Wasserkraft Gruppe 1 04.03.2015

Universität Mainz
Nat-Lab
Energieparcours
Dr. H. Funk
Station
07
Stromerzeugung mit Wasserkraft
[email protected]
Version 070318.6
Namen
Wasserkraftwerke gelten als umweltfreundlich, weil sie Strom aus einer regenerativen Energiequelle
erzeugen. An dieser Station wird gezeigt, wie eine Wasserturbine zur Stromerzeugung funktioniert.
Die Leistungsabgabe wird bei verschiedenen Betriebsbedingungen gemessen. Dabei kann
untersucht werden, was passieren kann, wenn bei einem Stromerzeuger immer mehr Leistung
angefordert wird.
Versuch 1:
Aufbau und Inbetriebnahme der Wasserturbine mit Generator
Für die Messung stehen eine Wasserturbine, ein mit Wasser bis zur Marke
gefüllter Auffangbehälter, ein über der Wasserturbine
angebrachtes Wasserreservoir, Messgeräte und weitere Elektrogeräte bereit.
Vom Wasserreservoir führt ein weißer Schlauch zur Turbine.
Weiteres Zubehör nur zum Umpumpen des Wassers sind eine Pumpe mit
Netzgerät und zusätzliche Wasserschläuche.
Die vielen Schläuche sind auf den ersten Blick verwirrend. Die
Pumpe und die braunen Schläuche dienen jedoch nur dazu, das im
Auffangbehälter gesammelte Wasser wieder in das Vorratsgefäß
zu bringen.
1. Schaut auch die Schläuche an und überlegt euch an Hand folgender Zeichnung
deren Funktion:
Überlauf
Wasserzulauf von der Pumpe
Wasserablauf zur Turbine
Zulauf zur Turbine
2. Schaut euch nun die Turbine mit dem Generator an:
Unten befindet sich ein waagerecht angeordnetes Wasserrad, das von dem Wasserstrahl
angetrieben wird.
Oben sind in dem Transparenten Gehäuse zwei Spulen des Generators zu erkennen,
zwischen denen sich ein vom Wasserrad angetriebener Magnet befindet.
Dass es sich um einen recht starken Magneten handelt, könnt ihr mit der bereitliegenden
5 Cent - Münze (besteht aus verkupfertem Eisen) prüfen.
2. Schließt die Pumpe an das Netzgerät an (rot zu rot, blau zu blau).
3. Der Stellknopf am Netzgerät wird bis zum Anschlag nach links gestellt (MinimumEinstellung), dann wird das Netzgerät eingeschaltet.
Nun wird die Spannung hochgeregelt, bis der Wasserspiegel im Wasserreservoir
steigt: bei 1,20 m Wasserspiegel über der Turbine reichen dafür ca. 7 V
bei 1,50 m ca. 9 V.
Während der Einstellung der Pumpe muss das Wasserreservoir
ständig beobachtet werden. Die Spannungsversorgung der Pumpe
ist so einzustellen, dass der Vorratsbehälter weder überläuft noch
leerläuft.
3. Die Spannung am Netzgerät für die Pumpe wird so nachgeregelt, dass der
Wasserspiegel im Reservoir auf Höhe des Überlaufs bleibt.
Versuch 2:
Welche Leistung liefert die Turbine mit Generator?
Der Versuchsaufbau aus Versuch 1 wird durch zwei Multimeter zur Messung von
von Spannung und Stromstärke ergänzt.
2.1. Aufbau der Schaltung
Baut mit den beiden Multimetern und der Leuchtdiode die untenstehende Schaltung
auf. Wenn ihr solche Schaltpläne noch nicht kennt, könnt ihr zum Aufbau der
Schaltung auch die bereitliegende Stecktafel mit der Nummer 1 benutzen.
Turbine mit Generator
Spannungs- Strommessung
messung
Leuchtdiode
Voltmeter
Amperemeter
2.2. Einstellung der Messinstrumente:
1. Einstellung eines Multimeters als Amperemeter
zur Messung der Stromstärke:
Der Drehknopf muss auf "mA" stehen.
Die Anschlußkabel werden in die zweite und in die dritte Buchse von
links gesteckt, das heißt in die Buchsen "mA" und "COM".
Das Multimeter wird mit dem gelben Knopf eingeschaltet.
Durch Drücken des blauen Knopfes wird das Multimeter auf
Wechselstrom umgestellt, danach muss links unten neben den
Zahlen "AC" stehen.
Mit Taste "RANGE" wird die Empfindlichkeit des Gerätes eingestellt.
Diese Taste wird so oft gedrückt, bis sich auf der Anzeige das
Komma vor der letzten Stelle befindet (geringste Empfindlichkeit,
empfohlene Einstellung).
2. Einstellen eines Multimeters als Voltmeter
zur Spannungsmessung.
Der Drehknopf muss auf "V" stehen.
Die Anschlußkabel werden in die beiden rechten Buchsen gesteckt,
das heißt in die Buchsen "COM" und "HzVO"
Zur Umstellung auf Wechselspannung wird wie beim Amperemeter
der blaue Knopf gedrückt.
Mit Taste "RANGE" wird die Empfindlichkeit des Gerätes eingestellt.
Diese Taste wird so oft gedrückt, bis sich auf der Anzeige das
Komma vor der letzten Stelle befindet (geringste Empfindlichkeit,
empfohlene Einstellung).
2.3. Wie groß ist die Leistung des Generators?
Messt die Spannung und die Stromstärke und tragt die Werte in die gelben Felder
ein.
Hinweis : Die Anzeige kann zwischen zwei Werten hin- und her
springen. Beobachtet einige Sekunden und nehmt den höheren
Wert.
Spannung mit Diode:
Stromstärke mit Diode:
Volt
Milliampere
Berechnet die elektrische Leistung nach der Formel
Leistung = Spannung x Stromstärke
Ergebnis:
Die Leistung beträgt
ACHTUNG! Die Dezimalstellen hier und in allen
folgenden Tabellen mit
einem Komma "," und
nicht mit einem Punkt "."
trennen!
Milliwatt
1 Milliwatt (abgekürzt mW) ist 1/1000 Watt (abgekürzt W),
das heißt zum Beispiel: 20 mW = 0,02 W.
Die Einheit "Watt", abgekürzt W, für eine Leistung ist etwas unanschaulich,
daher folgende Vergleiche:
Mit einer Leistung von 1 Watt kann man
1 Gramm Wasser in 1 Sekunde um 0,24 °C erwärmen
oder einen Gegenstand von 100 Gramm in 1 Sekunde um 1 Meter heben
2.4. Macht es einen Unterschied, ob an die Turbine eine Lampe ein
Widerstand oder gar kein Gerät angeschlossen ist?
1. Ersetzt die Leuchtdiode durch den bereitliegenden Steckwiderstand.
Lest Spannung und Stromstärke ab berechnet wieder die Leistung
P = Spannung x Stromstärke und tragt die Werte in die untenstehende Tabelle ein.
2. Entfernt den Widerstand aus dem Stromkreis und lest die Instrumente erneut ab.
Da der Stromkreis jetzt unterbrochen ist, kann auch kein Strom fließen und die
die Stromstärke ist Null.
Damit wird auch die Leistung null und ihr lest am Voltmeter die Leerlaufspannung
ab. Tragt diesen Wert ebenfalls in die Tabelle ein.
Ergebnisse:
mit
Diode
Spannung
Stromstärke
Leistung
Versuch 3:
0,0
0
0,0
mit
Widerstand
ohne
Gerät
Volt
Milliampere
Milliwatt
Wie beeinflußt der Wasserspiegel die Leistung von Turbine mit Generator?
3.1 Welche Wasserspiegelhöhe könnte für die Leistung maßgebend sein?
Überlauf
A Wasserspiegel im Reservoir
Seht euch diese Zeichnung nochmals
genau an und überlegt, was einen
Einfluss auf die Leistung der Turbine hat:
B Wasserzulauf
C Wasserablauf zur Turbine
D Zulauf zur Turbine
Die Höhe des Wasserspiegels über dem
Wasserablauf zwischen A und C?
oder
Die Höhe des Wasserspiegels über der
Turbine zwischen A und D?
oder
Die Höhe des Wasserablaufs am
Reservoir über der Turbine
zwischen C und D?
E Boden des Auffanggefäßes
oder
Die Höhe des Wasserspiegels über dem
Boden des Auffanggefäßes zwischen
C und E?
Kreuzt eure Vermutung hier an:
Für die Leistung der Turbine
Turbine ist entscheidend:
Höhe zwischen A und C
Höhe zwischen A und D
Höhe zwischen C und D
Höhe zwischen C und E
Besprecht eure Anwort mit dem Mentor!
Wenn eure Vermutung falsch war, soll euch der Mentor die
richtige Antwort erläutern
3.2. Was passiert, wenn sich das Reservoir höher oder tiefer
über der Turbine befindet?
1. Kontrolliert, ob der Stromkreis noch (wie im letzten Versuch) über den
Widerstand geschlossen ist.
2. Messt mit einem Meterstab die Höhe des Wasserspiegels im Reservoir über dem
Turbineneinlauf (= "Fallhöhe des Wassers) und tragt den Wert in die linke Spalte
der untenstehenden Tabelle ein.
3. Lest nochmals die Werte für Spannung und Stromstärke ab, berechnet die Leistung
und tragt die Werte ebenfalls in die linke Spalte ein.
4. Verschiebt nun mit Hilfe des Mentors die Stativstange, an der das Wasserreservoir
hängt, so weit wie möglich nach oben
Wenn sich die Stange schon ganz oben befindet, lasst sie um etwa
1/2 Meter herunter.
5. Regelt die Spannung für die Pumpe nach, damit der Wasserspiegel konstant bleibt.
6. Bestimmt nun erneut Fallhöhe, Spannung und Stromstärke und tragt die Werte in
die rechte Spalte ein.
Fallhöhe:
m
m
Spannung:
V
V
Stromstärke:
mA
mA
Leistung:
mW
mW
Versuch 4:
Frage:
Wie andern sich Spannung, Stromstärke und Leistung mit
zunehmender Fallhöhe?
Ergebnis:
Mit zunehmender Fallhöhe ändern sich die Werte wie folgt:
Die Spannung nimmt
versucht eure Feststellung
Die Stromstärke nimmt
genau zu beschreiben,
Die Leistung nimmt
zum Beispiel mit der
Angabe "nimmt stark zu"
oder "nimmt wenig ab"
Wie ändert sich die Leistung der Turbine, wenn an den Generator
mehrere Geräte angeschlossen werden?
In einer Stadt, die von einem Kraftwerk mit Strom versorgt wird, sind in der Nacht
nur die Straßenlaternen und einige wenige Lampen und Geräte in den Häusern
in Betrieb.
Am Morgen werden dann nacheinander Lichter eingeschaltet, Heißwassergeräte
schalten sich ein, Kaffeemaschinen werden in Betrieb genommen: Immer mehr
Geräte brauchen Strom.
Der Strombedarf steigt weiter, wenn dann in Werkstätten und Fabriken elektrische
Maschinen eingeschaltet werden.
Wenn es ein heißer Tag ist, kommen später noch Klimaanlagen, Ventilatoren,
Tiefkühltruhen, Kühlschränke usw. hinzu.
Daraus ergibt sich die wichtige Frage:
4.1. Kann man beliebig viele Elektrogeräte an ein Stromnetz anschließen?
Was passiert, wenn es zu viele werden?
1. Zu dem Versuch gehört die Steckplatte 2 mit aufgemalten Häuschen, einer
Straßenlaterne und einer Reihe von Schaltern.
Hinter der Platte befindet sich ein Stromnetz zur Versorgung der Häuschen.
Mit den Schaltern könnt ihr Elektrogeräte in den Häuschen
ein und ausschalten und die Auswirkungen auf das Stromnetz untersuchen.
2. Baut den Stromkreis aus den vorangegangenen Versuchen ab und
steckt die Kabel, die vom Generator kommen, in die dafür vorgesehene Buchsen
der Steckplatte 2.
Die "Straßenlaterne" müsste jetzt blinken.
3. Schließt das Voltmeter und das Amperemeter an.
4. Überprüft, ob alle Häuser ausgeschaltet sind: Die Kipphebel müssen von den
Häusern weg zeigen.
5. Überprüft die Höhe des Wasserreservoirs: die Fallhöhe (das ist der Höhenunterschied
zwischen dem Wasserspiegel im Reservoir und dem Zulauf zur Turbine) muss bei
diesem Versuch etwa dem Wert entsprechen, der auf der Steckplatte mit den aufgemalten Häuschen angegeben ist. Messt nach und lasst euch, falls erforderlich,von
einem Mentor die richtige Höhe einstellen.
Tragt den Wert hier ein:
Fallhöhe =
Höhe des Wasserspiegels
über dem Zulauf zur Turbine:
6. Schaltet nun nacheinander immer mehr Häuschen ein (beginnend mit Nummer 1),
lest Spannung und Stromstärke ab und tragt die Werte in die Tabelle ein.
Hinweis : Die Anzeige kann zwischen zwei Werten hin- und her
springen. Beobachtet einige Sekunden und nehmt den höheren
Wert.
Notiert auch, ob die "Straßenlaterne" an oder aus ist.
EXCEL berechnet jeweils die elektrische Leistung aus Spannung und Stromstärke.
achtet auf die Kommas!
eingeschaltete
Häuser
0
1
1+2
1+2+3
1+2+3+4
1+2+3+4+5
1+2+3+4+5+6
Anzahl der
Häuser
Lampe
an oder aus
Spannung
[Volt]
0
1
2
3
4
5
6
Stromstärke
[Milliampere]
Leistung
[Milliwatt]
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
4.2 Was ist passiert, "als die Lichter ausgingen"?
Das seht ihr schon an der Tabelle: Beim Zuschalten des letzten Häuschens
fiel die Spannung stark ab. Vor allem aber fällt die elektrische Leistung, die vorher
kontinuierlich zunahm, plötzlich ab. Dieser Effekt wird in einer grafischen
Darstellung noch deutlicher.
Aufgabe:
Erstellt mit dem Diagrammassistenten ein Diagramm, in welchem
auf der y-Achse die elektrische Leistung über der Zahl der
eingeschalteten Häuser (auf der x-Achse) aufgetragen ist,
und fügt das Diagramm in das gelbe Feld ein.
Überlegt, was das Ergebnis eures Versuchs für ein öffentliches Stromnetz bedeutet
und tragt das Ergebnis eurer Überlegungen hier ein.
Besprecht das Ergebnis auch mit einem Mentor.
Versuch 5:
Was ist der physikalische Grund für den Leistungsabfall in Versuch 4?
1. Etwas Theorie ist nicht zu vermeiden:
Die Elektrogeräte im ersten Häuschen haben zusammen einen bestimmten
elektrischen Widerstand R1 . Wenn nun das zweite Häuschen mit dem Widerstand
R2 hinzukommt, befinden sich die beiden Widerstände R1 und R2 in Parallelschaltung
in dem Stromkreis. Der Gesamtwiderstand R ergibt sich aus der Formel
oder
1/R =
1/R1 + 1/R2
(1 a)
R
( R1 x R2 ) : ( R1 + R2 )
(1 b)
=
Durch eine einfache Beispielrechnung könnt ihr euch davon überzeugen, dass der
Gesamtwiderstand R kleiner ist als jeder der beiden Teilwiderstände R1 oder R2:
Aufgabe:
Die beiden Teilwiderstände seien R1 = 100 und R2 = 50 Ohm.
Berechnet mit der Formel (1 b) den Gesamtwiderstand R.
Ergebnis:
Der Gesamtwiderstand beträgt
R =
Ohm.
Je mehr Häuschen dazu kommen, das heißt, je mehr Widerstände parallel
geschaltet werden, desto geringer wird der Gesamtwiderstand R.
Die Formeln werden etwas komplizierter und lauten bei
drei parallel geschalteten Widerständen R 1 , R 2 und R 3
1/R = 1/R 1 + 1/R 2
+ 1/R 3
R = (R 1 x R 2 x R 3 ) : (R 2 R 3 + R 1 R 3 + R 1 R 2 )
2. Untersucht nun, wie Spannung, Stromstärke und Leistung der Turbine vom
(2 a)
(2 b)
Gesamtwiderstand im Stromnetz abhängen.
1. Baut dazu mit der Stecktafel 1 und den beiden Multimetern wieder die gleiche
Schaltung wie in Versuch 2 auf. In die Buchsen mit der Aufschrift
Wenn sich in den Buchsen mit der Aufschrift "LEUCHTDIODE/WIDERSTAND"
noch der Steckwiderstand oder die Leuchtdiode befinden, zieht diese heraus:
In diese Buchsen kommen jetzt zwei Kabel mit Krokodilklemmen.
Turbine mit Generator
Spannungs- StromKabel mit
messung
messung
Klemmen
Voltmeter
Amperemeter
2. Kontrolliert die Fallhöhe (Höhe zwischen Wasserspiegel im Reservoir und
Turbineneinlauf) und tragt den Wert unten ein.
Die Fallhöhe soll etwa
0,00
0
m betragen.
3. Schließt jetzt bei laufender Turbine mit den schwarzen Klemmen verschiedene
Widerstände an.
4. Tragt jeweils die Größe des Widerstandes sowie die gemessene
Spannung und Stromstärke in untenstehende Tabelle ein.
Das Programm berechnet die Leistung selbsttätig.
Fallhöhe:
Widerstand
[Ohm]
1000
680
560
470
330
220
100
82
68
47
m.
Spannung
[Volt]
Stromstärke
[Milliampere]
Leistung
[Milliwatt]
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
ACHTUNG!
Bitte die
Widerstände wieder
in die richtigen
Kästchen zurücklegen
3. Seht euch nun das folgende Diagramm an, in dem EXCEL die Leistung über
abnehmenden Widerständen (entspricht einer zunehmenden Zahl von
eingeschalteten Häuschen in Versuch 3) aufträgt.
Aufgabe:
Ergebnis:
Beschreibt, wie die Leistungsabgabe von Turbine mit Generator
von der Größe des Widerstands abhängt und lest die maximale
Leistung aus dem Diagramm ab. Tragt euer Ergebnisse in die gelben
Felder ein.
Bei der gewählten Fallhöhe von
0,00
Metern
beträgt die maximale Leistung ca.
Milliwatt.
Die Leistung hängt wie folgt vom Gesamtwiderstand ab:
1000
500
Leisstung [Milliwatt]
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
Widerstand [Ohm]
Bereitet nun die Station für die nächste Gruppe vor:
1. Dreht den Regelknopf am Netzgerät für die Pumpe ganz nach links auf Null und
schaltet das Netzgerät aus.
2. Zieht die Kabel aus der Steckplatte heraus. In den Instrumenten und in der Turbine
können die Kabel stecken bleiben.
Ende der Versuchsbeschreibung
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