip - Vision
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Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Der Auftrieb bei einem Flugzeug Damit ein Flugzeug fliegen kann, braucht es Auftrieb. Auftrieb entsteht durch Luft, die von vorne um die Tragflächen (= Flügel) strömt. Dafür sorgt zu einem Drittel die Luft, die unter den Tragflächen entlang strömt und zu zwei Dritteln der Sog, der an der Oberseite herrscht. Funktionsprinzip: Der Auftrieb entsteht durch Luft, die um die Tragfläche herum strömt. Die Luft wird insgesamt nach unten abgelenkt, und nach dem dritten Newton'schen Gesetz (Kraft=Gegenkraft) entsteht dabei eine Auftriebskraft. Diese hält das Flugzeug - entgegen der Schwerkraft - in der Luft. Wenn man die Luftströmung um eine Auftrieb erzeugende Tragfläche im Detail betrachtet, stellt man fest, dass die Luft oberhalb der Tragfläche schneller als unterhalb fließt. Die Beschleunigung der Luft auf der Oberseite und Verzögerung der Strömung auf der Unterseite geht gemäß dem Bernoulli-Effekt mit Druckdifferenzen einher: verringerter Druck auf der Oberseite und erhöhter Druck auf der Unterseite. Eine typische Tragfläche verrichtet den größeren Teil ihrer Arbeit mit der Oberseite. Die spezielle Form (das "Profil") der meisten Tragflächen, deren Oberseite meist konvex gewölbt ist, verstärkt den Geschwindigkeitsunterschied zwischen Ober- und Unterseite, das Ausmaß der Luftablenkung und somit letztlich den Auftrieb. Grundsätzlich erzeugt jedoch jede flache Form einen Auftrieb, sofern sie mit einem Anstellwinkel schräg zur Luftströmung gehalten wird. Beispiele hierfür sind ein Papierflieger oder die aus dem fahrenden Auto gehaltene Hand. Da die Auftriebserzeugung immer gleich funktioniert, sind Flugzeuge mit allen Flügelprofilen in der Lage, grundsätzlich auch auf dem Rücken zu fliegen. Entscheidend beeinflusst wird der Auftrieb durch Veränderungen des Anstellwinkels (z.B. durch Betätigung des Höhenruders) - allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt. Wird Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 versucht, den Anstellwinkel noch weiter zu erhöhen, löst sich die Luftströmung von der Oberseite der Tragfläche ab (Strömungsabriss). Die Luftablenkung nach unten und somit der Auftrieb brechen dabei zusammen, und es entstehen statt dessen nur noch Luftwirbel. Da Tragflächen nur bei Umströmung Auftrieb liefern, spricht man von dynamischem Auftrieb. Form: In der Frühzeit der Fliegerei waren die Tragflächen entweder einfache Rechtecke, Ellipsen, oder in ihrer Form dem Vogelflügel nachempfunden. Heutige Tragflächen haben eine Vielzahl verschiedener Formen. In der Regel sind sie lang gestreckt und haben eine tropfenähnliche Form im Profil. Zum Ende hin verjüngen sie sich. Bei moderneren Verkehrsflugzeugen gehen sie in so genannte Winglets über. Durch den geringeren Luftdruck auf der Oberseite der Tragflächen strömt die Luft an deren Spitzen von unten nach oben. Die Winglets vermindern diese Luftverwirbelungen an den Enden der Tragflächen, reduzieren so den Energieverlust, den die Wirbelschleppen mit sich bringen, und machen so das Flugzeug sparsamer im Verbrauch. Überschallflugzeuge, z.B. die Concorde, haben oft dreieckige Tragflächen oder Deltaflügel. Diese sind den beim überschallschnellen Flug auftretenden Effekten besser angepasst als der sonst üblicherweise eingesetzte Trapezflügel. Tragflächenformen: Siehe nebenstehende Abbildung. Grundformen: 1-Ellipse 2-Rechteck 3-Trapez 4-Delta Varianten: 5-Rechteck mit verrundeten Ecken 6-Trapez mit gerader Hinterante 7-Tragflügel mit vorderem Strake Anordnung: Je nach Höhe der Anbringung der Tragflächen teilt man Flugzeuge in Tiefdecker (die Tragflächen sitzen unter dem Rumpf), Mitteldecker (mittlere Höhe), Schulterdecker (bündig mit der Rumpfoberkante) und Hochdecker (Tragflächen über dem Rumpf) ein. Flugzeuge bei denen das Höhenleitwerk vor dem Flügel angeordnet ist, heißen Entenoder Canardflugzeuge. Die meisten modernen Flugzeuge besitzen auf jeder Seite des Rumpfs eine Tragflächenhälfte. In den ersten Jahrzehnten der Fliegerei waren Doppeldecker mit jeweils zwei Tragflächen übereinander häufig, vereinzelt wurden sogar Dreidecker gebaut. Heute werden Doppeldecker nur noch für den Kunstflug gebaut. Es gibt auch Flugzeuge mit nur einer Tragfläche, ohne Leitwerk. Solche nennt man Nurflügel oder auch Schwanzlose. Flugzeuge mit zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Tragflächen blieben eine Rarität. Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Antrieb: Anders als bei den Flügeln der Tiere, die Vortrieb und Auftrieb erzeugen, liefern Tragflächen nur Auftrieb. Der Vortrieb muss von separaten Triebwerken erzeugt werden. Zu Beginn der Fliegerei wurde mit Tragflächen experimentiert, die den Flügelschlag der Vögel nachahmen und dadurch Vortrieb erzeugen sollten. Diese Konstruktionen (Schwingenflugzeuge oder auch Ornithopter) erwiesen sich jedoch für die manntragende Fliegerei als ungeeignet und wurden bisher nur im Modellflug erfolgreich verwirklicht. Die einzige praktikable Lösung einer Kombination von Vor- und Auftrieb in der Tragfläche besteht darin, die Tragflächen um eine vertikale Achse rotieren zu lassen. In diesem Fall spricht man dann aber von einem Rotorblatt (also wie bei einem Hubschrauber). Quellen: http://www.erklaert.de/warum/fliegen.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Tragfl%C3%A4che http://www.ingrids-welt.de/reise/haw/bilder/oaluft7.jpg http://www.dg-flugzeugbau.de/Data/dg-303-formation.jpg M. Dotzler & M. Theuer im Rahmen des Baus eines Solarflugzeugs Kl. 10c des DGB Oberasbach Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Alternative Energie Definition: Alternative Energie, auch regenerative Energie genannt, ist eine Energiequelle , die den Menschen unendlich lange zur Verfügung steht. Die vier Quellen sind: 1. Erdwärme 2. Wasserkraft 3. Windenergie 4. Solarstrahlung Mann unterscheidet regenerative Energiequellen von fossilen Energiequellen (Kohle, Erdöl und Erdgas), welche den Menschen nur in begrenzten Mengen vorliegen. Erdwärme: Diese ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde. Die Quelle für diese Energie ist der Zerfall von radioaktiven Isotopen im Erdinneren. Wasserkraft: Als Wasserkraft bezeichnet man die die Strömungsenergie von fliesendem Wasser, welche durch geeignete Maschinen in mechanische Energie umgewandelt wird. Diese wird dann in elektrische Energie umgewandelt. Windenergie: Diese ist die kinetische Energie der bewegenden Luftmasse der Atmosphäre. Diese wird durch Windmühlen in mechanische Arbeit umgewandelt und dann in elektrische Energie. Solarenergie: Als Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt. Die Bekannteste Nutzung der Sonnenenergie ist die Photosynthese bei Pflanzen. Die Sonnenenergie wird bei uns mit Hilfe der Photovoltaik in elektrische Energie umgewandelt. Die am weitesten verbreitete Nutzung ist die Umwandlung durch Sonnenkollektoren in Wärme. Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Solarzellen Aufbau: Die normale Siliziumsolarzelle besteht aus einer ca. 0,001 mm dicken n-Schicht, die in das ca. 0,6 mm dicke p-leitende Si-Substrat eingebracht wurde. Diesen Übergang zwischen nSchicht und p-Substrat nennt man p/n-Übergang oder Grenzschicht. Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-Schicht durch oberflächennahes Einbringen (dotieren) von ca. 1019 Phosphor-Atomen / cm³ in das p-leitende Si-Substrat erzeugt. Die n-Schicht ist so dünn, dass das Sonnenlicht vor allem in der Raumladungszone am p/n-Übergang aufgenommen wird. Das p-leitende Si-Substrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen aufnehmen zu können und um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben. Räumlich Darstellung: Schaltzeichen für die Solarzelle: Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Funktionsweise: • • • Die Raumladung ist der eigentliche "Motor" der Solarzelle. Trifft Licht in die Raumladungszone, so "wirft" es ein negatives Elektron aus dem positiven Loch. Beide bewegen sich entsprechend der durch die Raumladungszone aufgebauten Feldkraft, das Elektron zur positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, das positive Loch zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Dadurch entsteht an den Metallkontakten eine Spannung von ca. 0,5 V, die an einem Verbraucher einen elektrischen Strom erzeugt. Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Grenzschicht ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen und umso größer ist dann auch die Stromstärke, die die Solarzelle liefern kann. Pro Quadratzentimeter beleuchteter Solarzellenfläche kann man mit einer durchschnittlichen Stromentnahme von etwa 20 mA rechnen. Weil nicht jedes "Lichtteilchen" ein Elektron-Loch-Paar bildet und ein Elektron mit einem Loch wieder rekombinieren kann und dabei nur Wärme produziert (die Rekombination steigt mit der Betriebstemperatur), ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Er liegt heute im Bereich von 7 % - 16 % (siehe unten). Wirkungsgrad: Ausführung Material Beschreibung Maximaler Wirkungsgrad der Solarzellen im Labor Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen Zellen Monokristallines Silizium c-Si 25% 13-16% Zellen Polykristallines Silizium mc-Si 20% 12-14% Dünnfilm Amorphes Silizium a-Si 14% 6-8% Dünnfilm Kupfer-Indium-Diselenid CIS 19% 9-11% Dünnfilm Cadmiumtellurid CdTe 16% 7-9% Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Vorteile und Nachteile der Solarzellen: Vorteile • • • Bei photovoltaische Anlagen (wie auch andere Solarenergieanlagen) wird die in menschlichen Zeiträumen unerschöpfliche Sonnenenergie genutzt. Solarzellen sind im Betrieb (nicht aber bei der Herstellung!) umweltfreundlich (außer eventuell optische Beeinträchtigung durch unerwünschte Reflexionen). Photovoltaik ist flexibel einsetzbar. Die Leistungen reichen von Milliwatt (z.B. bei Armbanduhren) bis zu Megawatt (bei Solarkraftwerken). Nachteile • • • Die Leistungsdichte (Watt pro Quadratmeter) ist gering und der Flächenbedarf deshalb ziemlich groß. Die Stromproduktion hängt von der Tageszeit und vom Wetter ab. Für ununterbrochene Stromabgabe sind aufwendige Energiespeichervorrichtungen notwendig. Es wird Gleichstrom erzeugt. Für Stromeinspeisung ins Netz sind Wechselrichter notwendig, die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage verringern. Die Herstellung der Photovoltaikzellen ist sehr energieaufwändig und mit beträchtlichen Schadstoffemissionen verbunden. Normalerweise reicht die elektrische Leistung einer Solarzelle nicht aus, um in der Praxis sinnvoll eingesetzt werden zu können. Deshalb schaltet man meist mehrere Solarzellen in Serie (um die Spannung zu erhöhen) und parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen). Man spricht daher von einem sogenannten Solarmodul. Die Zusammenschaltung mehrerer Solarmodule wird oft als Solargenerator bezeichnet. Quelle: leifi.physik.uni-muenchen.de/ Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Solarenergie: 1. Anbau von durchscheinenden Solarzellen an Glasdächern: Bei dieser Art von Solarzellen ,handelt es sich um lichtdurchlässige Konstruktionen, um den Lichteinfall im Gebäude nicht zu stören. 2. Anbau von Solarzellen an herkömmlichen Dächern: Hierbei handelt es sich um herkömmliche Solarzellen,die an fast jeder stabilen Dachkonstruktion angebracht werden kann. 3. Solarzellen zur Meerwasserentsalzung: Hierbei werden die Solarzellen zur Energieproduktion für Meerwasserentsalzung verwendet. 4. Solarthermische Kraftwerke: Sind großflächig angeordnete Solarzellenfelder zur Energieproduktion. 5. Alleinversorger: Solaranlagen werden hierbei zur Versorgung von stromnetzfernen Gebieten (z.B Wüstensiedlungen) verwendet. Hierbei wandeln Spannungswandler den Solarstrom in 220V Steckdosenstrom um. 6. Versorgung einzelner Hauhalte: Solaranlagen können auch einzelne Haushalte unabhängig vom Stromnetz versorgen indem Solarzellen an Dächern oder in Gärten angebracht werden. 7. Wassergewinnung: Solarzellen werden teils in Wüsten und Trockenzonen zum Pumpenbetrieb verwendet. Zu 6. Zu 4. Zu 2. Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Arbeitsblatt: Kenndaten einer Solarzelle Bei Beleuchtung wird eine Solarzelle zu einer Stromquelle. Hier soll folgende Messungen durchgeführt werden: Abhängigkeit ● der Spannung vom Abstand einer Lichtquelle, die mit konstanter Helligkeit senkrecht auf die Solarzelle einstrahlt, ● der Spannung und des Kurzschlussstroms vom Einstrahlungswinkel der Sonne. Geräte: Holzplatte, in der senkrecht eine Stricknadel steckt; Solarzelle, Lineal, Messgerät. Schaltskizze: V Messung: Wir messen die Spannung in Abhängigkeit von einer Lichtquelle, die senkrecht mit konstanter Helligkeit auf die Solarzelle einstrahlt. Abstand a in cm Spannung U in V In der zweiten Tabelle tragen wir den Abstand quadratisch ein. Abstand a² in cm² Spannung U in V Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Abstand-Spannungs-Kennlinie Abstand²-Spannungs-Kennlinie Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Schaltskizze: Stricknadel V φ Schatten Messung: Wir messen die Spannung (Stromstärke) in Abhängigkeit vom Einstrahlungwinkel φ der Sonne auf die Solarzelle. =arctan Stricknadellänge Schattenlänge Winkel φ in ° Spannung U in V Winkel φ in ° Stromstärke I in A Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Winkel-Spannungs-Kennlinie Winkel-Stromstärke-Kennlinie Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Schaltskizze: V A Messung: Wir messen die Leistung der Solarzelle in Abhängigkeit vom Lastwiderstand. Die Sonne soll auf die Solarzelle senkrecht einstrahlen. Widerstand R in Ω Spannung U in V Stromstärke I in A Leistung P in W Widerstand-Leistungs-Kennlinie Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Vision-Ing21 Projekt "Bau eines Solarflugzeugs" Klasse 10c Schuljahr 2005/06 Wettbewerb 2006 Messung: Wir messen die Leistung in Abhängigkeit vom Einstrahlungswinkel φ der Sonne auf die Solarzelle, indem wir als Widerstand denjenigen wählen, bei dem in der vorherigen Messung die Leistung am größten war. Winkel φ in ° Leistung P in W Winkel-Leistungs-Kennlinie
