Projekt 5

Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
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JUFOTech
Jugend forscht in der Technik
wko.at/tirol/jufotech
DATENBLATT
Wir nehmen am Wettbewerb „Jugend forscht in der Technik – Auf den Spuren des kleinen Albert“ teil!
Titel der Projektarbeit:
Galvanisierung mit Photovoltaik
Fachgebiet:
Technik
Projektbetreuer:
Name:
Stix Christian
Straße:
Schulklasse:
Schule:
Polytechnische Schule Wörgl, Klasse D
Unterguggenbergerstaße 8
Unterguggenbergerstaße 8
PLZ/Ort:
Schulstufe:
E-Mail:
PLZ/Ort:
6300 Wörgl
[email protected]
9. Schulstufe
6300 Wörgl
Telefon:
Kleingruppe:
Weitere
Projektleiter (Vor-/Nachname)
(Vor-/Nachname)
Straße
(Vor-/Nachname)
PLZ/Ort
(Vor-/Nachname)
E-Mail
(Vor-/Nachname)
Telefon
(Vor-/Nachname)
Schule, Schulstufe
(Vor-/Nachname)
Gruppenmitglieder:
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
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wko.at/tirol/jufotech
Kurzfassung unserer Arbeit:
PROBLEM BZW. AUFGABENSTELLUNG:
Wie kann man verschiedenste Materialen mit einem metallischen Überzug beschichten?
ZUSATZBEDINGUNG:
Es darf nur eine erneuerbare Energiequelle verwendet werden.
Auf Basis dieser Problemstellung haben wir mit Hilfe der Galvanisierung, bei der durch ein
elektrolytisches Bad Strom geschickt wird, ein Stahlstück mit einer Kupferschicht
überzogen. Der elektrische Strom löst dabei Kupferionen von einem Kupferblech ab und
lagert sie auf dem Stahlstück ab. So wird der das Stahlstück gleichmäßig mit Kupfer
beschichtet. Wir können auch andere Materialen (z. B. Kunststoffe, Eischale oder Blätter)
behandeln. Dazu müssen wir die zu beschichtenden Materialen mit einem Leitlack
vorbehandeln um sie elektrisch leitend zu machen.
Wir -22 Schüler- aus dem Fachbereich Elektrotechnik/Mechatronik wurden für die
Umsetzung in Gruppen eingeteilt:
- Gruppe Konstruktionsaufbau
Wir planten und bauten einen Projektwagen, auf dem alle - für die Realisierung der Arbeit
erforderlichen Materialien - Platz finden mussten.
- Gruppe Photovoltaik
Wir realisierten die erneuerbare Energieversorgung für das Projekt.
- Gruppe Elektrotechnik
Wir mussten die zu Verfügung gestellte Energie verteilen und passend aufbereiten.
- Gruppe Mechatronik:
Wir bauten eine Mechanik, mit dem der Galvansierungsvorgang durchgeführt wurde.
- Gruppe Galvanotechnik
Wir erforschten die Galvanotechnik (bis es funktionierte).
Auf den beigelegten Unterlagen haben wir unsere Arbeiten näher beschrieben.
Wir haben auch ein Video erstellt, wo wir ..... einfach anschauen :-) ...!
Schöne Grüße - bis zum 08.Mai - PTS Wörgl, Klasse D
Eine Aktion der Kooperationspartner:
Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
Galvanisierung mit Photovoltaik Wir haben es vollbracht:
Auf den folgenden Seiten beschreiben wir, was wir in den einzelnen Gruppen gemacht, bearbeitet und zusammengeführt haben, damit das Projekt ein Erfolg wurde!
Auch in dem Video haben wir... einfach anschauen !
PTS – Wörgl, Klasse D Galvanisierung mit Photovoltaik Gruppe – Konstruktionsaufbau:
Da unser gesamtes Projekt fahrbar sein sollte, begannen wir einen Wagen zu
planen. Diesen sollte man mit einem Photovoltaik-Modul bestücken können. Es
sollte Platz für die Galvanisierung, der Mechanik und der Elektrotechnik bieten.
Zuerst fertigten wir eine Grobskizze über das Ausmaß des Wagens an und
planten den genauen Konstruktionsaufbau auf dem Computer (mit dem Zeichenprogramm AutoCad).
Nach einem Materialauszug bestellten wir die
erforderlichen Aluminium-Profile samt Scharnieren,
Gelenken und Reifen. Da die Aluminiumstangen
noch nicht zugeschnitten waren, erledigten wir dies
in der Metallwerkstätte mit einer Metallkreissäge.
Nun begann die eigentliche Montage. Dazu gehörte
das Bohren und entgraten von Löchern und das
Schneiden von Gewinden. Weiteres montierten wir
zwei Holzplatten. Eine besonders knifflige Aufgabe
war das montieren der Räder und die Montage des
drehbar gelagerten Photovoltaik-Moduls.
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 1 Galvanisierung mit Photovoltaik Gruppe – Photovoltaik:
Als erneubare Energieform entschieden wir
uns für Solarenergie. Als alternative bot sich
auch an die „Kraft des Windes“ zu nutzen.
Die Solarenergie ist jedoch für unsere
Zwecke zuverlässiger als Windenergie, da sie
auch im Raum bzw. Fensternähe nutzbar ist.
Unter Photovoltaik versteht man die direkte
Umwandlung von Lichtenergie in elektrische
Energie mittels Solarzellen.
In dem linken Bild sieht man das von uns
gezeichnete Schema der PhotovoltaikAnlage. Der von den Photovoltaikzellen
erzeugte Strom speist - mit Hilfe eines
Ladereglers - einen Akkumulator.
Für das Projekt entschieden wir uns für zwei
Akkus. Während ein Akku über das
Photovoltaik-Modul geladen wird, kann der
andere für die Galvanisierung verwendet
werden.
Durch verschiedene Messreihen (Aufstellungsort und Neigung des Solarmoduls)
mit unseren Multimeter entdeckten wir, dass bei einem zu geringen Widerstand
(Verbraucher) das Solarmodul keine Spannung aufbauen kann (Kurzschluss).
Eine direkte Verwendung des Solarmoduls zur Galvansierung ohne Batterien und
Laderegler war daher für uns ungeeignet.
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 2 Galvanisierung mit Photovoltaik 1.Messreihe: im Raum (bewölktes Wetter)
verwendeter
Widerstand in Ohm
gemessene
Spannung in Volt
Stromstärke in Milliampere
Neigung des
Photovoltaikmoduls
10
0
3,7
0°
100
0,3
3,5
0°
10
0,1
10
45°
100
1,1
10
45°
10
0,1
12,7
90°
100
1,2
12,5
90°
2.Messreihe: im Raum am Fenster (bewölktes Wetter)
verwendeter
Widerstand in Ohm
gemessene
Spannung in Volt
Stromstärke in Milliampere
Neigung des
Photovoltaikmoduls
10
0,5
5
0°
100
3,5
35
0°
10
0,7
61
45°
100
5,6
56
45°
10
0,6
56,3
90°
100
5,1
50
90°
3.Messreihe: im Freien (bewölktes Wetter)
verwendeter
Widerstand in Ohm
gemessene
Spannung in Volt
Stromstärke in Milliampere
Neigung des
Photovoltaikmoduls
10
3,3
290
0°
100
23
231
0°
10
3,3
280
45°
100
23,9
237
45°
10
2,1
184
90°
100
16,6
165
90°
4.Messreihe: im Freien (leicht bewölktes Wetter, zwischendurch Sonnenschein)
verwendeter
Widerstand in Ohm
gemessene
Spannung in Volt
Stromstärke in Milliampere
Neigung des
Photovoltaikmoduls
1900
30,7
17,5
0°
56
18,5
322
0°
1900
30,9
17,6
45°
56
19,8
350
45°
1900
30
17
90°
56
13,3
237
90°
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 3 Galvanisierung mit Photovoltaik Gruppe – Elektrotechnik:
Unser Aufgabe bestand darin, dass wir die von der Batterie zu Verfügung gestellte
Energie zu den Verbrauchern (Galvansierung und Motor für die Mechanik)
verteilen mussten.
Eines unser größten Problem dabei war, wie wir die 12 Volt Spannung der Batterie
in die geforderte 10 Volt Spannung für den Motor der Mechatroniker und die 5 Volt
Spannung für den Galvanisierungsvorgang umwandeln können.
Nach einigen Nachforschungen wurden wir schließlich im
Internet fündig. Der Einbau eines kleinen elektronischen
Bauteils - ein sogenannter Spannungsregler - konnte dieses
Problem lösen. Auch ein Video auf Youtube hatte uns dabei
der sehr geholfen (www.youtube.com/watch?v=S‐hsPPiY0vc):
Durch einige Versuchsreihen konnten wir die Anschlüsse des Spannungsreglers
feststellen.
Funktion Spannungsregler (5Volt oder 10Volt):



Am positiven Anschluss des Spannungsregler werden die 12V von der Batterie verwendet Der mittige Anschluss wird an den Minuspol angeschlossen Beim dritten und letzten Anschluss bekommen wir die gewünschten 5V bzw. 10 Volt Ausgangsspannung (je nach verwendeten Spannungsregler) Für die Stabilisierung der Spannung haben wir noch Kondensatoren
eingebaut. Wir merkten aber im Versuchsaufbau keinen wesentlichen
Unterschied. Unserer Meinung nach könnten wird die Kondensatoren
für die Galvanisierung weglassen.
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 4 Galvanisierung mit Photovoltaik Für die erfolgreiche Funktion des Projektes waren viele Versuchsreihen,
Messungen und Berechnungen erforderlich. Am Anfang der Testreihen haben wir
alles in kleinen und einfachen Versuchsreihen ausgeführt und getestet.
Hier ist noch unser Schema für den Aufbau der elektrotechnischen Schaltung.
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 5 Galvanisierung mit Photovoltaik Gruppe – Mechatronik:
Wir sollten eine Apparatur entwickeln, in
der ein Metallstück in zwei Becken eingetaucht werden können. Das Metallstück
soll sich drehen und muss mit einer
Spannungsquelle verbunden werden. Als
Vorgabe bekamen wir zwei Kunststoffbecken. Für den Aufbau entschieden
wir uns für das System LEGO NXT.
Das erste Problem:
Das Metallstück soll sich sehr langsam (in
cirka 2 Minuten einmal um die eigene Achse)
drehen. Die Lösung war ein Schneckenantrieb
gekoppelt mit einen Zahnrad, welches 40
Zähne besitzt.
Das zweite Problem:
Das Metallstück soll sich von einem Becken ins nächste Becken geführt werden.
Um das Problem zu lösen bauten wir unter einem 45° Winkel eine Zahnstange ein
damit sich die Zahnräder besser verankern können. Damit wir die ganze
Wegstrecke zurücklegen konnten mussten wir improvisieren, da es keine so lange
Legowelle gab. Wir schnitten eine Messingstange mit einen Durchmesser von 5
mm auf die benötigte Länge zu und bauten sie ein. Um die Stange richtig
befestigen zu können, spannten wir ein Gummiband vor der Halterung.
Für die Programmierung haben
wir ein auf das NXT System
zugeschnittenes
Programm
benutzt. Man kann damit (fast)
alle Probleme lösen. Als erstes
steuert das Programm den
Greifarm,
an
dem
das
Metallstück mit einem elektrisch
leitenden Draht befestigt ist.
Nachdem sich der Greifarm
gesenkt hat, soll er sich einige
Minuten langsam um die eigene
Achse drehen. Danach hebt er
sich und fährt zum zweiten Becken, senkt sich wieder und wiederholt den
Drehvorgang. Anschließend hebt sich der Greifarm aus dem Becken und das
Programm ist beendet.
PTS – Wörgl, Klasse D Seite 6 Galvanisierung mit Photovoltaik Gruppe – Galvanotechnik:
Galvanisieren bedeutet ein Metall zu verkupfern, zu
vernickeln zu versilbern oder soagr zu vergolden. Also
ein Metall zu beschichten. Die Kupferionen im
Kupfersulfat wandern beim Anschluss an einer Batterie
zu dem Metallstück und setzen sich dort ab. Die Höhe
der Stromstärke ist dabeientscheidend, da es sonst
nicht kupfrig sondern schwarz wird. Also muss man
genau darauf achten wie viele Widerstände man
hinzugibt. In unserem Projekt verkupfern und
vernickeln wir. Für unsere Nachforschungen war und
das Buch von Dieter Ropertz „Galvanisieren – ein
faszinierendes Hobby“ sehr hilfreich.
Für die Galvanisierung benötigten wir passende
Elektrolyten (Kupfersulfat-Lösung und NickelsulfatLösung), zwei Kunststoffwannen, Widerstände zum
Einstellen der Stromstärke und eine Spannungsquelle
mit Gleichstrom und einen bewegbaren und drehbaren
„Greifarm“, Verkabelung, ein Kupfer- und ein
Nickelblech.
Es war schon klar, dass nicht immer alles gänzlich
perfekt laufen würde. Ein großes Problem war z.B. das
Einstellen der richtigen Stromstärke. Durch mehrere
Versuche und Verschwenden von Versuchsobjekten
wurde dieses Problem gelöst.
Wir mussten die passende Stromstärke durch
mehrere Tests ermitteln. Wir hatten zwar grobe
Werte aus dem Buch, jedoch waren es alles
Angaben für eine Spannungsquelle von 2-3 Volt.
Wir hatten aber 5 Volt. Bei den ersten Testreihen
erreichten wir nicht den gewünschten Kupferton,
das Material wurde nur schwarz. Durch
Hinzufügen von größeren Widerständen und
damit der Reduktion der Stromstärke konnten wir
das Problem lösen und die gewollte Kupferschicht erhalten.
PTS – Wörgl, Klasse D Bild: Links blanker Stahl Rechts mit Kupferschicht Seite 7