Experimente zum Thema: Erneuerbare Energien
Abschnittsübersicht
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Wie lässt sich Wärme und Strom aus der Kraft der Sonne gewinnen? Und wie funktionieren Wind- und Wasserräder und eine Biogasanlage? Dies alles erforschen wir, indem wir mit den enthaltenen Bauteilen, der Materialbox, eigene voll funktionsfähige kleine Kraftwerke nachbauen und die gewonnene Energie speichern.
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Wärme gewinnen durch Sonne
Solarthermie bedeutet, die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme umzuwandeln. Diese Wärme wird genutzt, um warmes Wasser zu erzeugen und um Wohnungen und Häuser zu heizen.
Die Solarthermie macht sich einen physikalischen Effekt zunutze: Dunkle Oberflächen erwärmen sich schneller und stärker als helle. Während eine schwarze Oberfläche das Sonnenlicht fast vollständig absorbiert und damit schluckt, wirft eine weiße Oberfläche den größten Teil des Sonnenlichts wieder zurück.
Dunkle Oberflächen haben einen höheren Absorptionsgrad, durch den sie mehr Sonnenenergie in Wärme umwandeln können als helle Oberflächen.
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Sonnenstrahlen bündeln
Bündelt man die Sonnenstrahlen mithilfe von Spiegeln, lassen sich damit noch weitaus höhere Temperaturen erreichen, die sich sogar zur Stromerzeugung nutzen lassen, sogenannte Solarwärmekraftwerke.
Dass gebündelte Sonnenstrahlen tatsächlich ordentlich Hitze erzeugen können, zeigen professionelle Solarkocher, so genannte Parabolspiegel.
Die Sonnenstrahlen lassen sich auch mit einer Fresnellinse bündeln.
Probiere die Linse in folgendem Experiment aus.
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Solarturbine
Mit den Eigenschaften, die wir über Solarthermie bisher erfahren haben, können wir uns auch eine Solarturbine bauen.
Dafür brauchen wir:
- 1 Propeller aus unserer Box,
- 1 große Plastikflasche
- schwarze matte Farbe oder schwarzes Tonpapier
- 1 Korkscheibe (5 bis 8 mm dick)
- 5 Stecknadeln
- 1 spitze Schere
Schneide den oberen Teil der Flasche so ab, dass eine etwas 6cm große Öffnung entsteht. Im unteren Teil der Flasche schneidest du einen etwa 1cm breiten Schlitz über die Hälfte des Flaschenumfangs. (Lass dir gegebenenfalls von einem Erwachsenen helfen.)
Die Flasche besprühst oder bemalst du mit matter schwarzer Farbe. Alternativ beklebst du die Flasche mit schwarzem Tonpapier.
Bohre eine Stecknadel durch die Mitte der Korkscheibe.
Mit 4 weiteren Stecknadeln befestigst du die Korkscheibe mittig in der Flaschenöffnung. Die Nadelspitze zeigt nach oben.
Setze den Propeller auf die Nadelspitze.
Stelle die Flasche windgeschützt in die Sonne.
Was passiert?
Die schwarze Flasche absorbiert das Sonnenlicht fast vollständig. Die Energie der Lichtteilchen wird beim Auftreffen auf die schwarze Fläche in Wärmeenergie umgewandelt und erhitzt die Luft im Inneren der Flasche. Da warme Luft leichter ist als kalte, steigt ein warmer Luftstrom nach oben und setzt den Propeller in Bewegung. Durch den unteren Schlitz strömt kalte Luft nach, da ja nun wieder Platz ist. Solange ausreichend Sonnenlicht auf die Flasche scheint, wiederholt sich der Vorgang permanent und hält den Propeller in Bewegung.
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Solarstrom für den Motor
Fällt ausreichend Licht auf eine Solarzelle, erzeugt diese Strom und kann zum Beispiel einen Motor antreiben.
Zum Ausprobieren brauchst du:
- 1 Solarmodul
- 1 Motor
- 2 Druckklemmen
- Papier
- Klebeband
Aus Papier bastelst du eine kleine Fahne und befestigst sie mit Klebeband an der Achse des Motors.
Verbinde die Anschlusskabel der Solarzelle mithilfe der Druckklemmen mit den Motorkabeln.
Trage deine Schaltung vorsichtig an einen Platz mit direkter Sonneneinstrahlung
Wie viel Licht braucht die Solarzelle?
Halte deine Hand über die Solarzelle, so dass sie einen Schatten wirft, und bewege sie langsam hin und her. Solange die Solarzelle ausreichend Licht erhält, dreht sich der Motor. Deckt der Schatten deiner Hand die Solarzelle vollständig ab, stoppt der Motor.
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Wasserkraft
Wasserkraft spielt für die Menschen bereits seit Jahrtausenden eine wichtige Rolle. Mithilfe von Mühlrädern wurden Arbeits- und Werkzeugmaschinen in Schmieden, Mühlen und Sägewerken angetrieben. Schöpfräder sorgten schon vor einigen Tausend Jahren für die Bewässerung von Feldern. Nach der Erfindung der Dampfmaschine war die Wasserkraft kurzzeitig weniger gefragt. Doch dies änderte sich schlagartig mit der Elektrifizierung der Welt Ende des 19. Jahrhunderts, denn mit Wasserkraft konnten die Turbinen für die Stromerzeugung angetrieben werden.
Wasserkraft zählt heute mit zu den wichtigsten erneuerbaren Energiequellen. Doch da in jedem Land andere Voraussetzungen herrschen, fällt ihre Nutzung regional sehr unterschiedlich aus. So stammt in Norwegen fast der gesamte Strom aus Wasserkraft. Und auch in den Alpen, in Österreich und in der Schweiz, tragen Wasserkraftwerke zu mehr als der Hälfte der Energieversorgung bei. In Deutschland hingegen ist es nur ein sehr kleiner Teil.
Um aus Wasser Strom zu erzeugen muss das Wasser in Bewegung sein, also kinetische Energie besitzen. Diese Bewegungsenergie des strömenden oder nach unten fallenden Wassers wird in elektrische Energie verwandelt. Dabei gilt: Je größer die Wassermassen und je höher deren Geschwindigkeit, desto mehr Elektrizität kann erzeugt werden.
Das größte Wasserkraftwerk der Welt ist der Drei-Schluchten-Staudamm in Yichang in China.
Wenn du mehr über diesen Staudamm erfahren möchtest, kannst du dir das folgende Video anschauen:
Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?
Im Inneren des Wasserkraftwerks wird das strömende Wasser durch riesige Turbinen geleitet. Die Turbinen drehen sich unter dem Druck des Wassers und treiben durch die Drehbewegung einen Generator an. Der Generator wandelt die Bewegungsenergie des Wassers in elektrische Energie um.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Wasserkraftwerken:
Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke. Laufwasserkraftwerke werden meist an großen Flüssen errichtet und nutzen die gleichmäßig fließende Bewegungsenergie des Wassers. Mithilfe eines Wehrs wird das Wasser aufgestaut, um eine größere Fallhöhe zu erreichen. Fallende Rohre leiten das Wasser auf die Turbinen, die mit ihrer Drehbewegung die Generatoren antreiben.
Bei Speicherkraftwerken wird das Wasser in einem Stausee aufgestaut und über große Fallrohre auf tiefer liegenden Turbinen gelenkt. Da in Stauseen riesige Wassermengen gespeichert sind, lässt sich damit deutlich mehr Energie produzieren als mit einem Laufwasserkraftwerk.
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Wasserkreislauf
Aus dem All betrachtet, ist unsere Erde ein blauer Planet. Mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Der allergrößte Teil davon ist Salzwasser in Meeren und Ozeanen, während auf das Süßwasser nur ein ganz kleiner Anteil entfällt. Vom Süßwasseranteil wiederum sind etwa drei Viertel gefrorenes Polar- und Gletschereis. Gäbe es die Sonne nicht, wäre unsere Erde eine riesige Eiskugel. Nur dank der Sonnenstrahlung ist der größte Teil des Wassers flüssig. Aber die Sonne macht noch mehr. Sie sorgt für einen natürlichen Wasserkreislauf. Durch die auftreffenden Sonnenstrahlen verdunstet das Oberflächenwasser in Seen und Flüssen und sammelt sich in den Wolken. Regen und Schnee fallen aus den Wolken, sammeln sich in den Bergen und hoher gelegenen Regionen, strömen in Flüssen und Bächen in die Täler und füllen Seen.
Den Wasserkreislauf können wir auch in einem Experiment simulieren. Das geht wie folgt:
Du brauchst:
- 1 Salatschüssel
- 1 Tasse
- 1 kleine flache Schale oder Untertasse
- 2 Servietten
- 1 Stein
- Frischhaltefolie
- Klebeband
Stelle eine Tasse umgedreht in die Salatschüssel. Auf die Tasse stellst du eine kleine flache Schale. Um die Tasse herum legst du zwei Papierservietten und begießt sie mit Wasser, so dass sie gut durchfeuchtet sind. Über die Salatschüssel spannst du ein großes Stück Frischhaltefolie. In die Mitte der Folie legst du einen kleinen Stein. Der Stein soll die Folie genau über der flachen Schale 2 bis 3 Zentimeter nach unten drücken. Mit Klebeband fixierst du die Folie rund um den Rand der Salatschüssel, sodass von außen keine Luft mehr eindringen kann. Deine Versuchsanordnung stellst du an ein sonnenbeschienenes Plätzchen.
Was passiert?
Durch die Sonnenwärme verdunstet das Wasser in den Servietten und steigt in Form von Wasserdampf nach oben. Da der Wasserdampf nicht entweichen kann, sammelt er sich unter der Folie, kondensiert und tropft in Form von Wasser in die Auffangschale. Dieser Vorgang wiederholt sich permanent, solange der Versuchsaufbau in der Sonne steht.
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Die Kraft des Windes zählt neben der Sonnenenergie zu den wichtigsten erneuerbaren Energiequellen.
Schon vor Jahrtausenden nutzten Menschen die Windkraft, um mit Segelbooten Seen und Meere zu überqueren und um Windmühlen und Wasserpumpen anzutreiben.
Wie entsteht überhaupt Wind?
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Windkrafthebeanlage
Du kannst dir mit der Materialbox eine Windkrafthebeanlage selbst bauen, dafür folgst du der Anleitung auf den Seiten 50 und 51.
Mit diesem Versuch kannst du durch Windkraft etwas anheben bzw. aufwickeln.
Stromerzeugung durch Wind
Mit dem Experiment auf den Seiten 54 und 55 kannst du sehen, wie sich durch starken Wind (mit einem Föhn) und einem Motor als Generator, Windenergie in elektrische Energie umwandeln lässt und so eine LED leuchten lassen kann.
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Für dieses Experiment brauchst du die Spritze.
Ziehe den Kolben der Spritze bis zur 10-ml-Anzeige heraus und verschließe mit dem Finger die Öffnung der Spritze.
Drücke nun den Kolben gegen den sich aufbauenden Widerstand/Luftdruck möglichst weit in die Spritze. Lass den Kolben los.
Was passiert?
Der Kolben schiebt sich wieder heraus. Die mechanische Energie, die durch das Drücken den Kolbens gespeichert ist, wird nach dem Loslassen des Kolbens wieder freigegeben. Das ist das Prinzip eines einfachen Druckluftspeichers. Doch nach dem Loslassen geht der Kolben ein Stück weniger weit heraus und bleibt bei etwa 9 bis 8 ml stehen. Das bedeutet, dass beim Speichern der Energie ein Teil verloren geht.
Um die von Windrädern erzeugte Energie zu speichern, wird auch an Druckluftspeichern geforscht. Doch aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads spielt diese Methode in der Praxis keine bedeutende Rolle.
