Handreichung zum - Bildungsinitiative Energie
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Impressum Herausgeber: Bildungsinitiative Energie Wolfgang Gärthe (Projektleitung) Euro-Schulen-Organisation GmbH Hauptstraße 23, 63811 Stockstadt Telefon 06027 4188-34, Fax 06027 4188-50 [email protected] www.bildungsinitiative-energie.de Quelle: leXsolar GmbH c/o Technische Universität Dresden Überarbeitung: Gunnar Surek, Halle und Dr. Reinhard Tosch, Leipzig Lektorat: Birgit Kirchner, ECS – Euro-Communication-Service, Stockstadt Umschlag, Layout, Satz: UNIT – Agentur für Marketing und Werbung, Bruchsal Titelfoto: Hans Scherhaufer Fotografie, Berlin Druck: HIRSCH GmbH...Printmedien, Bretten 1. Auflage 2013 Copyright © Bildungsinitiative Energie – Ein Projekt der RWE Vertrieb AG Handreichung Energie im Unterricht Inhalt Einführung ........................................................................................................................................ 5 Einfacher Stromkreis .......................................................................................................................... Elektrische Spannung ........................................................................................................................ Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen ....................................................................... Erneuerbare Energien ........................................................................................................................ Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis ............................................................. Ursachen für „Energieverluste“ einer Solarzelle ................................................. ................................. Kondensator ...................................................................................................................................... Brennstoffzelle .................................................................................................................................. Literatur ............................................................................................................................................ 6 7 9 10 11 12 13 14 14 ENERGIEWANDLUNGEN Experiment 1 | Energiewandlungsprozesse zur Lichterzeugung .................................................. Experiment 2 | Energiewandlungen beim Betrieb eines Elektromotors ........................................ Experiment 3 | Energiewandlung hörbar gemacht ...................................................................... 15 16 17 SOLARENERGIE Experiment Experiment Experiment Experiment Experiment 4 5 6 7 8 | | | | | Solarbetriebener Elektromotor ............................................................................ Solarbetriebene Schallquelle ............................................................................... Solarbetriebene Lichtquelle ................................................................................ Von der Solarzelle zum Solarmodul ..................................................................... Teilverschattung von Solarzelle und Solarmodul .................................................. 18 20 22 24 26 Allgemeine Vorbemerkungen zum Versuchskomplex „Windenergie“ ................................................. Experiment 9 | Akustische Windstärkeanzeige ............................................................................ Experiment 10 | Windstärkeanzeige mittels Leuchtdiode (LED) ..................................................... Experiment 11 | Windrichtung und Energieausbeute .................................................................... 30 31 32 33 WINDENERGIE ENERGIESPEICHERUNG Experiment 12 | Energiespeicher für Solaranlage .......................................................................... Experiment 13 | Energiespeicher für Windkraftanlage ................................................................... 36 37 BRENNSTOFFZELLE Experiment 14 | Wasserzerlegung mittels Elektrolyseur? ............................................................... Experiment 15 | Brennstoffzelle als Motorantrieb ......................................................................... Experiment 16 | Tonerzeugung im Lautsprecher als Brennstoffzelle .............................................. 38 39 39 ENERGIE SPAREN Experiment 17 | Energiebedarf verschiedener Verbraucher ........................................................... 40 Notizen .............................................................................................................................................. 41 Einführung Einführung Die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden, wird als Energie bezeichnet. In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien stets konstant, d. h. die Gesamtenergie im System bleibt erhalten. Dieses wichtige Naturgesetz wurde von Julius Robert Mayer (1814 bis 1878) sowie James Prescott Jule (1818 bis 1889) entdeckt. Der Gedanke, dass eine Energieform in andere Energieformen wandelbar ist, wurde von Hermann von Helmholtz (1821 bis 1894) entwickelt. In dieser Handreichung werden Versuche beschrieben, in denen auf verschiedene Art und Weise Primärenergien in andere Energieformen gewandelt werden. Leicht verständlich bildet „einfacher Stromkreis" wichtige elektrotechnische Prozesse wie Energiewandlung, Energietransport sowie Energiespeicherung ab. Durch Einsatz verschiedener Energiequellen wie Licht, Wind oder bloße Muskelarbeit werden in diversen Versuchsanordnungen elektrische Spannungen erzeugt, die wiederum im „einfachen Stromkreis" zum Betrieb ausgewählter elektrischer Verbraucher (Elektromotor, Lautsprecher oder einer Lampe bzw. Leuchtdiode) dienen. Bei der Realisierung unterschiedlicher Energiewandlungsketten wird der Energiefluss von der Primärenergie zur Nutzenergie bei der Versuchsdurchführung nicht nur veranschaulicht, sondern aktiv erlebbar gemacht. Ziel der Versuche ist es, die aktive Auseinandersetzung des Lernenden mit dem Themenfeld „Energie" und den damit verbundenen physikalisch-technischen Erkenntnisgewinn durch „Begreifen" zu fördern und zu festigen. Wir wünschen Ihnen Spannung und Freude beim Experimentieren sowie Erfahrungs- und Wissenszuwachs. Wolfgang Gärthe Dr. Markus Mönig Geschäftsführer Geschäftsführer Euro-Schulen-Organisation GmbH RWE Energiedienstleistungen GmbH Weiterführende Informationen finden Sie auf unserer Homepage: www.bildungsinitiative-energie.de. 5 Einfacher Stromkreis Einfacher Stromkreis Ein Stromkreis, der aus einer elektrischen Spannungsquelle und einem elektrischen Verbraucher besteht, die durch elektrische Leiter miteinander verbunden sind, bezeichnet man in der Elektrotechnik als einfachen Stromkreis. Ein einfacher Stromkreis besitzt keinen Schalter. Im Sinne dieser Definition lassen sich in Versuchsanordnungen der Experimente 1 bis 17 durch wahlweises Verbinden der jeweiligen Spannungsquellen mit den entsprechenden Verbrauchern mittels elektrischer Leitungen einfache Stromkreise modular zusammenstellen. 6 Elektrische Spannung Elektrische Spannung Weisen zwei Punkte des Raumes bezüglich eines gemeinsamen Bezugspunktes (Erde mit Nullpotenzial) gegenseitig unterschiedlich große elektrische Potenziale auf, so besteht zwischen beiden eine sogenannte Potenzialdifferenz, die als elektrische Spannung bezeichnet wird. Als Potenzial bezeichnet man in der Elektrotechnik den Ladungsunterschied zwischen einem elektrisch geladenen Körper und Erde (Masse) oder einem anderen Bezugspunkt /1/. Das Potenzial ist stets mit einem Vorzeichen behaftet und hat die Einheit Volt (V). Erde bzw. Masse hat das Potenzial Null Volt. Eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer elektrischen Spannung ist die Trennung von positiven und negativen Ladungen. Dazu ist Energie aufzuwenden. Ein elektrischer Strom fließt in einem geschlossenen Stromkreis nur so lange, wie eine bestimmte Ursache vorhanden ist, welche die Elektronen in Gang bringt und ihre Bewegung aufrechterhält (vgl. auch /2/). Ohne auf die physikalische Eigenart der sich hierbei abspielenden Vorgänge einzugehen, bezeichnet man diese Ursache allgemein als elektrische Urspannung. Die Urspannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. Vorrichtungen, die in der Lage sind, eine Urspannung zu erzeugen, nennt man Spannungsquellen. Die Technik verwendet hierzu galvanische Elemente (Batterien), Akkumulatoren, Dynamomaschinen (Elektrogeneratoren, ...) und nicht zuletzt Solarzellen bzw. Solarmodule. Bildlich gesprochen, kann man jede Spannungsquelle als eine Pumpe betrachten, die den elektrischen Strom in den Leitungsdrähten in Bewegung setzt und erhält /2/. Die hierzu nötigen Elektronen sind in den stromdurchflossenen Leitungen als sogenannte freie Elektronen von vornherein vorhanden. Stoffe, die eine hohe Anzahl freier Ladungsträger (bei Metallen sind dies die Elektronen) enthalten, nennt man elektrische Leiter. Stoffe, die neben den gebundenen Ladungsträgern nur wenige freie Elektronen besitzen, werden dagegen Nichtleiter genannt /1/. Die Spannungsquelle fügt keine Elektronen hinzu, sie sorgt nur für die Bewegung der Ladungsträger. Hierzu muss aber Energie aufgewandt werden. Das geht in allen Spannungsquellen so vor sich, dass bestimmte Kräfte auf die ursprünglich vereinigten positiven und negativen Ladungen einwirken. Sie wirken deren gegenseitiger Anziehungskraft entgegen und führen damit eine räumliche Trennung der Ladungen Plus und Minus herbei /2/. Ist nun die Spannungsquelle Bestandteil eines einfachen elektrischen Stromkreises, dann fließt der Strom der Ladungsträger (Elektronen) von der Spannungsquelle durch die Leitung hin zum Verbraucher und wieder zurück zur Spannungsquelle. Die Leitungen dienen zum „Stromtransport" zwischen Spannungsquelle und Verbraucher /1/. Es wird zwischen Hin- und Rückleitung unterschieden. Hinleitung: Stromtransport von der Spannungsquelle zum Verbraucher Rückleitung: Stromtransport vom Verbraucher zur Spannungsquelle Der Verbraucher (z. B. Lampe, Widerstand, Motor, ...) wandelt die elektrische Energie in andere Energieformen um (z. B. in Licht-, Wärme- oder Bewegungsenergie, ...). 7 Elektrische Spannung Am Pluspol der Spannungsquelle (Anode) überwiegen die positiven Ladungen, dort herrscht also Elektronenmangel. Am Minuspol der Spannungsquelle (Katode) überwiegen die negativen Ladungen (Elektronen). Dieser Ladungsunterschied zwischen den Polen der Spannungsquelle hat das Bestreben sich auszugleichen. Dieser Ausgleich gelingt, wenn die Pole der Spannungsquelle sinnvollerweise über einen Verbraucher miteinander verbunden werden, so dass der Stromkreis geschlossen ist. Die Elektronen bewegen sich dann vom Ort des Elektronenüberschusses (Minuspol) zum Ort des Elektronenmangels (Pluspol) durch den Leiter. Es fließt ein elektrischer Strom von Minus nach Plus. In metallischen Leitern stellt der elektrische Strom eine gerichtete Bewegung von Elektronen dar. Zur Zeit der Festlegung der Stromrichtung bestand noch keine Kenntnis der Elektronentheorie. Daher wurde die Bewegungsrichtung positiver Metallionen in einem Elektrolyten als Stromrichtung zugrunde gelegt. Diese Definition der sogenannten technischen Stromrichtung von Plus nach Minus ist im Widerspruch zur physikalischen Wirklichkeit die gültige Stromrichtung, d. h. vereinbarungsgemäß fließt außerhalb der Spannungsquelle der Strom vom Pluspol zum Minuspol, innerhalb der Spannungsquelle vom Minuspol zum Pluspol. 8 Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen Elektrische Spannungen lassen sich im einfachsten Fall durch Aneinanderreiben zweier verschiedener nichtleitender Stoffe (z. B. van der Waals-Generator /2/) erzeugen. Durch Elektronenübertragung von einem Stoff zum anderen entsteht eine Ladungstrennung. Eine technisch relevante Form der elektrischen Ladungstrennung ist der von Michael Faraday 1831 entdeckte Vorgang der elektromagnetischen Induktion. In diesem Fall geschieht die elektrische Ladungstrennung z. B. in einer in einem Magnetfeld rotierenden Leiterschleife bzw. Spule (Läufer). Infolge der Leiterbewegung im Magnetfeld werden die freien Elektronen aufgrund der Wirkung einer Kraft (Lorenzkraft) abgelenkt. In dem im Magnetfeld rotierenden Läufer verursacht dieser Vorgang eine Ladungstrennung. In der Folge entsteht an den Leiterschleifenenden eine elektrische Spannung, die ihre Polarität periodisch wechselt. Beim geschlossenen Stromkreis fließt ein Induktionsstrom. Dieser Vorgang wird in der Physik auch als Generatorprinzip bezeichnet. Der in den verschiedenen Experimenten zu verwendende Handkurbelgenerator (Dynamo) basiert auf dem beschriebenen elektromagnetischen Induktionsprinzip. Nach der Erfindung des elektrodynamischen Prinzips von Werner von Siemens (1866) wird der im Läufer fließende Induktionsstrom auch zur Erregung des Feldmagneten verwendet. Seitdem spielen Generatoren bei der großtechnischen Spannungserzeugung eine wesentliche Rolle. 9 Erneuerbare Energien Erneuerbare Energien Bei der Spannungserzeugung aus erneuerbaren Energien werden Energieträger eingesetzt, die ihren Energieinhalt ständig erneuern, d. h. praktisch unerschöpflich sind. Diese Energieträger nennt man regenerative Energieträger. Sie beziehen ihren Energieinhalt im Wesentlichen aus der Sonnenenergie, aus der Wind- oder aus der Wasserkraft. Eine Übersicht über die Stromerzeugungen aus regenerativen Energien findet man z. B. in /3/. Fotovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um. Hauptbestandteile dieser Anlagen sind Solarzellen, die großtechnisch in Reihe zu Solarmodulen zusammengeschaltet werden, so dass sich die Solarzellenspannungen zur Gesamtspannung in Solarmodulen addieren (2. Kirchhoffsche Regel oder Maschensatz). Die physikalische Grundlage des fotovoltaischen Wirkungsprinzips basiert auf der Entdeckung des fotoelektrischen Effekts, insbesondere des inneren lichtelektrischen Effekts durch W. Smith im Jahr 1873 /1/. Er fand heraus, dass sich der Ohmsche Widerstand von Selen bei Lichteinfall stark verringert. Zwei Jahre später entdeckten die Engländer W. G. Adams und R. E. Day ein weiteres Phänomen: Sie hatten an den Enden eines kleinen Selenstabes Platindrähte eingeschmolzen. Wurde ein Ende des Selenstabes beleuchtet, so entstand eine Potenzialdifferenz an den Selenstabenden. Damit hatten die beiden Engländer eine völlig neue Form einer Spannungsquelle erfunden - das Fotoelement. Die Fotoelemente wurden im Laufe der Zeit immer weiterentwickelt /1/. 10 Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis Eine Foto- oder Solarzelle entspricht in ihrem Aufbau einer Diode. Wie bei einer Diode grenzt ein p-leitender (p - positiv) Halbleiterbereich an einen n-leitenden (n - negativ) Halbleiterbereich. Ein wichtiger Halbleiterwerkstoff ist das Silicium. Der spezifische Widerstand von Halbleiterwerkstoffen liegt zwischen dem elektrischer Leiter (Metalle) und dem von Nichtleitern. Fügt man dem reinen vierwertigen Silicium einen geringen Fremdstoffanteil dreiwertiger Atome (z. B. Bor) zu, dann steigt die elektrische Leitfähigkeit um das Tausendfache. Es entsteht durch diesen Dotiervorgang ein p-Leiter. Dotiert man Silicium mit fünfwertigen Fremdatomen (z. B. Phosphor), erhält man dagegen einen n-Leiter. Die durch Dotieren entstandenen p- und n-Leiter bleiben weiter nach außen hin neutral. Wenn sich aber pund n-Silicium berühren, setzt zunächst ein Diffusionsvorgang ein, d. h. freie Elektronen aus der n-Schicht wandern durch die Grenzfläche in die p-Schicht und füllen dort die positiv geladenen Löcher. Es entsteht somit an der Grenzfläche zwischen p- und n-Schicht eine ladungsneutrale Zone, die elektrisch nicht leitet. Man nennt diese neutrale Zone auch Sperrschicht. Durch Beleuchtung der Solarzelle trifft ein Teil des Lichts auch auf die Sperrschicht. Die Lichtteilchen (Photonen) treffen hier auf die Siliciumatome mit ihren Bindungselektronen. Durch die einfallenden Photonen erhalten einige dieser Elektronen genügend Energie, um sich von den Siliciumatomen zu lösen. Das Ergebnis dieses Vorganges ist die Entstehung eines freien Elektrons und eines positiven Loches bzw. einer Elektronenlücke. Infolgedessen entsteht in der Sperrschicht ein elektrisches Feld, das eine Ladungstrennung hervorruft /1/. Dieser Vorgang wird als innerelektrischer oder innerer Fotoeffekt bezeichnet. Schließt man einen Verbraucher (z. B. Elektromotor) an die Fotozelle an, entsteht ein geschlossener Stromkreis und es fließt ein sogenannter Fotostrom durch den Motorläufer, der die Motorwelle nach dem elektromotorischen Prinzip /3/ in Rotation versetzt. Das elektromotorische Prinzip stellt die Umkehrung des Generatorprinzips dar, d. h. der durch den Läufer fließende Fotostrom führt zum Aufbau eines Magnetfeldes um die Leiterschleifen des Läufers. Das Läuferfeld und das äußere Magnetfeld überlagern sich. Als Ergebnis bilden sich eine geschwächte und eine verstärkte Zone im resultierenden Magnetfeld heraus, wobei der Läufer in Richtung geschwächter Zone gelenkt wird und sich mit Motorwelle zu drehen beginnt. 11 Ursachen für „Energieverluste“ einer Solarzelle Ursachen für „Energieverluste“ einer Solarzelle 1. Der größte „Energieverlust“ ist durch teilweise Wiedervereinigungen (Rekombinationen) der in der Solarzelle erzeugten Elektron-Loch-Paare bedingt. Die freien Elektronen werden vor allem dann sofort wieder in Elektronenlücken gebunden, wenn die Paarbildung außerhalb der Sperrschicht erfolgt /1/. 2. Nur der sichtbare sowie infrarote Teil des Sonnenlichtspektrums ist in der Lage, den inneren lichtelektrischen Effekt auszulösen. 3. Lichtreflexionen an den Fotomoduloberflächen führen zu weiteren „Energieverlusten“. Je schräger der Lichteinfall auf ein Fotomodul, desto größer werden die Reflexionsverluste. 12 Kondensator Kondensator Kondensatoren bestehen im einfachsten Fall aus zwei Platten oder Folien (Belägen), die durch eine isolierende Schicht (Dielektrikum) voneinander getrennt sind /1/. Durch Anlegen einer Spannung am Kondensator werden die Moleküle des Dielektrikums polarisiert. Die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zwischen den Belägen entstandenen elektrischen Dipole bewirken, dass zusätzlich Ladungen auf den Kondensatorbelägen gebunden werden können. Der Kondensator speichert die zum Aufladen aufgewandte Energie als elektrische Feldenergie. Ein Maß für das Speichervermögen elektrischer Energie eines Kondensators ist die Kapazität. Die Kapazität gibt die Eigenschaft eines Kondensators an, unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung elektrische Ladungen und somit elektrische Energie speichern zu können. Die Kapazität wird in Farad angegeben. Der Kondensator stellt nach dem Aufladevorgang selbst eine Spannungsquelle dar. Seine Spannung steigt beim Aufladevorgang an und ist der angelegten Spannung entgegengerichtet. Erreicht die Gegenspannung des Kondensators den gleichen Betrag wie die angelegte Spannung, dann fließt kein Strom mehr – der Kondensator ist geladen. Bildet man einen einfachen Stromkreis aus einem aufgeladenen Kondensator und einem Lämpchen, dann fließt durch die Leitungen und die Lämpchenwendel der Kondensatorentladestrom. Das Lämpchen leuchtet so lange, bis der Kondensator entladen ist. Der Entladevorgang lässt sich auch durch Verwendung eines Lautsprechers als Verbraucher demonstrieren. Hier ist die schwächer werdende Lautstärke des Lautsprechertons ein akustisches Indiz für den abnehmenden Entladestrom (vgl. Experimente 12 und 13). 13 Brennstoffzelle Brennstoffzelle Eine Brennstoffzelle ist eine technische Anordnung, mit deren Hilfe aus Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische Spannung erzeugt werden kann /4/. Ihre Erfindung geht auf den Engländer W. Grove im Jahr 1839 zurück. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, elektrochemisch verbunden mit einem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und die Katode mit Sauerstoff versorgt. Die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle läuft wie folgt ab: An der Anode gibt der molekulare Wasserstoff Elektronen ab und wird ionisiert. Die frei gewordenen Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Katode und verrichten Arbeit. An der Katode nimmt molekularer Sauerstoff die Elektronen auf und wird ionisiert. Die Sauerstoff-Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Anode und vereinigen sich dort schließlich mit den Wasserstoff-Ionen. Als Gesamtreaktion entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff das Oxidationsprodukt Wasser und nebenbei elektrische Spannung. Eine einzelne Zelle liefert eine Spannung von 0,6 V bis 0,9 V. Durch Reihenschaltung solcher Zellen addieren sich die Einzelspannungen. Man erreicht Spannungen bis ca. 200 V /4/. Brennstoffzellen sind sehr umweltfreundlich und weisen darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad von 35 – 85 % auf /4/. Derzeitige Nachteile stellen vor allem die hohen Produktionskosten dar. Literatur /1/ Grundstufe Elektrotechnik; Ernst Klett Verlag für Wissen und Bildung GmbH; Stuttgart und Dresden 1991; 1. Auflage; ISBN: 3-12-870400-7 /2/ Lindner, H.; Lehrbuch der Physik für Ingenieur- und Fachschulen; VEB Fachbuchhandlung Leipzig /3/ Fachkunde Elektrotechnik; Verlag Europa-Lehrmittel /4/ Duden Physik Gesamtband Sekundarstufe I; Duden Paetic GmbH; Berlin 1. Auflage 2005 14 ENERGIEWANDLUNGEN Experiment 1 Energiewandlungsprozesse zur Lichterzeugung Im Experiment 1 wird ein Beleuchtungsmodul an einen Handkurbelgenerator direkt angeschlossen. Durch kräftiges Drehen der Handkurbel fließt infolge der im Handkurbelgenerator erzeugten elektrischen Spannung ein Induktionsstrom, der die Lampen des an den Generator angeschlossenen Beleuchtungsmoduls zum Leuchten bringt. In diesem Versuch stehen die Energiewandlungen mechanische in elektrische Energie elektrische Energie in Licht- und Wärmeenergie im Vordergrund. Energiewandlungsprozesse im System Handkurbelgenerator mit angeschlossenem Beleuchtungsmodul Die elektrische Energie wird ihrerseits in den Lampen des an den Handkurbelgenerator angeschlossenen Beleuchtungsmoduls in Licht- und Wärmeenergie gewandelt. Die stromdurchflossene dünne Lichtwendel der Lampe strahlt nun Wärme sowie Licht ab (Wärme- und Lichtemission). In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Handkurbel verändert sich die Helligkeit des von den Lampen abgegebenen Lichts. Schnelleres Drehen bewirkt einen Helligkeitsanstieg. Gleichzeitig ist eine größere Erwärmung der Lampen zu beobachten. Der Experimentator sollte einen Zusammenhang zwischen der Quantität der zugeführten mechanischen Energie und der vom System abgegebenen Licht– und Wärmeenergie herstellen. Eine Folgeerkenntnis könnte sein, dass Energiewandlungsprozesse im System immer mit „Energieverlusten“ an die Umgebung einhergehen. 15 Experiment 1 Manuelles Drehen der Kurbel bewirkt eine Zufuhr von mechanischer Energie in den Handkurbelgenerator. Infolgedessen wird im Generator nach dem elektromagnetischen Induktionsprinzip mechanische Energie in Elektroenergie gewandelt (vgl. Möglichkeiten zur Erzeugung von elektrischen Spannungen). ENERGIEWANDLUNGEN Experiment 2 Energiewandlungen beim Betrieb eines Elektromotors Im Experiment 2 dient ein Elektromotor, auf dessen Welle eine Farbscheibe aufzustecken ist, als elektrischer Verbraucher. Auf die für dieses Experiment vorgefertigte Grundplatte ist der Motor an den Handkurbelgenerator anzuschließen, so dass ein einfacher Stromkreis entsteht. Beim Anschluss ist zu beachten, dass der Stecker der schwarzen Motorleitung in die schwarze Buchse und der Stecker der roten Motorleitung in die rote Buchse einzuführen ist. Analog verfährt man mit den elektrischen Hin- und Rückleitungen des Handkurbelgenerators. Die elektrischen Anschlussbuchsen für die Spannungsquelle und den Verbraucher sind in verschiedenen Durchmessern ausgeführt (größere Buchsendurchmesser für den Generator), so dass es zu keinen Verwechslungen beim Anschließen der einzelnen Module kommt und der Aufbau nahezu selbsterklärenden Charakter aufweist. Anhand des Experiments 2 lässt sich die Wandlung der durch Betätigung der Handkurbel dem Generator zugeführten mechanischen in elektrische Energie auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion sowie umgekehrt die Wandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie im Motor, beobachtbar an der Farbscheibenrotation an der Motorwelle, anschaulich demonstrieren. Experiment 2 Auch in diesem Versuch sollte die Erklärung der physikalischen Wirkprinzipien im Vordergrund stehen: Durch Betätigung der Handkurbel wird im Läufer des Generators eine elektrische Spannung induziert (vgl. Möglichkeiten zur Erzeugung von elektrischen Spannungen). Diese Spannung liegt während des Kurbelvorganges an den Anschlussbuchsen des Elektromotors (rote Buchse = Plus; schwarze Buchse = Minus) an. Der durch die Induktionsspannung des Handkurbelgenerators hervorgerufene Induktionsstrom fließt durch den Motorläufer und erzeugt um den Läufer ein Magnetfeld, das sich dem äußeren Magnetfeld des Festmagneten überlagert. Aufgrund der Magnetfeldüberlagerung ergibt sich auf einer Seite des Läufers eine Feldverstärkung und auf der anderen Seite des Läufers eine Schwächung des resultierenden Magnetfeldes. Durch ständige Ablenkung des Motorläufers in Richtung der geschwächten Magnetfeldzone entsteht während des Kurbelvorganges eine permanente Rotationsbewegung der Welle, beobachtbar an der Farbscheibendrehung. Schnellere Kurbelbewegung am Handgenerator erzeugt eine Zunahme der Kreisgeschwindigkeit des Flügelrades, so dass qualitativ ein Zusammenhang zwischen zugeführter (Handkurbelmotor) und abgegebener Energie (Motorwelle mit Flügelrad) sichtbar wird. 16 ENERGIEWANDLUNGEN Experiment 3 Energiewandlung hörbar gemacht Im dritten Experiment wird zunächst der Handkurbelgenerator, der wie in den Experimenten 1 und 2 als Spannungsquelle dient, an entsprechende Buchsen auf der für diesen Versuch vorgefertigten Grundplatte angeschlossen. Als elektrischer Verbraucher dient ein Lautsprecher, der mit der Grundplatte fest verbunden ist. Durch farbrichtiges Einstecken der Hin- und Rückleitung des Handkurbelgenerators (Stecker der schwarzen Leitung in schwarze Buchse; Stecker der roten Leitung in rote Buchse) wird der einfache Stromkreis geschlossen. Kräftige Kurbelbewegungen bewirken das Aussenden eines hohen Tonsignals am Lautsprecher. Vertauscht man die Leiter, also roter Leiter in schwarze Buchse, schwarzer Leiter in rote Buchse, wird kein Ton ausgesendet. Auch hier zeigt sich der Zusammenhang zwischen der dem System Handkurbelgenerator – Lautsprecher zugeführten mechanischen Energie und der am Lautsprecher abgeführten Schallenergie. 17 Experiment 3 Wie schon in den Experimenten 1 und 2 wird mit dem Handkurbelgenerator eine elektrische Spannung induziert. Der Induktionsstrom fließt zum Lautsprecher, wo die elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Lautsprechermembranschwingungen gewandelt wird. Diese Membranschwingungen führen letztlich zur Entstehung von Schallwellen in der Luft, die in unserem Ohr zur Schwingung des Trommelfells führen, die wir als Ton wahrnehmen. Je schneller die Kurbelbewegung, desto lauter hören wir den Ton. SOLARENERGIE Experiment 4 Solarbetriebener Elektromotor Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsquelle starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich) zweckmäßiger Aufbau: Hinweis: Ausgangspunkt ist, dass die Solarzelle farbrichtig auf die Grundeinheit gesteckt wird: rot = Pluspol, schwarz = Minuspol. Experiment 4 Bei Verwendung des weißen Kurzschlusssteckers haben dann jedoch beide inneren Anschlüsse gleiches Potenzial, obwohl sie unterschiedliche Farben haben. Beim Aufstecken des Motormoduls ergibt sich folgende Situation: Wird das Motormodul farbrichtig auf die Grundeinheit gesteckt, so liegt am Pluspol des Motors negatives Potenzial an. Wird das Motormodul so aufgesteckt, dass der Pluspol auch tatsächlich positives Potenzial bekommt, stimmen die Farben nicht mehr. Auf die eigentliche Funktion des Motors und die Aussage des Experimentes hat dies keinen Einfluss, lediglich die Drehrichtung des Läufers ändert sich. Versuchsteil A Beleuchtungsmodul direkt auf der Solarzelle 18 Ergebnisse schon bei mittlerer Drehzahl mit dem Handgenerator dreht sich der Propeller zügig Hinweise schnelleres Kurbeln bleibt ohne Effekt, da die Leistungsfähigkeit der Solarzelle erreicht ist und eine derart kleine Steigerung der Drehzahl des Propellers optisch nicht mehr wahrgenommen werden kann das Beleuchtungsmodul verrutscht sehr leicht und sollte generell fixiert werden in Verbindung mit dem Motor leistet die Solarzelle maximal 0,55 V für Werte um 0,45 V genügt bereits Kurbeln mit 1,5 Hz eine Steigerung der Drehzahl der Kurbel von 2 bis 4 U/s erhöht zwar die Helligkeit des Beleuchtungsmoduls, lässt aber den Propeller nicht schneller drehen, da die Leistungsfähigkeit der Solarzelle erreicht ist SOLARENERGIE Versuchsteil B Ergebnisse Propeller wird langsamer und bleibt schließlich stehen Hinweise Beleuchtungsmodul anheben kurbelt man mit 1,5 Hz, so kann das Beleuchtungsmodul etwa 2 cm angehoben werden, bis der Propeller stehen bleibt Kurbeln mit 4 Hz ermöglicht einen Abstand Beleuchtungsmodul – Solarzelle bis 9 cm Mögliche Auswertung: Beobachtbar ist, dass die Solarzelle nur dann genügend Energie wandelt, wenn das eingestrahlte Licht eine gewisse Mindestintensität hat. Wird der Abstand Solarzelle – Lichtquelle erhöht, so nimmt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit der Entfernung der Lichtquelle ab. Die Energieversorgung des E-Motors verringert sich und der Propeller dreht sich langsamer. 19 Experiment 4 Steigt die Intensität, so steigt auch die Leistungsabgabe der Solarzelle. Ersichtlich wird dies daraus, dass durch verschieden schnelles Kurbeln auch verschiedene Drehzahlen des Propellers reproduziert werden können. SOLARENERGIE Experiment 5 Solarbetriebene Schallquelle Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsquelle starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich) zweckmäßiger Aufbau: Hinweis: Ausgangspunkt ist wieder, dass die Solarzelle farbrichtig auf die Grundeinheit gesteckt wird. Experiment 5 Das Lautsprechermodul muss nun so aufgesteckt werden, dass der positive Anschluss ebenfalls innen liegt, so dass die positiven Anschlüsse beider Module miteinander verbunden sind. Versuchsteil A Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul B Beleuchtungsmodul anheben Ergebnisse 20 das Lautsprechermodul gibt einen Intervallton von mittlerer Lautstärke ab Hinweise schnelleres Kurbeln bleibt ohne Effekt, da die Leistungsfähigkeit der Solarzelle erreicht ist und eine derart kleine Steigerung der Drehzahl des Propellers optisch nicht mehr wahrgenommen werden kann die Lautstärke wird geringer die Intervalle verkürzen sich gleichzeitig im Grenzfall ist der Ton nur noch sehr leise und kratzend das Beleuchtungsmodul verrutscht sehr leicht und sollte generell fixiert werden das Solarmodul erzeugt maximal 1,7 V das Lautsprechermodul gibt erst bei Spannungen ab 4,4 V einen Dauerton ab es kann also immer nur ein Intervallton erzeugt werden ein Abdunkeln des Raumes ist sinnvoll; Näheres dazu siehe Anmerkung SOLARENERGIE Versuchsteil C Solarzelle Ergebnisse das Lautsprechermodul arbeitet nicht, auch nicht bei Beleuchtungszunahme Hinweise das Lautsprechermodul benötigt eine Mindestspannung von 0,8 V die Solarzelle erzeugt aber nur maximal 0,55 V es kann also kein Ton entstehen Erkennbar ist dies rein qualitativ an der Lautstärke des Lautsprechermoduls. Diese verringert sich mit zunehmenden Abstand des Beleuchtungs- zum Solarmodul. Infolgedessen verringert sich die Energieversorgung des Lautsprechermoduls. In Verbindung mit der Solarzelle arbeitet das Lautsprechermodul generell nicht, da die Mindestarbeitsspannung nicht erreicht wird. Anmerkung: Das Lautsprechermodul hat einen sehr geringen Strombedarf. Bei normalen Tageslichtverhältnissen in Räumen wandelt das Solarmodul bereits so viel Energie, dass ein Strom von 16 mA fließt, der ausreicht, um das Lautsprechermodul zwar sehr leise, aber wahrnehmbar arbeiten zu lassen. Wird die Raumbeleuchtung eingeschaltet, so fließt ein Strom von teilweise über 30 mA und der Intervallton des Lautsprechermoduls ist nicht mehr zu überhören. Eine Abdunklung des Raumes ist daher sinnvoll, damit das Lautsprechermodul tatsächlich noch nicht arbeitet, solange es nicht direkt beleuchtet wird. 21 Experiment 5 Mögliche Auswertung: Je stärker das Solarmodul beleuchtet wird, umso größer ist seine Leistungsabgabe an das Lautsprechermodul. Maximale Beleuchtung wird erreicht, wenn das Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul aufliegt. Wird es angehoben, sinkt die Beleuchtungsstärke nach dem Abstandsgesetz mit dem Quadrat der Entfernung der Lichtquelle. SOLARENERGIE Experiment 6 Solarbetriebene Lichtquelle Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich) zweckmäßiger Aufbau: Hinweis: Das LED-Modul muss so aufgesteckt werden, dass die positiven Anschlüsse beider Module miteinander verbunden sind. Experiment 6 LED: Light Emitting Diode (Leuchtdiode) Versuchsteil A Ergebnisse Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul das LED-Modul leuchtet deutlich wahrnehmbar, auch bei Raumbeleuchtung Hinweise B Beleuchtungsmodul anheben das LED-Modul wird kontinuierlich dunkler ist das Beleuchtungsmodul etwa 4-5 cm angehoben, verlischt die LED völlig 22 das Beleuchtungsmodul verrutscht sehr leicht und sollte generell fixiert werden das Solarmodul erzeugt maximal 1,7 V das LED-Modul arbeitet erst bei Spannungen ab 1,4 V es muss also zügig gekurbelt werden bereits ab etwa 3 cm Entfernung des Beleuchtungsmoduls zum Solarmodul fällt Streulicht auf die LED, wodurch nicht erkannt werden kann, dass die LED zu diesem Zeitpunkt noch schwach leuchtet die LED sollte also geeignet abgeschattet werden nur bei senkrechtem Blick auf die LED kann das schwache Leuchten noch erkannt werden SOLARENERGIE Versuchsteil C Solarzelle Ergebnisse die LED leuchtet unter keinen Umständen Hinweise die LED benötigt eine Mindestspannung von 1,4 V, um zu leuchten die Solarzelle erzeugt aber nur maximal 0,55 V siehe Hinweis Mögliche Auswertung: Je stärker das Solarmodul beleuchtet wird, umso größer ist seine Leistungsabgabe an die Leuchtdiode (LED). Die maximale Beleuchtung wird erreicht, wenn das Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul aufliegt. Wird es angehoben, sinkt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit der Entfernung der Lichtquelle. Erkennbar ist dies rein qualitativ an der Leuchtstärke der LED. Diese verringert sich, wenn das Beleuchtungsmodul angehoben wird. In Verbindung mit der Solarzelle arbeitet das LED-Modul generell nicht, da die Mindestarbeitsspannung nicht erreicht wird. Kommentar: Gerade durch den Vergleich der Versuchsteile B und C kann gut demonstriert werden, dass Solarzelle und -modul unterschiedliche Spannungen erzeugen. Dazu ist auch tatsächlich die Verwendung des LED-Moduls notwendig. Würde man sich auf die Versuchsteile A und B beschränken, könnte ebenso gut auch mit dem Glühlampenmodul gearbeitet werden, welches generell eine bessere Erkennbarkeit als das LED-Modul besitzt. Allerdings sollte dem Experimentierenden zum Verständnis der Versuchsergebnisse mitgeteilt werden, dass die LED eine Schwellspannung besitzen. 23 Experiment 6 Hinweis: Prinzipiell leuchtet die LED, angeschlossen an eine externe Stromversorgung, schon bei Spannungen ab 0,9 V. Angeschlossen an das Solarmodul leuchtet sie jedoch erst bei Spannungen ab etwa 1,4 V. Dieser scheinbare Widerspruch liegt darin begründet, dass die LED auch einen gewissen Mindeststrom benötigt, um zu leuchten. Das Solarmodul liefert diesen Mindeststrom erst bei einer Spannung ab etwa 1,4 V, eine externe Stromversorgung ist jedoch unabhängig von der eingestellten Spannung in der Lage, diesen Strom zu liefern. SOLARENERGIE Experiment 7 Von der Solarzelle zum Solarmodul Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät starke Leuchte zweckmäßiger Aufbau: Experiment 7 Hinweis: Zum Anschluss der Verbrauchermodule sind die Hinweise aus den Experimenten 4, 5 und 6 zu beachten. Zusätzlich sind im nebenstehenden Bild alle Module bereits korrekt ausgerichtet. Die folgenden Versuchsergebnisse sind unter der Voraussetzung entstanden, dass mit dem Handgenerator jeweils so schnell wie möglich gekurbelt wurde, um eine maximale Beleuchtung von Solarzelle bzw. -modul sicherzustellen. Versuchsteil mit Solarzelle mit Solarmodul Motor dreht sich mäßig schnell Lautsprecher kein Ton zu hören Glühlampe glimmt äußerst schwach Leuchtdiode (LED) nur bei konzentriertem Hinsehen zu bemerken; Abdunklung wäre sinnvoll im Sonnenlicht oder bei anderer direkter Beleuchtung mit entsprechendem Streulicht nicht mehr zu erkennen bleibt dunkel 24 dreht sich deutlich schneller erzeugt Intervallton von mittlerer Lautstärke flackert bei mittelschnellem Kurbeln leuchtet deutlich bei sehr schnellem Kurbeln Näheres siehe Hinweis 1 leuchtet schon bei mittlerer Drehzahl des Handgenerators Näheres siehe Hinweis 2 SOLARENERGIE Hinweis 1: Die Glühlampe leuchtet zwar deutlich wahrnehmbar, aber insgesamt nicht sonderlich hell. Bei Beleuchtung mit dem Beleuchtungsmodul bricht die Spannung des Solarmoduls unter dem Widerstand der Glühlampe auf etwa 1...1,1 V zusammen. Bei Beleuchtung durch einen Strahler, der sich dann idealerweise in einer Entfernung bis 20 cm befindet, erzeugt das Solarmodul auch mit der Glühlampe als Last Spannungen um 1,6 V und damit fast seine Höchstspannung. Damit leuchtet die Glühlampe bereits sehr deutlich. Wird der Versuch im Sonnenlicht durchgeführt, so wird das Leuchten der Glühlampe, bedingt durch die viel höhere Umgebungshelligkeit, als viel schwächer wahrgenommen. Mögliche Auswertung: Mit dem in der Anleitung gegebenen Hinweis, dass Lautsprechermodul und LED eine bestimmte Mindestspannung benötigen, kann sofort gefolgert werden, dass das Solarmodul diese Mindestspannung erreicht bzw. überschreitet, die Solarzelle jedoch nicht. Die Notwendigkeit einer exakten Untersuchung ergibt sich daraus unmittelbar und Experiment 8 kann sich anschließen. 25 Experiment 7 Hinweis 2: Auch bei Beleuchtung durch das Beleuchtungsmodul erzeugt das Solarmodul zwar Spannungen um 1,6 V, jedoch leuchtet die LED auch damit nur mäßig hell. Das Leuchten der LED im Sonnenlicht erkennen zu wollen, erscheint aussichtslos, weshalb die Beleuchtung durch einen Strahler der direkten Beleuchtung durch die Sonne unbedingt vorzuziehen ist. Generell ist es trotzdem sinnvoll, das LED-Modul etwas abzuschatten, bspw. durch ein Stück Pappe. SOLARENERGIE Experiment 8 Teilverschattung von Solarzelle und Solarmodul Allgemeine Vorbemerkungen: Die Versuche 1 und 2 werden bei normaler Raumbeleuchtung durchgeführt. Unter diesen Bedingungen liefert die Solarzelle einen maximalen Strom von etwa 1 mA. Ein handelsübliches Vielfachmessgerät hat einen Strombedarf von etwa 1 µA, kann also ohne weiteres angeschlossen werden. Das Glühlampenmodul hat einen Strombedarf von bis zu 70 mA. Angeschlossen an das unbeleuchtete Solarmodul leuchtet die Glühlampe nicht, die Spannung des Solarmoduls bricht bei dem kleinen Innenwiderstand der Glühlampe sofort auf 0 V zusammen. Deshalb ist im Versuch unbedingt eine Beleuchtung notwendig. Diese sollte eine Leistung von nicht unter 60 W haben und darf nicht weiter als 15 cm vom Solarmodul entfernt werden. Versuch 1: Experiment 8 Typische Spannungen bei üblicher Raumbeleuchtung: Versuch Solarzelle... Spannung in Volt a nicht bedeckt 0,32 b zu einem Viertel bedeckt 0,30 c zur Hälfte bedeckt 0,27 d zu drei Vierteln bedeckt 0,20 e völlig bedeckt 0 Schlussfolgerung: Je kleiner die beleuchtete Fläche der Solarzelle ist, umso geringer ist auch ihre Leistungsfähigkeit. Die Leistungsfähigkeit nimmt nicht im gleichen Verhältnis wie die beleuchtete Fläche ab. 26 SOLARENERGIE Versuch 2: Das Solarmodul entsteht aus einer Reihenschaltung von zwei Solarzellen. Alle Messergebnisse lassen sich damit erklären, dass sich in einer Reihenschaltung alle Teilspannungen zu einer Gesamtspannung addieren. Versuch Abdeckung des Solarmoduls Spannung in Volt a beide nicht bedeckt 0,63 … 0,64 b rechte Zelle bedeckt 0,31 Erklärung beide Zellen arbeiten entspricht dem doppelten Wert aus 1a Wert wie bei 1a nur noch eine Zelle arbeitet, die Teilspannung der anderen Zelle ist 0 V, siehe 1e linke Zelle bedeckt 0,33 Erklärung analog 2 b d beide Zellen zur Hälfte bedeckt 0,51 beide Zellen arbeiten nur noch zur Hälfte Wert ist (etwa!) das Zweifache von 1c Teilspannung einer Zelle ist 0 V andere Zelle arbeitet zur Hälfte Wert daher wie bei 1c e eine Zelle ganz, eine halb bedeckt 0,27 Experiment 8 c 27 SOLARENERGIE Versuch 3: Hinweis: Der Aufbau der Schaltung ist in den drei folgenden Varianten möglich: Experiment 8 Da über die Solarzelle die Spannung gemessen werden soll, ist Variante 1 nicht möglich, da der Kurzschlussstecker keine Anschlussmöglichkeit bietet (vgl. linkes Bild). Der Austausch des Kurzschlusssteckers gegen eine Leitung ermöglicht den Anschluss des Messgerätes (siehe mittleres Bild). Um die Übersicht beim Schaltungsaufbau zu bewahren, sollten generell für die Plus- und Minusseite getrennte Leiterfarben benutzt werden. 28 SOLARENERGIE In diesem Versuch wird eine Reihenschaltung von Solarzellen und einer Lampe erstellt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Pluspol der einen mit dem Minuspol der anderen Solarzelle verbunden wird. Versuchsergebnisse: Versuch Abdeckung der Solarzelle Spannung in Volt 1 keine 1,65 V Lampe leuchtet hell 2 ein Viertel abgedeckt 1,58 V Lampe leuchtet hell 3 zur Hälfte abgedeckt 1,39 V Lampe leuchtet deutlich schwächer, aber noch immer auch ohne Schatten gut zu erkennen 4 drei Viertel abgedeckt 0,23 V Lampe leuchtet nicht 5 rechte Zelle bedeckt 0,02 V Lampe leuchtet nicht 6 linke Zelle bedeckt 0,03 V Lampe leuchtet nicht Experiment 8 Ergebnis Erklärungen und Hinweise: Die Versuche zeigen, dass eine zunehmende Abdeckung aller Zellen des Solarzellenmoduls zu deren kontinuierlicher Leistungsabnahme führt. Darüber hinaus bewirkt eine vollständige Abdeckung von nur einer Solarmodulzelle, dass der für den Glühlampenbetrieb notwendige Strom nicht mehr durch die vollständig abgedeckte und damit inaktive Solarzelle fließen kann. Das Glühlampenlicht erlischt. Da die Lichtintensität mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt, muss zur Erzielung reproduktiver Ergebnisse darauf geachtet werden, dass während der Versuchsserie der Abstand der verwendeten Lichtquelle zum Solarmodul nicht verändert werden darf. 29 WINDENERGIE Allgemeine Vorbemerkungen zum Versuchskomplex „Windenergie“ Der Aufbau der Versuche im Komplex „Windenergie“ ist unproblematisch. Der in den Anleitungen genannte Winderzeuger besteht aus dem eigentlichen Lüfter und einem Aufsteckmodul, mit dem die Baugruppe auf der Grundeinheit befestigt wird. Da der Lüfter nur bei polrichtigem Anschluss der Versorgungsspannung arbeitet, muss beim Aufbau der Schaltung auf Farbrichtigkeit der Anschlüsse geachtet werden. Dadurch ergeben sich zwangsläufig die richtige Dreh- und Ausblasrichtung des Lüfters (beide sind zudem durch Pfeile auf dem Lüftergehäuse gekennzeichnet). Der in den nachfolgenden Versuchen im Generatorbetrieb arbeitende Motor sollte zur optimalen Versuchsausführung so angeordnet werden, dass bei paralleler Lage von Windrad (Propeller) und Lüfter deren Mittelpunkte auf einer Achse liegen. Das Windrad (Propeller) am Generator sollte nicht bis zum Anschlag auf die Generatorwelle gesteckt werden, da sich die Läuferrotation dadurch deutlich verlangsamt. Ca. 1 mm Abstand bis zum Anschlag ist ausreichend. Während der Durchführung der Versuche ist darauf zu achten, dass sich sowohl vor dem Lüfter, auf der Ansaugseite als auch hinter dem Motormodul in einer Entfernung von etwa 40 cm keinerlei Gegenstände oder Hindernisse befinden. Eine Störung der Luftströmung durch Hindernisse führt zu einer Drehzahlverringerung bis zum Stillstand des Windrades und infolgedessen zur Verringerung oder zum Zusammenbruch der Generatorspannung. Für den Betrieb mit dem Handgenerator ist es notwendig, den Lüfter mit Maximaldrehzahl zu betreiben. 30 WINDENERGIE Experiment 9 Akustische Windstärkeanzeige Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät zweckmäßiger Aufbau: Experiment 9 Wie in der Anleitung angegeben, wird kräftig und zügig mit dem Handgenerator gekurbelt. Dabei wird nach dem Anlaufen des Motors mit unverminderter Drehzahl weiter gekurbelt. Ergebnis das Windrad fängt an, sich bei relativ hoher Drehzahl des Lüfters zu drehen etwa 4-5 Sekunden später ertönt der Lautsprecher mit einem Dauerton Auswertung: Die Auswertung durch die Experimentatoren ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle mit Propeller wird durch den Luftstrom des Lüfters bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d. h. mechanische Energie des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie gewandelt, die wiederum im Lautsprecher eine Wandlung in mechanische Schwingungsenergie der Lautsprechermembran erfährt. Die daraufhin entstehende Schallwelle in der Luft führt schließlich in unserem Ohr zu Tönen. 31 WINDENERGIE Experiment 10 Windstärkeanzeige mittels Leuchtdiode (LED) Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät zweckmäßiger Aufbau: Experiment 10 Vor und nach dem Anlassen des Elektromotors muss intensiv die Kurbel des Handgenerators betätigt werden. Ergebnis die Generatorwelle fängt an, sich bei relativ hoher Drehzahl des Lüfters zu drehen sobald die Generatorwelle genügend schnell rotiert, leuchtet die Leuchtdiode (LED) Hinweis damit die LED stark leuchtet, muss der Lüfter mit Spannungen größer 10 V betrieben werden wird der Lüfter mit Spannungen bis 9,5 V betrieben, wobei der Generator u. U. von selbst anläuft, so flackert die LED zwischen geringer und mittlerer Helligkeit reduziert man nach dem Anlaufen des Generators die Lüfterdrehzahl, so verlischt die LED Auswertung: Die Auswertung durch den Experimentierenden ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle mit Propeller wird durch den Luftstrom des Lüfters bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d. h. mechanische Energie des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie gewandelt, die wiederum in der LED eine Wandlung in Lichtenergie erfährt. 32 WINDENERGIE Experiment 11 Windrichtung und Energieausbeute Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät Vielfachmessgerät zweckmäßiger Aufbau: Drehrichtung Drehwinkel mit dem Uhrzeigersinn bis 30 Grad bis 45 Grad ab 50 Grad Ergebnis LED leuchtet stark beginnt erst ab 30° schwächer zu leuchten LED leuchtet zeitweise noch mit mittlerer Helligkeit auf bleibt jedoch überwiegend dunkel bzw. leuchtet nur äußerst schwach LED bleibt dunkel gegen den Uhrzeigersinn 20 Grad 30 Grad ab 40 Grad Experiment 11 Es ist kräftig und zügig mit dem Handgenerator zu kurbeln, damit der Lüfter über die ganze Zeit mit Maximalspannung betrieben werden kann. Motor dreht sich längere Zeit noch zügig, wird dann aber unvermittelt langsamer und bleibt stehen LED wird zwischendurch kurzfristig dunkel leuchtet ansonsten recht hell LED ist überwiegend dunkel glimmt selten noch schwach auf LED leuchtet gar nicht mehr Motor dreht sich aber noch 33 WINDENERGIE Auswertung: Die Auswertung durch den Experimentierenden ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle mit Propeller wird durch den Luftstrom bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d. h. mechanische Energie des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie gewandelt, die wiederum in der LED eine Wandlung in Lichtenergie erfährt. Wird das Motormodul aus dem Luftstrom gedreht, egal in welche Richtung, so gibt es eine geringere Leistung ab, erkennbar an der zunächst flackernden und schließlich völlig verlöschenden LED. Die Konsequenz daraus ist, dass Windradanlagen so konstruiert sein sollten, dass sie immer optimal in den Wind gedreht werden können, da sich schon bei geringen Winkelabweichungen erhebliche Leistungseinbußen einstellen. Eine weitere Erkenntnis sollte sein, dass ein Motor als Generator arbeiten kann (oder umgekehrt). Experiment 11 Kommentar: Infolge der turbulenten Luftströmung schwanken die Generatordrehzahlen erheblich, was am Lichtflackern der LED erkennbar ist. Daraus folgt, dass es erforderlich ist, das Verhalten des im Generatormodus arbeitenden Motormoduls bei jedem Drehwinkel längere Zeit zu beobachten. Es ist vorstellbar, dass es mit der Zeit für den Experimentierenden recht anstrengend wird, den Lüfter mittels der Handkurbel mehrere Minuten auf höchster Drehzahl zu halten, denn die Handkurbel erzeugt beim Betrieb des Lüfters einen deutlichen Widerstand. Hier sollte überlegt werden, ob nicht von vornherein ein Spannungsversorgungsgerät eingesetzt wird. Dass der als Generator arbeitende Motor bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn schon bei kleineren Drehwinkeln seine Leistungsabgabe stärker reduziert als bei Drehung im Uhrzeigersinn, hat seinen Grund vermutlich darin, dass die Drehachse des Generators unter der Drehachse des Lüfters liegt. Somit liegen jeweils die oben befindlichen Flügel des Motors im Hauptluftstrom, werden am stärksten angeströmt und tragen so am stärksten zur Antriebsleistung bei. Die nachfolgende Abbildung soll dies verdeutlichen. 34 WINDENERGIE Hinzu kommt, dass sich (im Bild von rechts blickend) hinter den unten befindlichen Flügeln des Windrades die Halterung des Generators befindet. Diese stellt einen erhöhten Strömungswiderstand für die Luft dar, die die unten befindlichen Flügel anströmt, was dazu beiträgt, dass die Strömung im Bereich der unteren Flügel zusätzlich geschwächt wird. Der Einfluss des Verhaltens der oberen Flügel wird damit größer und Luftturbulenzen sind die Folge. 35 Experiment 11 Die grüne Linie kennzeichnet die Drehachse des Lüfters, während die rote Linie der Drehachse des Generatormoduls entspricht. Deutlich zu sehen ist, dass beide Achsen nicht fluchten. ENERGIESPEICHERUNG Experiment 12 Energiespeicher für Solaranlage Geräte zur möglichen Ergänzung: starke Leuchte zweckmäßiger Aufbau: Experiment 12 Aufladen des Kondensators Entladen des Kondensators Hinweise zur Durchführung: Die Module sollten generell so gesteckt werden, dass die roten Anschlüsse nach innen zeigen. Zur Beleuchtung kann auch eine starke Leuchte (ab etwa 60 W) genutzt werden. Der Abstand zum Solarmodul sollte dann nicht größer als 30 cm sein. Die Aufladezeit von einer Minute sollte keinesfalls unterschritten werden. Nur so ist die maximale Spannung am Kondensator von 1,6 V zu erreichen. Ergebnis: Nach Aufstecken des Lautsprechers gibt dieser nach wenigen Sekunden einen Dauerton ab. Der Dauerton geht nach einiger Zeit in einen Intervallton mit immer kürzer werdenden Intervallen über. Schließlich wird der Ton mit der Zeit leiser. Der Lautsprecher kann auf jeden Fall länger als zwei Minuten mit dem Kondensator betrieben werden. Liegen die Zeiten darunter, ist der Kondensator nicht vollständig aufgeladen worden (zu kurze Beleuchtung). Auswertung: Der Kondensator ist in der Lage, durch Aufladung Energie zu speichern und durch Entladung wieder abzugeben. 36 ENERGIESPEICHERUNG Experiment 13 Energiespeicher für Windkraftanlage zweckmäßiger Aufbau: Entladen des Kondensators Hinweise zur Durchführung: Beim Entladen sind die Module so zu stecken, dass die roten Anschlüsse nach innen zeigen. Für den Aufladevorgang des Kondensators werden Generator- und Kondensatormodul farbrichtig miteinander verbunden. Die Aufladezeit von einer Minute sollte keinesfalls unterschritten werden. Nur so ist die maximale Spannung am Kondensator von 1,6 V zu erreichen. Ergebnis: Nach Aufstecken des Lautsprechers gibt dieser nach wenigen Sekunden einen Dauerton ab. Der Dauerton geht nach einiger Zeit in einen Intervallton mit immer kürzer werdenden Intervallen über. Schließlich wird der Ton mit der Zeit leiser. Der Lautsprecher kann länger als zwei Minuten mit dem Kondensator betrieben werden. Liegen die Zeiten darunter, ist der Kondensator nicht vollständig aufgeladen worden (zu kurze Beleuchtung). Auswertung: Der Kondensator ist in der Lage, durch Aufladung elektrische Energie zu speichern und durch Entladung wieder abzugeben. 37 Experiment 13 Aufladen des Kondensators BRENNSTOFFZELLE Experiment 14 Wasserzerlegung mittels Elektrolyseur? zweckmäßiger Aufbau: Experiment 14 Hinweis: Für die Vorbereitung der Brennstoffzelle ist ein Zeitbedarf von etwa 15 min zu kalkulieren. Ergebnisse: Was ist an der Brennstoffzelle und den Gasbehältern zu beobachten? Die Gasbehälter füllen sich langsam. In der Brennstoffzelle entsteht Gas, welches in die Schläuche gedrückt wird. Die Gasmenge im Wasserstoffbehälter ist größer als im Sauerstoffbehälter. Was macht also der Elektrolyseur? Er spaltet Wasser in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Anmerkung: Mit einer Wasserfüllung der Brennstoffzelle ist es nicht möglich, die Gasbehälter vollständig zu füllen. Eine Wasserfüllung reicht nur zur Erzeugung von etwa 4 ml Wasserstoff und 2 ml Sauerstoff. Während der Erzeugung der Gase ist auf Grund des Strombedarfs der Brennstoffzelle am Handgenerator ein deutlicher mechanischer Widerstand zu spüren. Ist der Wasservorrat aufgebraucht, so merkt man deutlich, dass sich der Handgenerator viel leichter ankurbeln lässt. Um die Gasbehälter zu füllen, müsste man die Brennstoffzelle mindestens dreimal frisch mit Wasser befüllen. Dies ist aber nicht nötig, denn für die folgenden Experimente ist eine Gasmenge von 4 ml Wasserstoff bzw. 2 ml Sauerstoff vollkommen ausreichend. Auswertung: In Abhängigkeit davon, wie exakt die Gasbehälter zuvor mit Wasser befüllt worden sind, wird man feststellen können, dass etwa doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff bei der Elektrolyse entstanden ist. Entsprechend lautet die Summenformel H2O. 38 BRENNSTOFFZELLE Experiment 15 Brennstoffzelle als Motorantrieb Experiment 16 Tonerzeugung im Lautsprecher als Brennstoffzelle Experimente 15|16 zweckmäßiger Aufbau: Ergebnisse: Was passiert? Die Motorwelle beginnt sich zügig zu drehen (Experiment 15). Der Lautsprecher ertönt (Experiment 16). Was geschieht mit dem Gas in den Vorratsbehältern? Das Gasvolumen verringert sich langsam. Erklärung der Beobachtung: Die chemische Energie der Gase wird in der Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt. Damit kann der Motor betrieben werden (Experiment 15). Damit können Schallwellen mittels des Lautsprechers erzeugt werden (Experiment 16). 39 ENERGIE SPAREN Experiment 17 Energiebedarf verschiedener Verbraucher zweckmäßiger Aufbau: Experiment 17 Hinweis: Die roten Buchsen sollten generell nach innen zeigen. Damit ist in jedem Falle die richtige Polung sichergestellt. Ergebnisse: Modul Motor Minimalbedingungen Rangfolge Energiebedarf beginnt zu drehen, wenn man das Solarmodul am Fenster stehend in Richtung Himmel ausrichtet 2 gibt schon bei Raumhelligkeit ohne zusätzliche Beleuchtung einen Ton ab 1 Glühlampe Sonne oder Strahler notwendig 3 LED Sonne oder Strahler notwendig 3 Lautsprecher Bemerkung: Der Betrieb einer Glühlampe oder LED führt im Vergleich zu den beiden anderen im Versuch eingesetzten elektrischen Verbrauchern zum höchsten elektrischen Energiebedarf. Beispielsweise wandelt eine Glühlampe lediglich 5% der zugeführten elektrischen Energie in Lichtenergie. 40 Notizen Notizen 41 Notizen Notizen 42
