Green Energy

Energie aus erneuerbaren Energiequellen

Tagtäglich benötigen wir eine riesige Menge an Energie. Du fragst dich, wo überall? Betrachten wir dazu einmal einen ganz normalen Tagesablauf: Morgens wirst du von deinem Radiowecker geweckt. Dieser bezieht Strom aus der Steckdose. Nach dem Aufstehen schaltest du das Licht an, duschst mit warmem Wasser, das von der Zentralheizung mit Öl oder Gas durch Verbrennung aufgeheizt wurde. Danach trocknest du die Haare mit einem elektrischen Fön und putzt die Zähne mit einer elektrischen Zahnbürste. Zum Frühstück bereitest du dir einen Tee oder einen Kaffee zu. Das Wasser hast du in einem Wasserkocher zum Kochen gebracht. Dein Pausenbrot, das du schon am Vorabend zubereitet hattest, lag über Nacht im Kühlschrank. Zur Schule fährst du mit dem Bus, der Straßenbahn oder wirst von den Eltern mit dem Auto gefahren. Bus, Straßenbahn und Auto verbrauchen Treibstoff. So könnten wir noch lange aufzählen, wofür du Energie benötigst. Die Liste würde endlos lang werden. Auf den Punkt gebracht, wir alle benötigen eine riesige Menge an Energie.

Energie aus Öl, Kohle und Kernkraft

Und wo kommt diese Energie her? Einen Großteil davon gewinnen wir aus den fossilen Brennstoffen Gas, Öl und Kohle. Aber auch aus Kernenergie wird ein Teil unseres Strombedarfes gedeckt. Doch diese Arten der Energiegewinnung haben unterschiedliche Nachteile:

Die fossilen Brennstoffvorräte auf der Erde sind begrenzt.
Bei der Verbrennung von Öl und Kohle entstehen Schadstoffe, die die Umwelt verschmutzen, sowie CO2, das für die ständige Erwärmung der Erdatmosphäre verantwortlich ist.
Die Kernenergie birgt trotz hoher Sicherheitsstandards die Gefahr eines radioaktiven Unfalls. Außerdem entstehen radioaktive Abfälle, die noch in tausend Jahren Radioaktivität abstrahlen.

Alternative Energiequellen sind die Lösung!

Grund genug, sich nach Alternativen umzusehen, die umweltfreundlich und möglichst unbegrenzt vorhanden sind. Diese alternativen Energieformen gibt es. Man spricht in diesem Zusammenhang von regenerativen (erneuerbaren) Energien. In deinem Baukasten Green Energy betrachtest du die Energiegewinnung aus:
Wasser, Wind, Sonne
Diese Energiequellen sind im Gegensatz zu fossilen Energieträgern unbegrenzt verfügbar und bei ihrer Nutzung treten die oben beschriebenen Nachteile nicht auf.

Anhand zahlreicher Modelle wirst du sehen, wie man mit diesen Energiequellen Strom erzeugen, speichern und fischertechnik-Modelle antreiben kann.

Dauernd wird von Energie gesprochen, aber was versteht man eigentlich darunter und wie kann man sie messen?
Energie benötigt man:

um einen Körper zu beschleunigen oder
um ihn entgegen einer Kraft zu bewegen,
um eine Substanz zu erwärmen,
um ein Gas zusammenzudrücken,
um elektrischen Strom fließen zu lassen oder
um elektromagnetische Wellen abzustrahlen.
Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Energie, um leben zu können.

Die Maßeinheit, mit der Energie und Arbeit gemessen wird, heißt Joule (J).

Wasserenergie in Bewegung umwandeln …

… mit dem Wasserrad
Die Erfindung des Wasserrads stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Technik dar. Denn zusätzlich zur Muskelkraft konnten die Menschen nun mechanische Energie nutzen – mit Hilfe der Wasserkraft.

… mit der Gattersäge
Ist dir schonmal aufgefallen, dass viele ältere Sägewerke an einem Bach oder Fluss gebaut wurden? Grund hierfür ist die Nutzung der Wasserkraft als Energiequelle. Oft wurde eine Gattersäge eingesetzt. Das Wasserrad treibt hierbei die Sägeblätter an und ermöglicht so eine einfachere Herstellung von beispielsweise Brettern, die aus einem Baumstamm gesägt werden.

Aufgabe 1:
Worin liegen die Nachteile dieser Form der Nutzung von Wasserenergie?

Die Energie kann nur dort genutzt werden, wo Wasser fließt (Bäche oder Flüsse).
Die Energie kann nicht gespeichert werden. Sie muss sofort genutzt werden, wenn sie zur Verfügung steht.
Die Energie steht nur für einen begrenzten Einsatzzweck zur Verfügung.

Wie wird aus Wasserenergie Strom?

Wie du eben gelernt hast, benutzt der Mensch schon seit Hunderten von Jahren die Bewegungsenergie des Wassers, um damit Maschinen direkt anzutreiben. Im Zuge der Industrialisierung verzichtete man auf die direkte Nutzung der Wasserenergie und verwendete stattdessen elektrischen Strom. Doch wie kann man aus Wasserenergie Strom gewinnen?

Wasserturbine mit LED

Eine Wasserturbine ist eine Turbine, welche die Wasserkraft nutzbar macht. In einem Wasserkraftwerk wird die Fließenergie des Wassers mittels der Wasserturbine in mechanische Energie umgewandelt. Die Turbine wird mithilfe des strömenden Wassers in Drehung versetzt. Die Drehung der Turbinenwelle dient zum Antrieb eines Generators, welcher die Rotationsenergie in elektrischen Strom umwandelt. Die Laufräder solcher Turbinen besitzen einen Durchmesser von bis zu 11 m.

Baue nun das Modell einer Wasserturbine auf (siehe Bauanleitung). Halte das Wasserrad unter einen Wasserhahn und lass das Rad so schnell drehen, dass die LED leuchtet. Beachte die in der Bauanleitung angegebene Drehrichtung des Rades.

Aufgabe 1:
Wie funktioniert die Wasserturbine?

Das Wasserrad überträgt seine Rotationsenergie auf das Transmissionsrad. Ein Keilriemen (Silikonring) überträgt die Drehbewegung auf das Antriebsrad des Solarmotors. Dieser dient als Generator und wandelt die Drehenergie in elektrische Energie um und bringt die Leuchtdiode zum Leuchten.

Achtung: Die Leuchtdiode ist ausschließlich dafür gedacht zu zeigen, wie mit dem Solarmotor Strom erzeugt werden kann. Sie darf maximal mit 2 V Gleichspannung betrieben werden. Bei höheren Spannungen geht sie sofort kaputt. Achte auch darauf, dass der Motor nicht mit Wasser in Berührung kommt.

Die Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Es kam zum einen zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen oder Ballons, zum anderen wurde die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe von Windmühlen und Wasserpumpen genutzt.

Windenergie in Bewegung umwandeln

Beim Modell Windmühle wird die Windenergie in Bewegungsenergie umgewandelt.

Ein Windrad ist ein technisches Bauwerk, das mit Hilfe seiner vom Wind (Bewegungsenergie) in Umdrehung versetzten Flügel eine Rotationsenergie erzeugt. Über ein großes Kamm- oder Zahnrad und eine Arbeitswelle wird die Drehbewegung in den unteren Teil des Bauwerks geleitet. Getriebe- und Umlenkräder lenken die Drehbewegung auf den Mühlstein.

Baue das Modell Windmühle auf (siehe Bauanleitung).

Versuch:
Womit kannst du das Windrad in Bewegung setzten? Probiere verschiedene Techniken aus (anpusten, Fön, Ventilator, Wind oder halte das Modell in der Hand und drehe dich damit so schnell du kannst im Kreis).

Wie wird aus Windenergie Strom?

Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators lag auch der Gedanke der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe. Anfänglich wurden die Konzepte der Windmühlen nur abgewandelt. Statt der Umsetzung der Bewegungsenergie des Windes in mechanische Energie wurde über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Mit der Weiterentwicklung der Strömungsmechanik wurden auch die Aufbauten und Flügelformen spezialisierter, und man spricht heute von Windkraftanlagen (WKA). Seit den Ölkrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen vorangetrieben.

Aufgabe:
Baue das Modell Windrad, Windkraftanlage oder Windturbine, das eine Leuchtdiode (LED) zum Leuchten bringt. (Siehe Bauanleitung)

Das Windrad überträgt seine Rotationsenergie auf das Transmissionsrad. Ein Keilriemen (Silikonring) überträgt die Drehbewegung auf das Antriebsrad des Solarmotors. Dieser dient als Generator, wandelt die Drehenergie in elektrische Energie um und bringt die Leuchtdiode zum Leuchten. Bei dem Modell Windturbine treibt der Propeller den Solarmotor direkt an. Prüfe vor dem Start nochmals die korrekte Drehrichtung der Flügel und die richtige Polung der LED (siehe Bauanleitung).

Versuch:
Vergleiche die Modelle der Windenergie. Welches Modell dreht sich schon bei wenig Wind und welches benötigt starken Wind? Probiere wieder verschiedene Techniken aus (anpusten, Fön, Ventilator, Wind oder halte das Modell in der Hand und drehe dich damit so schnell du kannst im Kreis).

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt. Der mengenmäßig größte Nutzungsbereich ist die Erwärmung unseres Planeten.

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten nutzen:

Sonnenkollektoren erzeugen Wärme und Hitze
Sonnenwärmekraftwerke erzeugen elektrischen Strom durch Umwandlung von Hitze in Wasserdampf
Solarkocher oder Solaröfen erhitzen Speisen
Solarzellen erzeugen elektrischen Gleichstrom (Photovoltaik)

Solarenergie in Strom umwandeln

Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das die im Licht (in der Regel Sonnenlicht) enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie wandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt. Die Solarzelle darf nicht mit dem Sonnenkollektor verwechselt werden, bei dem die Sonnenenergie ein Übertragungsmedium (meist Heizwasser) aufheizt.

Solarzellen bestehen aus Silizium. Die Siliziumblöcke werden in ca. 0,5 Millimeter dicke Scheiben zersägt. Die Scheiben werden im nächsten Schritt mit verschiedenen Fremdatomen dotiert, das heißt gezielt verunreinigt, was für ein Ungleichgewicht in der Siliziumstruktur sorgt. Dadurch einstehen zwei Schichten, die positive p-Schicht und die negative n-Schicht.

Vereinfacht ausgedrückt entsteht der elektrische Stromfluss dadurch, dass sich Elektronen aus der n-Schicht, angeregt durch das einfallende Licht, über den angeschlossenen Verbraucher (z.B. Solarmotor) zur p-Schicht bewegen. Je mehr Licht (also Energie) auf die Zelle fällt, desto beweglicher werden die Elektronen. Wenn man eine Solarzelle an einen Verbraucher anschließt, bewegen sie sich bevorzugt in diese Richtung. Da du dir den Stromfluss als Kreislauf vorstellen kannst, kommen immer wieder Elektronen auf der n-Schicht an und wandern wieder zur p-Schicht. Dieser Elektronenfluss bewirkt, dass Strom fließt und sich der Motor dreht.

Solarmodelle mit einem Solarmodul

Das in dem Baukasten Green Energy verwendete Solarmodul besteht aus zwei Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Es liefert eine Spannung von 1 V und einen maximalen Strom von 440 mA. Der Solarmotor besitzt eine Nennspannung von 2 V, beginnt aber bereits bei 0,3 V sich zu drehen (im Leerlauf, d. h., ohne dass die Welle des Motors ein Modell antreiben muss).
Baue für die ersten Versuche mit dem Solarmodul das Modell Helikopter oder Wackelmann auf (siehe Bauanleitung).

Versuch 1:
Stelle fest, welche Helligkeit erforderlich ist, damit sich der Motor dreht. Dazu kannst du eine Lampe mit Glühbirne verwenden. Teste den Versuchsaufbau auch im Freien bei Sonnenschein.

Versuch 2:
Wenn du ein Strom- und Spannungsmessgerät besitzt, kannst du mit diesem messen, ab welcher Spannung (V) sich der Motor dreht und welcher Strom (A) dabei fließt.
Um die Messungen einfacher durchführen zu können, kannst du die Messvorrichtung wie abgebildet verwenden. Die beiden Stecker von dem Kabel kannst du an den zu messenden Stellen im Modell einstecken. An dem Leuchtstein kannst du nun mit den Messspitzen von deinem Strom- und Spannungsmessgerät die gewünschte Messung vornehmen.

Versuch 3:
Finde durch Experimente die Antworten zu folgenden Fragen:

Wie hell muss es sein, damit der Motor ausreichend dreht?
Welche Lichtquellen sind zur Energiegewinnung geeignet?

Solarmodelle mit zwei Solarmodulen - Parallelschaltung

Mehr Strom bei gleicher Spannung liefert eine Parallelschaltung von zwei Solarmodulen. Diese Schaltung benötigst du für das neue Modell Drehtisch (siehe Bauanleitung).

Versuch 1:
Wenn du ein Strom- und Spannungsmessgerät besitzt, kannst du mit diesem messen, welche Spannung und welchen Strom die Parallelschaltung liefert.

Versuch 2:
Teste die Parallelschaltung, indem du in dem Modell ein und anschließend zwei Solarmodule an den Solarmotor anschließt.

Solarmodelle mit zwei Solarmodulen - Reihenschaltung

Solarfahrzeuge erhalten den Großteil ihrer Antriebsenergie direkt von der Sonne. Sie sind dazu auf der Oberfläche mit Solarzellen bestückt, die die Sonnenenergie auf dem Fahrzeug in elektrischen Strom umwandeln. Als Elektromobile führen sie häufig auch einen Energiespeicher (meist Akkumulatoren) mit sich, um sogar bei schlechten Lichtverhältnissen oder Bewölkung zumindest für eine begrenzte Zeit fahrtüchtig zu bleiben.
Beim Modell Solarfahrzeug soll das Prinzip der Reihenschaltung von Solarzellen angewandt werden, das bedeutet mehr Spannung bei gleichem Strom. Baue dazu entsprechend der Bauanleitung das Modell auf und verdrahte es wie im Schaltplan beschrieben.

Bei diesem Modell lernst du ein neues Bauteil kennen, den Taster. Taster zählen zu den Berührungssensoren. Betätigst du den roten Knopf, wird im Gehäuse ein Kontakt mechanisch umgelegt und es fließt ein Strom zwischen den Kontakten 1 und 3. Gleichzeitig unterbricht die Schalterstrecke zwischen den Anschlusspunkten 1 und 2.

Taster oder Schalter werden auf zwei verschiedene Arten verwendet:

Taster als „Schließer“
Die beiden Schaltbilder zeigen dir den Versuchsaufbau. Der Pluspol des Solarmoduls wird an den Kontakt 1 des Tasters, der Solarmotor an den Kontakt 3 des Tasters und an den Minuspol des Solarmoduls angeschlossen. Bei nicht betätigtem Taster ist der Motor ausgeschaltet. Drückt man den Taster, wird der Stromkreis über Kontakt 1 und Kontakt 3 geschlossen, der Motor läuft.

Taster als „Öffner“
Beim Öffner wird der Pluspol des Solarmoduls an den Kontakt 1 des Tasters, der Solarmotor an den Kontakt 2 des Tasters und an den Minuspol des Solarmoduls angeschlossen. Bei nicht betätigtem Taster läuft der Motor. Drückt man den Taster, wird der Kontakt 1 und Kontakt 2 geöffnet, der Motor wird ausgeschaltet.

Welche Funktion hat der Taster als „Schließer“? Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle scheint und der Taster ist gedrückt, beginnt die Schnecke des Solarmotors sich zu drehen und setzt das Zahnrad in Bewegung. Der Taster ist in dem Modell Solarfahrzeug wird als Schließer angeschlossen.

Versuch 1:

Stelle fest, welche Lichtstärke erforderlich ist, damit das Solarfahrzeug fährt.

Versuch 2:
Prüfe welchen Einfluss die Lichtstärke auf die Geschwindigkeit von dem Solarfahrzeug hat. Wieviel Zeit benötigt das Solarfahrzeug für einen Meter Fahrstrecke?

Versuch 3:
Vergleiche die Bewegung des Solarfahrzeuges bei Nutzung der Reihen- und Parallelschaltung.

Ein Fahrzeug, das mit „Sonnenstrom“ fährt, zählt nicht automatisch zu den Solarfahrzeugen. Tankt ein Fahrzeug zum Beispiel seinen Strom ausschließlich an einer Solartankstelle, so ist der Strom zwar aus Sonnenlicht gewonnen, das Fahrzeug selbst ist aber ein Elektrofahrzeug.

Elektrofahrzeug mit Solarladestation
Baue das Modell Elektrofahrzeug mit der Solarladestation auf (siehe Bauanleitung).

Sicher hast du bei deinen Versuchen mit den Solarmodulen festgestellt, dass diese Energiegewinnung einen Nachteil hat. Die Modelle bleiben stehen, sobald sie sich außerhalb der Lichtquelle oder im Schatten befinden. Deshalb ist es wichtig, die Modelle für diese Zeit mit einem Energiespeicher auszustatten, der mit Solarenergie aufgeladen wird.

Energiespeicher Goldcap

Ein solcher Energiespeicher ist der im Baukasten enthaltene Goldcap. Er setzt sich aus zwei Aktivkohlestücken zusammen, die nur durch eine dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Der Goldcap zeichnet sich durch seine extrem hohe Kapazität aus. Der von dir verwendete Kondensator hat eine Kapazität von 10 F (Farad).
Du kannst den Goldcap einsetzen wie einen kleinen Akku. Der Vorteil gegenüber dem Akku besteht darin, dass man den Goldcap sehr schnell aufladen kann, dass er nicht überladen werden kann und auch keine Tiefentladung durchgeführt werden kann. Trotz des Namens ist leider kein Gold drin! Goldcap ist eine Produktbezeichnung, die der Hersteller dem speziellen Kondensator gegeben hat.

Achtung Explosionsgefahr! Der Goldcap darf auf keinen Fall an eine Spannung über 3 V angeschlossen werden, sonst besteht Explosionsgefahr! Also auf keinen Fall den Goldcap an eine gewöhnliche 9 V fischertechnik-Stromversorgung anschließen.

Tanken des Elektrofahrzeugs - dazu schließt du es an der Solartankstelle an. Bei entsprechender Lichtenergie wird der Goldcap geladen. Ist dieser geladen (LED leuchtet) schließt du den Goldcap am Solarmotor an. Wird der Taster gedrückt, fährt das Fahrzeug los.

Versuch 1:
Wenn du ein Messgerät besitzt, kannst du parallel zum Laden die Spannung am Goldcap messen. Dabei kannst du ablesen, wie weit der Ladevorgang fortgeschritten ist.

Versuch 2:

Probiere aus, wie lang das Auto mit einer Tankfüllung fährt.
Welche Geschwindigkeit erreicht es?
Wieviel Zeit benötigt das Fahrzeug für einen Meter Fahrstrecke?

Welche Funktion hat die Leuchtdiode in der Solarstation? Sie dient als Ladekontrollanzeige. Ist der Goldcap vollgeladen, leuchtet die LED.

Antiparallelschaltung

Antiparallel– was versteht man unter diesem Begriff? Ganz einfach, es werden zwei Solarmodule so parallel zusammengeschalten, dass der Pluspol des einen Solarmoduls mit dem Minuspol des anderen Solarmoduls verbunden wird. Wie verhält sich diese Schaltung bei Lichteinwirkung? Das Bild soll dir dies verdeutlichen. In der Mitte werden beiden Solarmodule mit der gleichen Lichtstärke angestrahlt, somit heben sich beide Spannungen der Solarmodule auf und das Messgerät zeigt 0 V an. Wird ein Solarmodul verdunkelt, erzeugt nur das beleuchtete Modul Strom und das Messgerät schlägt in die entsprechende Richtung aus.

Dieses Prinzip wendest du bei deinen beiden nächsten Modellen an.

Schranke

Baue das Modell der Schranke anhand der Bauanleitung auf. Bei diesem Modell soll mit Hilfe von Solarenergie eine Schranke geöffnet und geschlossen werden. Der Trick dabei ist, dass sich der Motor nicht bewegt, wenn beide Solarmodule gleich hell beleuchtet werden. Deckst du ein Modul ab, setzt sich der Motor in Bewegung und schließt die Schranke. Verdunkelst du das andere Modul, öffnet sich die Schranke wieder. Auf diese Weise kannst du mit dieser Schaltung einen Polwendeschalter ersetzen.

Aufgabe:
Mache dir anhand einer Skizze deutlich, wie die Umkehrung der Motordrehrichtung (bzw. der Stromrichtung am Motor) bei diesem Modell zu Stande kommt, wenn jeweils ein Solarmodul abgedunkelt wird.

Werden beide Module gleich stark beleuchtet, heben sich die Spannungen auf und der Motor bleibt stehen. Wird ein Modul abgedeckt, wirkt die Spannung des beleuchteten Moduls auf den Motor. Dieser dreht sich, schließt oder öffnet die Schranke.

In der nächsten Aufgabe führst du alle bisher kennengelernten Energiequellen zusammen. Beim Ökohaus hat der Bauherr verschiedene erneuerbare Energiequellen verwendet. Diese Energiegewinnung reduziert die Kosten für Heizung und Strom. Baue nun das Modell Ökohaus (siehe Bauanleitung).

Aufgabe:
Informiere dich im Internet über Möglichkeiten der regenerativen Energiegewinnung.

Die im Modell eingebaute LED stellt die einzelnen Stromverbraucher wie Licht, Fernseher und vieles mehr dar.

Aufgabe 1:
Zuerst soll die LED durch die Windturbine Strom bekommen.

Verdrahte die elektrischen Komponenten entsprechend der Bauanleitung. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass die LED nicht leuchtet, wenn kein Wind vorhanden ist.

Aufgabe 2:
In dieser Aufgabe soll die LED durch die Solarzellen Strom bekommen.

Verdrahte die elektrischen Komponenten entsprechend der Bauanleitung. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass die LED nicht leuchtet, wenn keine Sonnenenergie vorhanden ist.

Aufgabe 3:
In dieser Aufgabe soll Wind- und Sonnenenergie kombiniert werden. Der Goldcap dient als Energiespeicher.

Verdrahte die elektrischen Komponenten entsprechend der Bauanleitung. Mit dieser Schaltung gleichst du die Nachteile der beiden vorherigen Aufgaben aus.

Bei bestehendem Wind (Mini-Taster ist nicht gedrückt) bezieht das Haus über die Windkraft Strom. Die LED leuchtet. Gleichzeitig wird durch die Solaranlage der Goldcap geladen.

Ist es windstill, wird der Mini-Taster gedrückt. Die LED wird somit über den Goldcap mit Solarstrom versorgt.

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