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leXsolar NewEnergy Ready-to-go Bedienungsanleitung

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leXsolar-NewEnergy
Ready-to-go
Lehrerheft

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Inhaltsverzeichnis
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Inhaltszusammenfassung für leXsolar NewEnergy Ready-to-go

  • Seite 1 Ready-to-go Lehrerheft...
  • Seite 2 KvRRPRHAPowerModul vvRRPFRABeleuchtungsmodul vvRRPFHABuzzerAmodule v/RRPvHADistilledAwaterApvRRAmlS KvRRPRBAAVPModule vvRRPFHAHupenmodul v/RRPvHADestilliertesAWasserApvRRAmlS KvRRPRBAAVPModul vfRRPFFAWindAturbineAmoduleA vvRRPFKASolarAcellAcoverAset vvRRPvKAleXsolarPBaseAunitALarge vfRRPFFAWindturbinenmodulA vvRRPFKASatzAmitAAbdeckungAf(ASolarzelle vvRRPvKAleXsolarPGrundeinheitAgroß vvRRPRFASolarAmoduleAR(HAVVA/fRAmA vfRRPFvAWindArotorAsetApassembliedS FxLFPRkPRBBAShortPcircuitAplug vvRRPRFASolarmodulAR(HAVVA/fRAmA FxLFPRkPRBBAKurzschlussstecker vfRRPFvAWindrotorenApmontierterASatzS Version4number LFPRkPRkCAReversibleAFuelAcell LFPRkPRvF)RvBATestAleadAFHAcmAblack)red Versionsnummer LFPRkPRkCAReversibleABrennstoffzelle LFPRkPRvF)RvBAMessleitungAFHAcmAschw()rot LFPRkPRvf)RvHATestAleadAHRAcmAblackApFxS)red vKRRPRvAWaterAwheelAmodule LFPRkPRvf)RvHAMessleitungAHRAcmAschw(ApFxS)rot vKRRPRvAWasserradmodul vkRFPRFAHandAgenerator vkRFPRvAleXsolarPBaseAunitAsmall III-01.24_L3-03-259_22.05.2019 vkRFPRFAHandgeneratormodul vkRFPRvAleXsolarPGrundeinheitASmall LFPRFPRHvASiliconeAtubeAvFAmm v/RvPRFAElectricAmodelAcar LFPRFPRHvASilikonschlauchAinnenAvFmm v/RvPRFAElektroPModellfahrzeug www.lexsolar.com...

  • Seite 3: Inhaltsverzeichnis

    NewEnergy Ready-to-go Konzeption von leXsolar - NewEnergy Ready-to-go.....................5 Bezeichnung und Handhabung der Experimentiergeräte.....................6 Experimente Grundschule 1. Aus Muskelkr ........................ 18 ...................... 20 3. Aus Muskelkraft ....................... 23 4. Aus Sonnenen ....................26 ......................29 6. Die Fläche einer Solarzelle ............................33 7.
  • Seite 4 Experimente Sekundarstufe 1 1. Energieformen und Verbraucher ..........................69 2.1 Der Grundaufbau für Farbscheibenexperimente ....................71 2.2 Farbeigenschaften ..............................72 2.3 Die additive Farbmischung ............................73 2.4 Optische Täuschungen mit der Benham-Scheibe ....................74 2.5 Optische Täuschungen mit der Relief-Scheibe ...................... 75 3.

  • Seite 5: Konzeption Von Lexsolar - Newenergy Ready-To-Go

    Gute Lehrplanintegration möglich Ziel: Ziel von leXsolar - NewEnergy Ready-to-go ist es, den Schülern das Thema Energie anschaulich und durch eigenes Erleben verständlich zu machen. Eine zentrale Rolle spielt dabei auch das Thema Energieumwandlung. In der vorliegenden Version des leXsolar - NewEnergy Ready-to-go bilden die Sonnenergie, die Windenergie und die Wasserkraft die möglichen Energiequellen.

  • Seite 6: Bezeichnung Und Handhabung Der Experimentiergeräte

    Bezeichnung und Handhabung der Experimentiergeräte leXsolar-NewEnergy Ready-to-go In der folgenden Auflistung werden alle im leXsolar-NewEnergy Ready-to-go Koffer enthaltenen Einzelteile aufgeführt. Zu jeder Komponente finden Sie die Bezeichnung mit Artikelnummer, eine Abbildung, das Piktogramm in den Versuchsaufbauten und Hinweise zur Bedienung. Mit Hilfe der Artikelnummer können Sie jedes Einzelteil separat nachbestellen.
  • Seite 7 Winderzeuger 1400-19 Der Winderzeuger dient zur kontrollierten Steuerung des Windes für das Experimentieren mit der Windturbine. In den Experimenten wird der Winderzeuger mit dem PowerModul oder der Handkurbel (Spannungsquelle) verbunden. Hierzu muss der negative (positive) Pol des PowerModuls oder der Handkurbel mit dem negativen (positiven) Anschluss des Winderzeugers verbunden werden.
  • Seite 8 Einsatz gelegt werden. Nach dem Einsetzen der Flügel wird die Nabenkappe aufgesetzt und leicht festgedrückt. leXsolar-Windturbinenmodul 1400-22 Zunächst muss die blaue Windturbine auf die entsprechende Modulplatte gesteckt werden. Auf die Generatorwelle wird dann der montierte Rotor befestigt, um eine kleine Windkraftanlage zu erhalten.
  • Seite 9 Handhabung Fingerschutz für Windturbinenmodul 1400-22 1) An der Windturbine befinden 2) Das Fingerschutzgitter wird Anschließend wird sich wie abgebildet drei kleine auf den Kopf der Windturbine Windrotor auf die Welle der Nasen zum Befestigen des aufgesteckt Windturbine gesteckt. Fingerschutzgitters. unteren beiden Nasen leicht festgedrückt.
  • Seite 10 Technische Daten: Material: polykristallines Silizium Leerlaufspannung: 1,5V Kurzschlussstromstärke: 280mA Spitzenleistung: 0,13Wp Solarmodul 1100-31 2,5V 420 mA Das große Solarmodul besteht aus einer Reihenschaltung von 5 Solarzellen. Technische Daten: Material: polykristallines Silizium Leerlaufspannung: 2,5V Kurzschlussstromstärke: 420mA Spitzenleistung: 1Wp Satz Abdeckung f. Solarzelle 1100-29 Beleuchtungsmodul (1100-20) Das Beleuchtungsmodul wird mit dem PowerModul oder der Handkurbel betrieben.
  • Seite 11 Das AV-Modul ist ein kombiniertes Spannungs- und Strommessgerät. Es besitzt 3 Tasten, deren Funktionen jeweils im Display angezeigt werden. Durch das Drücken einer beliebigen Taste wird das Modul eingeschaltet. Im ausgeschalteten Zustand ist im Display das leXsolar-Logo zu sehen. die Batterien auf der Rückseite ausgetauscht werden (2 x AA Batterien oder Akkus 1,2 bis 1,5V;...
  • Seite 12 Modus der Spannungsmessung ist zu beachten, dass kein Strom zur rechten Buchse fließt. Im kombinierten Modus kann die Spannung sowohl über die rechte als auch die linke Buchse gemessen werden. Der Einfluss des Innenwiderstands der Stromstärkemessung wird intern kompensiert. Der Messwert ist vorzeichenbehaftet. Liegt der positive Pol an einer der roten und der negative Pol an der schwarzen Buchse an, ergibt die Spannungsmessung ein positives Ergebnis.
  • Seite 13 Potentiometermodul 1100-61 Das Potentiometermodul besteht aus einem 0-1 k -Drehwiderstand und einem 0-100 Drehwiderstand. Beide sind in Reihe geschaltet, sodass das Potentiometermodul Widerstände eines Widerstandes liegt bei eineren Drehwiderstand und bei 20 Durch das Potentiometer dürfen keine Ströme von mehr als 190 mA fließen. Glühlampenmodul 1100-26 Das Glühlampenmodul fungiert als Verbraucher in den Experimenten.
  • Seite 14 Das Kondensatormodul besteht aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Die maximale Spannung des Kondensatormoduls beträgt 5,4 V. Zum Aufladen sollte keine höhere Spannung als 5 V angelegt werden. Zum Entladen kann der Kondensator kurzgeschlossen werden, da Sicherungen im Modul eine zu hohe Stromstärke verhindern. Zum schnellen Aufladen kann der Kondensator direkt an die Spannungsquelle (zum Bsp.
  • Seite 15 Reversible Brennstoffzelle L2-06-067 mit destilliertem Wasser (100ml) 1800-15 Die reversible Brennstoffzelle besteht aus einem Elektrolyseur und einer Brennstoffzelle. Zum Befüllen der reversiblen Brennstoffzelle sollte folgendermaßen vorgegangen werden: 1. Befülle die rev. Brennstoffzelle mit destilliertem Wasser wie in nebenstehender Abbildung gezeigt. 2.

  • Seite 17: Experimentier- Und Nachbereitungshinweise

    Der Versuch lässt sich am besten zu zweit oder zu dritt durchführen, sodass ein Schüler kurbeln und die anderen Schüler beobachten können  Die Helligkeit der Lampen lässt sich über die Kurbelgeschwindigkeit steuern.  Beim Verbinden von Handkurbel und Beleuchtungsmodul sollte auf die richtige Polarität geachtet werden (rot an rot und schwarz an schwarz). Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 18: Benötigte Geräte

    Die Lampen leuchten weniger hell. 4. Welche Energieumwandlungen hast du in diesem Experiment beobachtet? Muskelkraft (Bewegungsenergie) wird zunächst in elektrische Energie umgewandelt, die über die Kabel zu den Lampen übertragen wird. Dort wird die elektrische Energie in Licht umgewandelt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 19 Beim Verbinden von Handkurbel und Grundeinheit sollte auf die richtige Polarität geachtet werden (rot an rot und schwarz an schwarz):  Mögliche Erweiterung der Thematik und Auswertung: Es können auch weitere Farbscheiben verwendet werden - dann muss die Auswertung angepasst werden: grün-rot rot-blau grün-blau grün-rot-blau Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 20 3. Stecke die Pappscheibe rot-blau mit den blauen Steckern auf das blaue Rad. Stecke das Rad nun auf den Motor. Hinweis: Wenn nötig, kannst du zum Lösen der Clips von der Rotationsscheibe einen Stecker zu Hilfe nehmen. Drücke den Stecker dazu vorsichtig von unten gegen den Clip. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 21 Die Scheibe dreht sich in die andere Richtung. 7. Welche Energieumwandlungen hast du in diesem Experiment beobachtet? Muskelkraft (Bewegungsenergie) wird in elektrische Energie umgewandelt, welche den Motor antreibt. Der Motor wandelt die elektrische Energie wieder in Bewegungsenergie um. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 22 Beim Durchführen des Versuchs wird es erfahrungsgemäß sehr lautstark zugehen, sodass die Anweisungen möglichst vorher gegeben werden sollten.  Beim Verbinden von Handkurbel und Grundeinheit sollte auf die richtige Polarität geachtet werden (rot an rot und schwarz an schwarz): Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 23: Aus Muskelkraft

    5. Welche Energieumwandlungen hast du in diesem Experiment beobachtet? Muskelkraft (Bewegungsenergie) wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Hupe wandelt die elektrische Energie anschließend in Schall um. (für Fortgeschrittene: also ebenfalls in Bewegungsenergie, nämlich in Schwingung der Luft) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 24 Typische Fehler beim Aufbau: Kurzschlussstecker vergessen, Kabel in Beleuchtungsmodul verkehrt herum eingesteckt  Mögliche Erweiterung der Thematik und Auswertung: Der Versuch kann statt mit dem Motor oder der Hupe auch mit der LED (dann mit Solarmodul) durchgeführt werden. Dann ändert sich die Auswertung folgendermaßen: Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 25 Mit der Solarzelle funktioniert die LED nicht. Die LED funktioniert also nur, wenn man mehrere Solarzellen miteinander verbindet. Die Erklärung ist die gleiche wie bei beim Betrieb der Hupe mit dem Solarmodul, mit dem Unterschied, dass die LED 1,6 V benötigt und daher nur mit mindestens 3 Solarzellen in Reihe funktioniert. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 26: Aus Sonnenen

    Der Motor dreht sich jedoch nicht so schnell wie beim direkten Betrieb des Motors mit dem Handgenerator. 2. Bewege die Grundeinheit langsam aus dem Sonnenlicht bzw. lasse von einem Mitschüler das Beleuchtungsmodul langsam hoch heben. Was beobachtest du? Der Motor wird langsamer und hält schließlich ganz an. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 27 Bewegungsenergie um. Je heller es ist, also je mehr Licht auf die Solarzelle fällt, desto mehr Energie wird umgewandelt und desto schneller dreht sich der Motor. Fällt zu wenig Licht auf die Solarzelle, wird nicht genug Energie für den Betrieb des Motors umgewandelt und er dreht sich daher gar nicht mehr. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 28 Solarzellen. Da die Hupe mindestens 0,4V benötigt, eine einzelne Solarzelle bei Zimmerlicht jedoch maximal diese 0,4V liefert, benötigt man für einen ordentlichen Betrieb 2 Solarzellen in Reihe. Die Spannung der Solarzelle ist dabei fast unabhängig von ihrer Größe.) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 29 Die Hupe hupt jedoch nicht so laut wie im direkten Betrieb der Hupe mit dem Handgenerator 4. Bewege die Grundeinheit langsam aus dem Sonnenlicht bzw. lasse von einem Mitschüler das Beleuchtungsmodul langsam hoch heben. Was beobachtest du? Die Hupe wird leiser und verstummt schließlich ganz. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 30 Bewegungsenergie (Schall) um. Je heller es ist, also je mehr Licht auf die Solarzellen fällt, desto mehr Energie wird umgewandelt und desto lauter tönt die Hupe. Fällt zu wenig Licht auf die Solarzellen, wird nicht genug Energie für den Betrieb der Hupe umgewandelt und sie verstummt daher. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 31 Mit Handkurbel ist die Hupe ziemlich laut, sodass Lautstärkeunterschiede nicht so gut wahrgenommen werden können. Es empfiehlt sich also, den Versuch im indirekten Sonnenlicht durchzuführen.  Typische Fehler beim Aufbau: Kurzschlussstecker vergessen, Kabel in Beleuchtungsmodul verkehrt herum eingesteckt, Hupe verkehrt herum eingesteckt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 32 Kabeln die Handkurbel mit dem Beleuchtungsmodul. Achte dabei darauf, dass du die Anschlüsse mit der richtigen Farbe verbindest (rot an rot und schwarz an schwarz). 3. Verringere nun die Fläche des Solarmoduls, indem du ein Viertel des Moduls mit einem Abdeckplättchen zudeckst (1): Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 33: Die Fläche Einer Solarzelle

    Bewegungsenergie (Schall) um. Je größer die Fläche der Solarzelle ist, desto mehr Energie wird umgewandelt und desto lauter tönt die Hupe. Fällt zu wenig Licht auf die Solarzelle, weil diese abgedeckt ist, wird nicht genug Energie für den Betrieb der Hupe umgewandelt und sie verstummt daher. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 34 Sonne immer senkrecht auf die Anlage einstrahlt. Da dieses Verfahren sehr aufwendig ist, werden Photovoltaikanlagen in einem festen Winkel aufgestellt. Der optimale Winkel hängt vom Standort der Anlage ab. Der optimale Anstellwinkel einer Solaranlage gegenüber dem Boden beträgt in Deutschland ca. 30° 35°. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 35: Die Ausrichtung Von Solarzellen

    3. Du hast vielleicht schon mal ein Solaranlagen-Feld gesehen. Warum werden die Solarzellen in diesen Anlagen schräg aufgestellt? In unseren Breitengraden scheint die Sonne nicht senkrecht auf die Erdoberfläche, sondern unter einem ortsabhängigen Einstrahlwinkel. Um einen möglichst senkrechten Lichteinfall (um die Mittagszeit) zu gewährleisten, werden die Solarzellen schräg aufgestellt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 36 Mögliche zusätzliche Auswertung: Einige Verbraucher brauchen eine bestimmte Mindestspannung, um zu funktionieren. Was kannst du daraus über den Unterschied von Solarzelle und Solarmodul folgern? Beim Solarmodul ist die Spannung höher. Dies wird durch das Hintereinanderschalten von drei Solarzellen erreicht. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 37: Von Der Solarzelle Zum Solarmodul

    Versuch jeweils wiederholt. Notiere jeweils das Verhalten der Verbraucher. 5. Tausche die Solarzelle gegen das Solarmodul aus und wiederhole das Experiment mit allen Verbrauchern. Auswertung Solarzelle Solarmodul Motor dreht sich dreht sich Hupe hupt hupt Glühlampe leuchtet nicht leuchtet leuchtet nicht leuchtet Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 38 Kabel dürfen nicht im Weg der Rotorblätter liegen  Die Lautstärke der Hupe lässt sich gut über die Kurbelgeschwindigkeit steuern  Typische Fehler beim Aufbau: Hupe verkehrt herum eingesteckt, Winderzeuger-Schalter auf aus, Winderzeuger verkehrt herum eingesteckt, Windturbine verkehrt herum eingesteckt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 39: Krach

    Die Hupe hupt. Erkläre Deine Beobachtung! Durch die Handkurbel wird der Winderzeuger angetrieben. Der erzeugte Wind bringt den Propeller zum drehen. Der Generator in der Windturbine wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche die Hupe zum Tönen bringt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 40 Kabel dürfen nicht im Weg der Rotorblätter liegen  Die Helligkeit der LED lässt sich gut über Kurbelgeschwindigkeit steuern  Typische Fehler beim Aufbau: LED verkehrt herum eingesteckt, Winderzeuger-Schalter auf aus, Winderzeuger verkehrt herum eingesteckt, Windturbine verkehrt herum eingesteckt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 41: Aus Windene

    Was passiert mit der LED? Die LED leuchtet. Erkläre Deine Beobachtung! Durch die Handkurbel wird der Winderzeuger angetrieben. Der erzeugte Wind bringt den Propeller zum drehen. Dieser wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche die LED zum Leuchten bringt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 42 Der Versuch ist auch mit der Glühlampe möglich (leuchtet bei optimiertem Profil, bei flachem nicht)  Der Versuch ist auch mit der Hupe möglich (tönt leiser bei flachem Profil)  Typische Fehler beim Aufbau: LED verkehrt herum eingesteckt, Winderzeuger-Schalter auf aus, Winderzeuger verkehrt herum eingesteckt, Windturbine verkehrt herum eingesteckt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 43: Einfluss Des Flügelprofils

    4. Stecke anschließend den Rotor mit dem optimierten Profil auf die Windturbine auf. 5. Schalte den Winderzeuger ein. Kurble kräftig am Handgenerator! Was beobachtest Du am Windturbinenmodul? Der Propeller beginnt, sich zu drehen 6. Was passiert mit der LED? Die LED leuchtet. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 44 LED leuchtet weniger stark beziehungsweise gar nicht mehr. 8. Erkläre Deine Beobachtung! dkraftanlage besser geeignet, weil damit höhere elektrische Energien erreichen werden können. Das liegt an der Form der Flügel, die ähnlich wie eine Flugzeugtragfläche Auftriebseffekte nutzen. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 45 Ausgang der Handkurbel mit dem schwarzen Anschluss des Winderzeugers).  Kabel dürfen nicht im Weg der Rotorblätter liegen  Typische Fehler beim Aufbau: LED verkehrt herum eingesteckt, Winderzeuger-Schalter auf aus, Winderzeuger verkehrt herum eingesteckt, Windturbine verkehrt herum eingesteckt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 46: Abhängigkeit Von Der Windgeschwindigkeit

    Beginnt zunächst mit der höchsten Geschwindigkeit und beobachtet dabei die LED. Lasst euren Mitschüler zunächst gleichmäßig weiterkurbeln und haltet die Hand vorsichtig (!!!) hinter das Windrad, um die Windgeschwindigkeit zu erfühlen. Lasst ihn danach die Kurbelgeschwindigkeit ein wenig verringern, beobachtet die LED und erfühlt anschließend wieder die Windgeschwindigkeit. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 47 Windgeschwindigkeit. Je höher die Windgeschwindigkeit ist, desto heller leuchtet die LED. Wenn man langsam kurbelt, leuchtet die LED nicht. Wenn man sehr schnell kurbelt, leuchtet die LED hell. Reale Windkraftanlagen arbeiten besser bei höheren Windgeschwindigkeiten. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 48  Zum Anlaufen kann dem Wasserrad ein kleiner Anschubser gegeben werden  Der Schlauch sollte für einen ausreichenden Wasserdruck möglichst weit oberhalb des Wasserradmoduls gehalten werden.  Typische Fehler beim Aufbau: Hupe verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 49 Schlauchs, sodass der Wasserstrahl auf das Wasserrad trifft. 5. Notiere deine Beobachtungen! Beobachtungen Wenn sich das Wasserrad zu drehen beginnt, beginnt auch die Hupe zu hupen. Das Wasserrad benötigt etwas Anlaufzeit, um die Trägheit der Rotoren zu überwinden. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 50  Zum Anlaufen kann dem Wasserrad ein kleiner Anschubser gegeben werden  Der Schlauch sollte für einen ausreichenden Wasserdruck möglichst weit oberhalb des Wasserradmoduls gehalten werden.  Typische Fehler beim Aufbau: Hupe verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 51: Je Weiter Das Wasser Fällt, D

    Je weiter das Wasser fällt, desto _schneller_ wird es. Wenn das Wasser mit größerer _Geschwindigkeit_ auf das Wasserrad trifft, ist die _Kraft_ größer und das Wasserrad dreht sich _schneller_. Dadurch fließt mehr _Strom_. Je mehr Strom fließt, desto _lauter_ hupt die Hupe. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 52 Stromstärke, sodass sie im Allgemeinen auch bei schlechteren Lichtverhältnissen ohne zusätzliches Beleuchtungsmodul verwendet werden kann.  Typische Fehler beim Aufbau: Hupe verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen  Der Versuch kann alternativ auch mit dem Motor durchgeführt werden Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 53: Speicherung Von Solarenergie

    3. Lade den Kondensator auf diese Weise für mindestens eine Minute. 4. Ziehe anschließend das Solarmodul von der Grundeinheit ab. 5. Stecke nun die Hupe auf die Grundeinheit und verbinde sie wie unten abgebildet mit dem Kondensatormodul: Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 54 15. Speicherung von Solarenergie Auswertung Was beobachtest du? Die Hupe hupt für einige Zeit. Welche Eigenschaft hat also der Kondensator? Der Kondensator speichert die elektrische Energie aus der Solarzelle und gibt sie dann an die Hupe ab. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 55 Der Kondensator sollte schon während des Kurbelvorgangs abgezogen werden, da sich ansonsten die Stromrichtung umkehrt und der Motor in der Windturbine vom Kondensator angetrieben wird (und sich der Kondensator dadurch wieder entlädt)  Typische Fehler beim Aufbau: Hupe verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 56: Speicherung Von Windenergie

    6. Lasse noch während du kurbelst das Kondensatormodul vorsichtig (!) von einem Mitschüler von der Schaltung trennen! 7. Entferne nun den Winderzeuger und die Windturbine von der Grundeinheit. Stecke die Hupe und den Kondensator wie rechts abgebildet auf die Grundeinheit. Verbinde beide Module mit den Kurzschlusssteckern. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 57 Experiment 16 16. Speicherung von Windenergie Auswertung Was beobachtest du? Die Hupe hupt. Welche Eigenschaft hat also der Kondensator? Der Kondensator speichert die elektrische Energie von der Windturbine und gibt sie dann an die Hupe ab. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 58 Spot das große Solarmodul ausreichend ausleuchtet. Allerdings funktioniert der Versuch am besten bei starker Sonneneinstrahlung.  Wenn das Sonnenlicht nicht ausreicht und keine andere Methode der Beleuchtung besteht, kann stattdessen auch das PowerModul (bei maximal 1,5 V!!!) in Reihenschaltung mit dem Potentiometer Dann muss die Polarität beachtet werden: Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 59: Was Macht Ein Elektrolyseur

    4. Beleuchte das Solarmodul für etwa 10 Minuten mit direktem Sonnenlicht und trenne dann das Solarmodul von der reversiblen Brennstoffzelle. Was kannst du über die Gasmengen in den beiden Behältern sagen? Im Wasserstoffbehälter sammelt sich etwa doppelt so viel Gas wie im Sauerstoffbehälter. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 60 H2: Knallgasprobe O2: Glimmspanprobe 9. Wie ist die gesamte Energiebilanz dieses Experiments, das bedeutet: was hast du hineingesteckt, was ist passiert, was kam heraus? Aufgewandte Energie: Lichtenergie Umwandlung zu: Strom (elektrische Energie) Gespeicherte Energie: Gas (chemische Energie) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 61 Der Name des Gegenstandes, der dazu in der Lage ist, lautet Brennstoffzelle. Diese wandelt die chemische Energie der Gase in elektrische Energie um. Die elektrische Energie kann für andere Anwendungen, wie Motor oder Hupe genutzt werden, wie du in den folgenden Experimenten sehen wirst. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 62: Die Brennstoffzelle Treibt Den Motor An

    5. Was geschieht mit dem Gas in den Speicherzylindern? Die Gasspiegel sinken langsam. (Die Gase werden also verbraucht.) 6. Erkläre deine Beobachtungen! Das Gas wird in der Brennstoffzelle wieder zu Wasser umgewandelt. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die den Motor antreibt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 63: Die Brennstoffzelle Treibt Die Hupe An

    4. Was geschieht mit dem Gas in den Speicherzylindern? Der Gasspiegel sinkt langsam. (Die Gase werden also verbraucht.) 5. Erkläre deine Beobachtungen! Das Gas wird in der Brennstoffzelle wieder zu Wasser umgewandelt. Dabei entsteht elektrische Energie, welche die Hupe antreibt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 64: Mobility

    5. Welche Energieumwandlungen hast du in diesem Experiment beobachtet? Muskelkraft (Bewegungsenergie) wird zunächst in elektrische Energie umgewandelt, die auf dem Kondensator gespeichert wird. Der Kondensator gibt die elektrische Energie wieder ab. Die elektrische Energie wird vom Motor des Autos in Bewegungsenergie umgewandelt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 65 Der Grund dafür ist, dass die Spannung des Solarmoduls gerade ausreicht, um die die LED überhaupt anzutreiben. Um den Energiebedarf von LED und Glühlampe besser vergleichen zu können, sollte Experiment 22 durchgeführt werden.  Typische Fehler beim Aufbau: Verbraucher (Hupe, LED) verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 66: Energiebedarf Verschiedener Verbraucher

    Bereits relativ schwaches Zimmerlicht ist ausreichend __1__ Glühlampe Man braucht direktes Sonnenlicht __4__ (Oder muss das Solarmodul sehr nah an eine Lampe halten) Man braucht direktes Sonnenlicht __3__ (Oder muss das Solarmodul sehr nah an eine Lampe halten) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 67 Ausgang an der Handkurbel muss mit dem roten Anschluss des Winderzeugers verbunden werden und der schwarze Ausgang der Handkurbel mit dem schwarzen Anschluss des Winderzeugers).  Kabel dürfen nicht im Weg der Rotorblätter liegen  Typische Fehler beim Aufbau: LED verkehrt herum eingesteckt, Kurzschlussstecker vergessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 68: Vergleich Von Glühlampe Und Led

    4. Verringere nun langsam die Kurbelgeschwindigkeit, bis die Glühlampe gerade noch leuchtet. Was ist deine Beobachtung? Bei der Glühlampe muss man sehr viel stärker kurbeln. Es ist also sehr viel mehr Windenergie nötig, um die Glühlampe zum Leuchten zu bringen. 5. Welche Art der Beleuchtung ist sparsamer? Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 69: Energieformen Und Verbraucher

    Energieformen um. Hupe und Motor wandeln die elektrische Energie in (Bewegungsenergie) um. Geräusche, die wir wahrnehmen, sind auch Bewegungen Schwingung der Luft. LED Lichtenergie und Glühlampe wandeln die elektrische Energie in um, die Glühlampe zusätzlich noch in thermische Energie/Wärmeenergie Energieformen wandeln sie in andere Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 70 Die Schüler beschreiben die optische Täuschung mit verschiedenen Kombinationen der 3 Grundfarben und entdecken die additive Farbmischung. o Die Schüler beschreiben die optische Täuschung mit der Benham-Scheibe. o Die Schüler beschreiben die optische Täuschung mit der Relief-Scheibe. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 71: Der Grundaufbau Für Farbscheibenexperimente

    2. Auf den Motor wird nun die Rotationsscheibe gesteckt. Gehalten wird die Pappscheibe durch zwei farbige Kunststoffclips. Wenn nötig, kannst du zum Lösen der Clips von der Rotationsscheibe einen Stecker zu Hilfe nehmen. Drücke den Stecker dazu vorsichtig von unten gegen den Clip. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 72: Farbeigenschaften

    Seite genauso wie auf der beleuchteten Seite dunkler als auf der beleuchteten Seite 4. Sättigung: In der Mitte der Scheibe ist der Farbeindruck blasser als am Rand genauso wie am Rand kräftiger als am Rand Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 73: Die Additive Farbmischung

    2. Male nun in der Zeichnung unten die einzelnen Bereiche aus. Fange mit den reinen Farben rot, grün und blau an. 3. Male danach mit Hilfe deiner Beobachtungen an den Farbscheiben die vier Mischbereiche aus. 4. Beschrifte die markierten Bereiche! Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 74: Optische Täuschungen Mit Der Benham-Scheibe

    Experiment 2.4 2.4 Optische Täuschungen mit der Benham-Scheibe Pappscheibe So geht`s: 1. Notiere deine Beobachtungen bei der abgebildeten Scheibe. Obwohl die Pappscheibe schwarzweiß ist, erscheinen bei der Drehung farbige Ringe Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 75: Optische Täuschungen Mit Der Relief-Scheibe

    1. Was siehst du, wenn sich die Scheibe langsam dreht? Falls du nichts siehst, weil sich die Scheibe zu schnell dreht, verschatte die Solarzellen ein wenig (bzw. schalte das Potentiometer in Reihe und erhöhe den Widerstand, wenn du ohne Solarzellen arbeitest)! Bei langsamer Drehung scheint die Scheibe eine räumliche Tiefe zu besitzen. Dabei können verschiedene Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 76 Es sollte daher nur jeweils im Spannungs- beziehungsweise Stromstärkemodus genutzt werden.  Die in der Lösung angegebenen Messwerte sind beispielhaft. Die Messwerte können je nach Beleuchtung variieren.  Bei unzureichenden Lichtbedingungen kann das Beleuchtungsmodul verwendet werden. Es eignet sich dazu eine Powermodulspannung von 5V. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 77: Die Abhängigkeit Der Solarzellenleistung Von Der Beleuchteten Fläche

    2. Stelle die Ergebnisse in Diagrammen dar! (x-Achse: Abdeckungsgrad (0, 1/4, 1/2, 1); y-Achse: sowie 3. Benenne den Zusammenhang zwischen Spannung (Stromstärke, Leistung) und Fläche. 4. Erkläre das Verhalten der Leerlaufspannung und der Kurzschlussstromstärke in Abhängigkeit vom Abdeckungsgrad. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 78 Experiment 3 3. Die Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der beleuchteten Fläche Messwerte Solarzelle abgedeckt zu 0 (ohne 1 (ganz Abdeckung) abgedeckt) 0,50 0,48 0,46 0,42 0,08 (mA) 16,1 11,6 P = U ·I (mW) Diagramme Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 79 Intensität des Lichts. Daher bleibt die Spannung nahezu konstant. Trifft jedoch kein Licht mehr auf das Halbleitermaterial, werden keine Elektronen mehr freigesetzt und das Material wirkt nach außen hin elektrisch neutral. Es entspricht in diesem Fall einer gewöhnlichen Diode. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 80 Die Schüler beschreiben das Verhalten des Motors, wenn die Solarzelle gekippt wird. o Die Schüler ziehen Schlussfolgerungen über die Leistung und den Betrieb realer Solarzellen. Quantitativer Versuch o Die Schüler messen die Kurzschlussstromstärke und Leerlaufspannung einer Solarzelle in Abhängigkeit vom Einfallswinkel. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 81 Das AV-Modul kann bei diesem Aufbau keine zuverlässigen Werte für Spannung und Stromstärke gleichzeitig liefern. Es sollte daher nur jeweils im Spannungs- beziehungsweise Stromstärkemodus genutzt werden.  Die in der Lösung angegebenen Messwerte sind beispielhaft. Die Messwerte können je nach Beleuchtung variieren. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 82 P ~ cos Da die Leerlaufspannung der Solarzelle im Wesentlichen von der Bandlücke des verwendeten Materials und der Dotierung, aber nur in äußerst geringem Maße von der Beleuchtung abhängt, ergeben sich folgende Zusammenhänge: ~ cos = const. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 83: Die Abhängigkeit Der Solarzellenleistung Vom Einfallswinkel Des Lichts (Qualitativ)

    Verkippe nun die Grundeinheit, sodass sie nicht mehr direkt in Richtung der Lichtquelle zeigt. Dabei wird vom Schattenstab ein Schatten geworfen (rechte Skizze). (Hinweis: Für mehr Übersichtlichkeit ist das nötige Verbindungskabel zum Schließen des Stromkreises sowie die Drehscheibe auf dem Motor in den Skizzen nicht mitgezeichnet!) einfallendes Licht einfallendes Licht Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 84 2. Ziehe Schlussfolgerungen über die Leistung der Solarzelle und für den Betrieb realer Solaranlagen. Solarzellen scheinen ihre größte Leistung bei einem geringen Einfallswinkel zu haben. Somit sollten diese möglichst immer senkrecht zur Sonne ausgerichtet werden. Geringe Abweichungen scheinen jedoch keine großen Leistungseinbrüche zu verursachen. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 85: Die Abhängigkeit Der Solarzellenleistung Vom Einfallswinkel Des Lichts (Quantitativ)

    - Diagramm! 3. Beschreibe die Abhängigkeit der Stromstärke bzw. der Leistung vom Einfallswinkel I ~ A, 4. Erkläre diese Abhängigkeit geometrisch unter der Voraussetzung dass also der Strom proportional mit der Fläche anwächst wie in Experiment 3 gesehen! Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 86 = cos (��) ∙ �� I ~ A . Da ist, gilt damit auch, ������ ������������ dass �� = cos (��) ∙ �� cos (��) Da der Gesamtstrom eine Konstante ist, gilt somit auch, dass ��������ℎ���������� ������������ ist. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 87 Spektrum ändert und es zu Messfehlern kommen kann. Bei der Variation der Beleuchtungsstärke über die Anzahl der leuchtenden Lampen kann hingegen eine lineare Abhängigkeit aufgezeigt werden.  Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lange auf der Solarzelle stehen, da ein Temperaturanstieg der Solarzelle die Messwerte verfälscht. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 88: Die Abhängigkeit Der Solarzellenleistung Von Der Beleuchtungsstärke

    ) für jede Lampenanzahl und trage deine Werte in die Tabelle ein. 2. Zeichne das -Diagramm ( ...Anzahl der Lampen)! 3. Benenne den Zusammenhang zwischen Modulleistung und Beleuchtungsstärke (Die Beleuchtungsstärke ist direkt proportional zur Anzahl der Lampen). Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 89 42,3 61,7 81,7 ·I (mW) 10,2 22,0 32,7 43,3 Diagramm Auswertung Je höher die Beleuchtungsstärke, desto größer ist die Leistung. Der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Leistung ist proportional. (Dies erkennt man an der Gerade durch den Ursprung.) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 90 Die Schüler berechnen die Leistung der Solarzelle und die Widerstände der Verbraucher. o Die Schüler vergleichen die Leistung in Abhängigkeit vom Verbraucher. o Die Schüler erkennen, dass ohne weitere Messungen kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Leistung und Widerstand benannt werden kann. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 91: Die Abhängigkeit Der Solarzellenleistung Von Der Last

    Verbraucher und trage deine Werte in die Tabelle ein. 2. Vergleiche die Leistung der Solarzelle bei den verschiedenen Verbrauchern. Ziehe Rückschlüsse zwischen Widerstand und Leistung. Messwerte Glühlampe Motormodul Hupe 1,62 0,88 1,46 1,63 21,5 (mA) 17,7 (mW) 25,8 18,9 82,5 2716,7 3240,0 40,9 Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 92 Leistung für den Betrieb, die höchste Leistung verbraucht das Motor-Modul. Beim Vergleich zwischen Glühlampe und Motor zeigt sich, dass eine geringere Leistung nicht automatisch mit einem höheren Widerstand einhergeht. Für eine tiefergehende Betrachtung muss die I-U-Kennlinie und Leistungskennlinie der Solarzelle mit einbezogen werden. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 93  Vorwissen: o Die Schüler wissen, dass der Füllfaktor ein Maß für die Effizienz der Solarzelle ist. o Die Schüler können den Wirkungsgrad bestimmen.  Hinweis: Diese Messwerte sind beispielhaft. Die Messwerte können je nach Beleuchtung variieren. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 94 Diode mit einer Solarzelle in der gleiche Orientierung von p- und n-Übergang aus und nutzt eine Spannungsquelle, die Leistung aufnehmen kann, verschiebt sich der Graph entlang der Ordinate um den Photostrom nach unten (Siehe nachfolgende qualitative Abbildung). Die U-I-Kennlinie, welche im Experiment 6.2 gemessen Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 95: Die U-I-Kennlinie Und Der Füllfaktor Einer Solarzelle

    Produkt der Spannung U und Stromstärke I bei maximaler Leistung und dem Produkt der Leerlaufspannung U und der Kurzschlussstromstärke I . Berechne den Füllfaktor FF. �� ∙ �� ������ ������ ���� = �� ∙ �� �� �� Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 96 Die U-I-Kennlinie zeigt, dass die Stromstärke mit zunehmender Spannung sinkt. Die maximale Spannung U und Stromstärke I betragen 0,47V beziehungsweise 12,8mA. Die Leistung besitzt bei einer Spannung von 0,35V und einer Stromstärke von 11,4mA ihr Maximum. Mit zunehmenden Abstand zu dieser Spannung sinkt die Leistung bis auf 0W. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 97 ∙ �� ���� �������������������� �� ��,1000 �� 1000 ∙ 12,8���� �� �� ∙ 0,0036�� ���� 840���� �� = 0,0548�� = 54,8���� ���� Berechnung des Wirkungsgrades �� ������ �� = �� ���� 4���� �� = 54,8���� �� = 7,3% Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 98: Die U-I-Kennlinie Einer Solarzelle In Abhängigkeit Von Der Beleuchtungsstärke

    Messwerte Mit einer Glühlampe: 0,35 0,25 0,15 0,05 (mA) P=U·I (mW) 0,16 0,66 0,84 0,78 0,64 0,33 0,17 Mit zwei Glühlampen: U (V) 0,45 0,35 0,25 0,15 0,05 0,02 I (mA) 0,18 1,93 1,83 0,14 P=U·I (mW) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 99 3. Zeichne in ein weiteres Diagramm die U-P-Kennlinien für alle 4 Beleuchtungsvarianten. 4. Vergleiche die U-I-Kennlinien untereinander und erkläre die unterschiedlichen Kurven. 5. Vergleiche die Lage des Punktes maximaler Leistung (Maximum Power Point - MPP) für die unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. Diagramme Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 100 Elektronen-Loch-Paare durch ankommende Photonen gebildet werden. Es stehen somit weniger Ladungsträger zur Verfügung. Der MPP verschiebt sich bei steigender Beleuchtungsstärke hauptsächlich entlang der Ordinate zu größeren Leistungen. Die MPP-Spannung verändert sich nur unwesentlich. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 101  Der Versuch kann auch alternativ mit der LED duchgeführt werden. Diese fängt an, bei etwa 5,5V zu leuchten und leuchtet bei 8V schon sehr hell.  Auch Hupe und Motor können im qualitativen Versuch genutzt werden Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 102: Einfluss Der Windgeschwindigkeit Auf Eine Windturbine (Qualitativ)

    änderst und trage deine Beobachtungen in die Tabelle ein. Auswertung Spannung am Die Glühlampe Winderzeuger hell schwach gar nicht Vervollständige nun den angegebenen Text: Bei größerer Spannung am Winderzeuger ist die Windgeschwindigkeit größer. größer die Windgeschwindigkeit ist, desto heller leuchtet auch die Glühlampe. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 103: Einfluss Der Windgeschwindigkeit Auf Eine Windturbine (Quantitativ)

    Tabelle) und trage deine Werte in die Tabelle ein. Verwende das AV-Modul im Spannungsmodus. Beobachtung Je geringer die Spannung am Netzteil ist, desto geringer ist die Generatorspannung. Das bedeutet, je geringer die Windgeschwindigkeit, desto geringer ist die Generatorspannung. Messwerte v (m/s) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 104 2. Beschreibe den Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit und der Spannung U an der Windturbine. Diagramm Auswertung Bei größerer Windgeschwindigkeit (größere Netzspannung am Winderzeuger) wird auch eine größere Spannung an der Windturbine erzeugt. (Ein linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Windgeschwindigkeit kann vermutet werden.) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 105 Das Experiment eignet sich besonders für die Klassenstufen 8 und 9 oder auch für den Einsatz in einem Projekt zur Windenergie in beliebigen Klassenstufen. Es beleuchtet die Starteigenschaften einer Windkraftanlage empfehlen, da Einsatzbereiche und Standortvoraussetzungen von Windkraftanlagen in der Auswertung diskutiert werden können. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 106: Anlaufgeschwindigkeit An Einer Windkraftanlage

    Werten. Erkläre die Unterschiede. 3. In der angegebenen Karte sind durchschnittliche Windgeschwindigkeiten in Westeuropa dargestellt. Begründe anhand dieser Darstellung, in welchen Gebieten Windkraftanlagen effizient und in welchen Gebieten sie nicht effizient eingesetzt werden können. Quelle: http://www.wind- energie.de/de/technik/entstehung /windpotential (16.11.2010) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 107 Windkraftanlage startet bei ca. 5,5m/s. Die Startgeschwindigkeit ist also höher als bei einer realen Anlage. Mögliche Gründe dafür könnten sein: - keine optimale Form der Rotorblätter - Reibung im Inneren des Motors ist zu groß - Strömung des Winderzeuger zu verwirbelt Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 108 über 5 bis 6 m/s und: nördl. Gebiete Deutschlands und Frankreichs, Gebiete am Mittelmeer (gelb bis grün )  Windenergienutzung möglich, aber weniger effizient. Nicht effizient einsetzbar: Nord- und Mittelitalien, Nordgriechenland, Mittel- und Ostfrankreich Hochgebirge: Alpen, Pyrenäen. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 109 Das Experiment eignet sich besonders für die Klassenstufen 8 und 9 im Themenbereich elektromagnetische Induktion. Die Schüler sollen ihre vorhandenen Kenntnisse zur Elektrizitätslehre für die Begründung der Beobachtungen am Windgeneratormodell anwenden. Außerdem festigen die Schüler ihre Fähigkeiten im Umgang mit Messgeräten in einem übersichtlichen Versuchsaufbau. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 110: Veränderung Der Generatorspannung Durch Zuschalten Eines Verbrauchers

    Verbraucher wie der Motor angeschlossen wird. Auswertung 1. Berechne die Differenz zwischen der Leerlaufspannung und der Spannung unter Last durch Anschluss des Motors. 2. Erkläre, warum sich die Spannung einer Wechselspannungsquelle (hier ein Generator) ändert, wenn an diese ein Verbraucher angeschlossen wird. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 111 Stromkreis und es fließt ein Strom. Die Spannung am Generator verringert sich, da dieser durch den fließenden Strom abgebremst wird. (Ursache: Selbstinduktion, die durch den Stromfluss bewirkt wird und ihrer Ursache, der Drehbewegung, entgegenwirkt). Hierdurch verringert sich die Drehgeschwindigkeit und damit die erzeugte Spannung an der Windturbine. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 112 Induktion und des elektrischen Widerstandes zur Begründung der Beobachtungen anwenden. Es wird insbesondere das Verhalten von Widerständen im Gleichstromkreis beleuchtet und untersucht. Die Schüler sollten in diesem Zusammenhang auch auf mögliche Fehlerquellen (z.B. die Änderung des Widerstandes der Verbraucher während der Messung) hingewiesen werden. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 113: Veränderung Der Generatorspannung Durch Zuschalten Verschiedener Verbraucher

    2. Benenne die Bauteile, die zur größten bzw. kleinsten Änderung der Spannung am Generator führen. 3. Erkläre das beobachtete Verhalten der Spannungen. 4. Ziehe aus den Messergebnissen Schlussfolgerungen für die Widerstände der einzelnen Geräte. Vergleiche sie untereinander (>, <, =). Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 114 Stromfluss ist die entstehende Spannungsdifferenz am größten. Die LED hat also den kleinsten Widerstand, die Hupe den größten. (Achtung! Der Widerstand der Bauteile ist nicht konstant, die Änderungen werden hier vernachlässigt. Die Schüler müssen aber darauf hingewiesen werden.) > > > > Leerlauf Hupe Motor Glühlampe Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 115 Ergebnisse auf die aktuelle Nutzung von Windkraftanlagen übertragen. Durch den einfachen Aufbau ist das Experiment zum Üben des selbstständigen Experimentierens zu empfehlen. Die Zusatzaufgabe leistet einen Beitrag zur Übung des fachsprachlichen Argumentierens mithilfe erster physikalischer Kenntnisse. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 116: Vergleich Von Zwei-, Drei Und Vierblatt-Rotoren (Qualitativ)

    3 Blätter 4 Blätter Auswertung 1. Beschreibe, wie sich die Helligkeit der Glühlampe verändert, wenn sie durch Rotoren unterschiedlicher Flügelzahl betrieben wird. Zusatz: In Deutschland kommen für Windkraftanlagen hauptsächlich Dreiblatt-Rotoren zum Einsatz. Versuche, eine mögliche Erklärung zu finden Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 117 Dreiblatt-Rotor besser. Beim Vierblatt-Rotor treten beim Vorbeidrehen am Turm durch die Verwirbelungen Kräfte an diesem und dem direkt gegenüberliegenden Flügel auf. Bei Dreiblatt-Rotoren wird die Kraft, die sonst auf den entgegengesetzten Flügel wirkt, auf die beiden anderen Flügel gleichmäßig verteilt. Der Materialverschleiß ist dadurch geringer. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 118: Vorbetrachtung: 10.2 Vergleich Von Vergleich Von Zwei-, Drei- Und Vierblatt-Rotoren (Quantitativ)

    Windgeschwindigkeit am Rotor folgt und der günstigeren Lage auf der U-I-Kennlinie. Dieser Zusammenhang gilt nicht für beliebig viele Rotorblätter, da bei zu großer Anzahl auch der Luftwiderstand sehr groß ist und damit die erzeugte Drehbewegung abgebremst wird. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 119 Windkraftanlagen übertragen. Die Schüler festigen ihre Kenntnisse im Umgang mit Messgeräten und in der Interpretation von Diagrammen. Sie übertragen ihre Erkenntnisse aus dem Experiment auf Sachverhalte an realen Windkraftanlagen und üben sich dabei im Umgang mit der Fachsprache des Physikunterrichtes. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 120: Vergleich Von Vergleich Von Zwei-, Drei- Und Vierblatt-Rotoren (Quantitativ)

    Berechne jeweils die Leistung P der Windkraftanlage (P=U*I) und trage deine Werte in die jeweilige Tabelle ein. Messwerte Zweiblatt-Rotor v (m/s) U (V) I (mA) 16,7 22,1 26,9 30,8 35,0 37,4 40,0 P (mW) 25,1 44,2 67,3 89,3 127,2 Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 121: Vergleich Von Zwei-, Drei Und Vierblatt-Rotoren (Quantitativ)

    134,8 158,1 185,3 Auswertung 1. Trage deine Messwerte in das entsprechende Diagramm ein. 2. Beschreibe die Messpunkte. Mit welcher Anzahl an Rotorblättern kann die größte Leistung erzeugt werden, welche erzeugt die geringste? 3. Begründe deine Messergebnisse. Diagramm Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 122 Leistungen erzielen. Der Dreiblatt-Rotor ist bei der hier verwendeten Windturbine am effektivsten, da er mehr kinetische Energie des Windes aufnehmen kann als der Zweiblatt-Rotor aber bei seiner Drehung weniger bremsende Verwirbelungen erzeugt als der Vierblatt-Rotor . Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 123 Einstellen des Potentiometers auf einen bestimmten Widerstand erreicht. Für reale Windkraftanlagen mit Gleichstromgenerator kann aus diesen Erkenntnissen geschlussfolgert werden, dass für den Betrieb mit maximaler Leistung ein bestimmter fester Widerstand angeschlossen werden muss. Dieser entspricht dabei gerade dem inneren Widerstand des Spulenkörpers im Generator. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 124 Zusammenhänge zwischen Windenergienutzung und Aufbau der Windkraftanlage thematisiert. Die Schüler verbessern ihre Fertigkeiten im Umgang mit Messgeräten und führen ein vollständiges Protokoll. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung, Leistung und Widerstand ist auch ein Einsatz des Experimentes in der Sekundarstufe II denkbar. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 125: Kennlinie Einer Windkraftanlage Mit Gleichstromgenerator

    Messwerte U (V) I (mA) 10,5 20,5 28,7 35,7 43,3 69,8 81,3 R ( ) 1176,5 361,9 175,6 118,5 89,6 69,3 54,9 42,6 34,4 27,1 P (mW) 13,6 39,9 73,8 97,6 114,2 129,9 142,8 158,6 167,5 178,9 Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 126 5. Erläutere die Konsequenzen, welche sich aus diesen Ergebnissen für den Betrieb realer Windkraftanlagen mit Gleichstromgenerator ergeben. 6. Die maximale Leistung einer Windkraftanlage hängt also vom Lastwiderstand am Generator ab. Nenne mögliche Effekte oder physikalische Größen, die ebenfalls einen Einfluss auf die Leistung einer Windkraftanlage haben könnten. Diagramm Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 127 Eine Windkraftanlage mit Gleichstromgenerator erreicht ihre maximale Leistung, wenn der Rotor eine bestimmte Spannung erzeugt. Eine Windkraftanlage erreicht ihre maximale Leistung, wenn sie durch einen bestimmten Widerstand belastet wird. Rotorblattform, Windgeschwindigkeit, Ausrichtung zum Wind, Turmhöhe, Rotorgröße, Anzahl der Rotorblätter Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 128 Dieses Experiment eignet sich für den Einsatz in den Klassenstufen 5 und 6 des Anfangsunterrichtes in Physik oder naturwissenschaftlichen Grundlagenfächern. Es ist für das Durchführen erster Experimente im Unterricht geeignet, da der Aufbau sehr übersichtlich ist. Den Schülern wird spielerisch die Abhängigkeit der Windkraftanlage von der vorherrschenden Windrichtung nahe gebracht. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 129: Einfluss Der Windrichtung (Qualitativ)

    Leuchtdiode nicht mehr. Auswertung 1. In den Abbildungen sind Windkraftanlagen dargestellt. Die Pfeile kennzeichnen die Richtung des Luftstromes (Windrichtung). Welche der Anlagen kann die größte Leistung erzeugen, welche die geringste? Begründe mithilfe deiner Beobachtungen aus dem Experiment. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 130 Die Luft strömt nun nicht mehr auf kürzestem Weg an den Rotorblättern vorbei und die Angriffsfläche am Rotor ist geringer, wenn der Winkel (die Richtung der Luft) sich ändert. Anlage 1 erzeugt die größte Leistung, Anlage 3 die geringste. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 131: Vorbetrachtung: 12.2 Einfluss Der Windrichtung (Quantitativ)

    Einsatz in einem Projekt zur Windenergie oder zu regenerativen Energien zu empfehlen. Die Schüler üben ihre Fertigkeiten im Umgang mit Messgeräten. Es wird die Abhängigkeit zwischen Leistung und Windrichtung an einer Windkraftanlage untersucht und die Schüler entwickeln eigene Lösungen zu einem vorgegebenen Problem der Thematik. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 132: Einfluss Der Windrichtung (Quantitativ)

    Windrotor, die durch cos α dargestellt wird. 3. Die Richtung, aus der strömende Luft auf eine Windkraftanlage trifft, ist für die erzeugte Spannung von Bedeutung. Beschreibe eine Möglichkeit der Veränderung einer Anlage, um immer die maximale Spannung erzeugen zu können. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 133 α-Diagramm ist daher ein annähernd linearer Zusammenhang erkennbar. Die Spannung nimmt also mit abnehmender Angriffsfläche linear ab. Um immer die maximale Spannung zu erzeugen, muss der Rotor der Windkraftanlage bei wechselnder Windrichtung gedreht werden. Der Rotor sollte jeweils so eingestellt werden, dass der Wind senkrecht auf das Flügelrad auftrifft. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 134 Dieses Experiment eignet sich für den Einsatz in den Klassenstufen 5 und 6 des Anfangsunterrichtes in Physik oder naturwissenschaftlichen Grundlagenfächern. Es ist für das Durchführen erster Experimente im Unterricht geeignet, da der Aufbau sehr übersichtlich ist. Den Schülern wird spielerisch die Abhängigkeit der Windkraftanlage vom Anstellwinkel der Rotorblätter nahe gebracht. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 135: Der Einfluss Des Anstellwinkels Der Rotorblätter (Qualitativ)

    4. Wiederhole die Messung für alle anderen Rotorblattanstellwinkel. Auswertung Die Glühlampe hell schwach gar nicht 20° 25° 30° 50° 90° Vervollständige nun den angegebenen Text: Bei größerem Anstellwinkel leuchtet die Glühlampe nicht mehr. Am stärksten leuchtet die Glühlampe bei einem Winkel von 25°. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 136 Winkeln kommt es zum sogenannten Strömungsabriss, wodurch sich der Auftrieb an den Rotorflügel stark verringert. Bei kleinen Winkeln ist die Angriffsfläche zu gering. Durch den verringerten Auftrieb ändert sich die Leistungsaufnahme des Rotorblattes, was sich im Versuch in einer kleineren Drehzahl und damit verringerter Spannung zeigt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 137 Einsatz in einem Projekt zur Windenergie oder zu regenerativen Energien zu empfehlen. Die Schüler üben ihre Fertigkeiten im Umgang mit Messgeräten. Es wird die Abhängigkeit zwischen Spannung und Anstellwinkel von Rotorblättern an einer Windkraftanlage untersucht und die Schüler entwickeln eigene Lösungen zu einem vorgegebenen Problem der Thematik. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 138: Einfluss Des Anstellwinkels Der Rotorblätter (Quantitativ)

    Windturbinenmodul. Verwende das AV-Modul im Spannungsmodus. Erfasse die Messwerte in einer Tabelle. 4. Wiederhole die Messung für alle anderen Rotorblattanstellwinkel. 5. Führe das Experiment anschließend mit dem flachen Profil durch und miss für alle Anstellwinkel jeweils die Spannung U flach Messwerte α (°) flach Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 139 Anstellwinkel immer weiter sinkt oder sich einem Sättigungswert nähert. Dies liegt daran, dass der optimierte Flügel nach dem Auftriebsprinzip arbeitet. Die Spannungswerte beim flachen Profil werden hingegen bei kleinerem Anstellwinkel steigen, da diese Flügelform allein durch den Widerstand angetrieben wird und die Widerstandsfläche immer größer wird. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 140 Dieses Experiment eignet sich für den Einsatz in den Klassenstufen 5 und 6 des Anfangsunterrichtes in Physik oder naturwissenschaftlichen Grundlagenfächern. Es ist für das Durchführen erster Experimente im Unterricht geeignet, da der Aufbau sehr übersichtlich ist. Den Schülern wird spielerisch die Abhängigkeit der Leistung einer Windkraftanlage von der Flügelform nahe gebracht. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 141: Einfluss Der Flügelform (Qualitativ)

    Beim optimierten Profil laufen die Flügel vorn spitz zu und sind breiter am Ansatz (unsymmetrischer Aufbau, ähnlich wie Flugzeugflügel). Sie sind außerdem leicht in sich selbst verdreht. Die flachen Flügel sind rechteckig und überall gleich dick. Windmühle, Westernmill Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 142 Einsatz in einem Projekt zur Windenergie oder zu regenerativen Energien zu empfehlen. Die Schüler üben ihre Fertigkeiten im Umgang mit Messgeräten. Es wird die Abhängigkeit zwischen Spannung und Flügelform der Rotorflügel einer Windkraftanlage untersucht und die Schüler entwickeln eigene Lösungen zu einem vorgegebenen Problem der Thematik. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 143: Einfluss Der Flügelform (Quantitativ)

    2. Beschreibe den Einfluss der Flügelform auf die erzeugte Leistung einer Windkraftanlage. Beim optimierten Profil Mit dem optimierten Profil lassen sich bei gleicher Windgeschwindigkeit deutlich höhere Drehzahlen erreichen. Das wiederum bedingt eine höhere Leistungsentnahme aus der Luft. In realen Windkraftanlagen sollten also die optimierten Flügel zum Einsatz kommen. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 144  Die Schüler stellen fest, dass das Wasserradmodul eine Hupe betreiben kann.  Quantitativer Versuch  Die Schüler messen die Leerlaufspannung des Wasserradmoduls im Betrieb  Der Versuch ist für Schüler der Klassen 7 und 8 geeignet. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 145: Wasser Als Energiequelle (Qualitativ)

    Fallgeschwindigkeit wird eine Kraft auf das Wasserrad ausgeübt, die es zum Drehen bringt. Diese Bewegungsenergie wird in dem Generator des Wasserradmoduls in elektrische Energie umgewandelt, die die Hupe wiederrum in Schwingungen (Schall, kinetische Energie der Luftteilchen) umwandelt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 146: Wasser Als Energiequelle (Quantitativ)

    5. Richte den Schlauch so aus, dass das Wasser möglichst nur auf das Wasserrad spritzt und nimm den Finger vom Schlauchende. Achtung! Das andere Ende des Schlauches muss immer im Wasser bleiben. 7. Miss die Spannung U am Generator. Verwende das AV-Modul im Spannungsmodus. Messwerte bei einer Höhe von 40 cm Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 147 - Die Schüler stellen fest, dass die Fallhöhe mit der Leistung des Wasserrads in Beziehung steht. Quantitativer Versuch - Die Schüler messen die Leerlaufspannung bei verschiedenen Fallhöhen. - Die Schüler üben sich im Umgang mit Messgeräten und Diagrammen. - Der Versuch ist für Schüler der Klassen 7 bis 9 geeignet. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 148: Abhängigkeit Von Der Fallhöhe (Qualitativ)

    5. Richte den Schlauch so aus, dass das Wasser möglichst nur auf das Wasserrad spritzt und nimm den Finger vom Schlauchende. 7. Wiederhole den Versuch für verschiedene Fallhöhen (z.B. Stuhl-Boden, Tisch-Stuhl, Tisch-Boden). Notiere deine Beobachtungen. Beobachtungen Je weiter das Wasser fällt, desto lauter hupt die Hupe. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 149: Abhängigkeit Von Der Fallhöhe (Quantitativ)

    8. Wiederhole den Versuch für verschiedene Fallhöhen (z.B. Stuhl-Boden, Tisch-Stuhl, Tisch-Boden) und trage deine Werte in die Tabelle ein. Messwerte h (cm) U (V) Auswertung 1. Trage deine Messwerte in das Diagramm ein. 2. Interpretiere die Ergebnisse deines Versuchs. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 150 Wasserrad aufgrund von Trägheits- und Reibungseffekten nicht drehen. Bei größerer Fallhöhe steigt die kinetische Energie des Wassers, wenn es auf das Wasserrad trifft, weshalb sich dieses schneller dreht und daher größere Spannungen erzeugen kann. Es besteht kein linearer Zusammenhang. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 151 PowerModul (bei maximal 2 V!!!) in Reihenschaltung mit dem Potentiometer direkt an die reversible Brennstoffzelle angeschlossen werden. Dann muss die Polarität beachtet werden:  Wichtig: Unter keinen Umständen sollte die reversible Brennstoffzelle direkt mit der Handkurbel betrieben werden!!! Dies führt irreparablen Schädigung Brennstoffzellenmoduls. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 152: Funktionsweise Eines Elektrolyseurs

    Verschattet man das Solarmodul, hören die Luft-/Wasserblasen auf, sich zu bewegen. Auswertung 1. Was kannst du über die Gase in den unteren Behältern aussagen? 2. Was macht die reversible Brennstoffzelle, wenn sie als Elektrolyseur betrieben wird? Welche Energieumwandlung findet statt? 3. Erkläre Deine obigen Beobachtungen. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 153 O → 2 H Eine einfache Bilanzgleichung lautet demnach: 2 H . Dem Stoffmengenverhältnis von 2 : 1 folgt bei konstantem Druck und Temperatur auch ein Volumenverhältnis von 2 : 1 (PV = nRT). : Knallgasprobe : Glimmspanprobe Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 154 PowerModul (bei maximal 1,5 V!!!) in Reihenschaltung mit dem Potentiometer Dann muss die Polarität beachtet werden:  Wichtig: Unter keinen Umständen sollte die reversible Brennstoffzelle direkt mit der Handkurbel betrieben werden!!! Dies führt irreparablen Schädigung Brennstoffzellenmoduls. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 155: Funktionsweise Einer Brennstoffzelle

    Motors oder das Leuchten einer Glühlampe genutzt werden kann. Chemische Energie wird in elektrische umgewandelt und anschließend z.B. in mechanische oder Lichtenergie. Wasserstoff und Sauerstoff werden zu (flüssigem) Wasser kombiniert, was im Vergleich zu den Gasen ein sehr kleines Volumen hat. So entsteht der Eindruck, die Gase würden verschwinden. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 156 überschritten werden, da dies zur Zerstörung der reversiblen Brennstoffzelle führen kann  Die angegebenen Messwerte sind Beispielwerte und können im Praxisversuch abweichen Wichtig: Unter keinen Umständen sollte die reversible Brennstoffzelle direkt mit der Handkurbel betrieben werden!!! Dies führt irreparablen Schädigung Brennstoffzellenmoduls Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 157: Die Kennlinie Eines Elektrolyseurs

    Entfernen eines Kabels), damit das Experiment nicht ohne die Aufnahme der Messwerte beginnt. Messwerte 1,40 1,42 1,44 1,46 1,48 1,49 1,50 U (V) 14,2 20,6 34,1 I (mA) 1,51 1,52 1,53 1,54 1,56 1,57 U (V) 44,4 59,7 74,5 91,2 131,9 154,7 I (mA) Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 158 Elektroden, von der Art und Konzentration des Elektrolyten sowie von der Stromdichte (Stromstärke pro Fläche) und der Temperatur. Überspannungen sind gering bei Elektrodenreaktionen die zur Abscheidung von Metallen führen, jedoch besonders groß, wenn Gase (H , Cl ) ab- geschieden werden. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

  • Seite 159: Die Kennlinie Einer Brennstoffzelle

    1. Stelle Deine Messwerte im beigefügten Diagramm dar. 2. Beschreibe den Verlauf der U-I-Kennlinie. 3. Erläutere, welcher Bereich der Kennlinie für den Betrieb eines Verbrauchers genutzt werden sollte. 4. Erkläre, weshalb die Spannung mit höherer Stromstärke absinkt. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 160 Der erste Teil der U-I-Kennlinie fällt steil ab. Anschließend verläuft die Kennlinie flacher. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung kann in diesem Bereich als linear angesehen werden. Die maximal erreichbare Spannung der hier verwendeten PEM-Brennstoffzelle liegt bei etwa 0,9V. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...
  • Seite 161 Elektronen gespalten. Es wandern nun weniger Elektronen durch den Stromkreis als Protonen durch die Membran. Dadurch gelangen an die Kathode mehr Protonen als Elektronen pro Zeiteinheit. Dadurch bedingt folgt eine Änderung der Elektronenpotentiale. Die Potentialdifferenz sinkt und damit die Gesamtspannung der Zelle. Lehrerheft leXsolar NewEnergy...

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