DOWNLOAD. Elektrische Energie. Grundwissen Energie. Nabil Gad. Downloadauszug aus dem Originaltitel: Klasse. Bergedorfer Kopiervorlagen

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1 DOWNLOAD Nabil Gad Elektrische Energie Nabil Gad Grundwissen Energie Klasse Bergedorfer Kopiervorlagen Downloadauszug aus dem Originaltitel:

2 Die Induktion Aufgabe 1 a) Erkläre, wie eine Spannung induziert wird (siehe benachbarte Abbildung). b) Wodurch kann die induzierte Spannung erhöht werden? Nenne alle Möglichkeiten. c) Was passiert, wenn du die Pole des Stabmagneten tauschst? Aufgabe 2 Vervollständige den Text. Funktionsweise einer Induktionsschleife e Im benachbarten Bild sieht man eine Induktionsschleife, die eingelassen ist. Da diese mit Wechsel- spannung betrieben eben wird, entsteht ein Magnetfeld. Dieses wird beeinfl usst, sobald sich über der Induktionsschleife befi ndet. Somit kann mit einer festgestellt werden, ob sich ein Fahrzeug über einer befi ndet oder nicht. Beispiele e für Induktionsschleifen im Alltag Ampelsteuerunge erung In Nebenstraßen soll eine Ampel erst dann leuchten, wenn ein Fahrzeug sich über der Induktionsschleife befi ndet. Rotlichtverstoß Fährt ein Fahrzeug über Rot, Schrankensteuerung Eine Schranke soll automatisch und wieder werden. 1

3 Energieerzeugung Der Dynamo kann streng genommen nicht erzeugt werden. Wenn wir von Erzeugung sprechen, meinen wir die Umwandlung einer zur Verfügung stehenden in elektrische Energie. So wandelt ein Fahrraddynamo die in elektrische Energie um. Wie funktioniert der Dynamo? Ist das Fahrrad in Bewegung, so sich dessen Räder. Diese Drehbewegung wird auf das Antriebsrad des Dynamos und über eine Achse an den Magneten en übertragen. Durch die eines Magnetfeldes durch eine Spule wird eine Spannung ng. Anschließend wird die elektrische ektrische Energie zur Fahrradbeleuchtung ung in umgewandelt. Ein Elektromotor als Generator Ein Elektromotor wird normalerweise dazu verwendet, um elektrische Energie in umzuwandeln. Wenn man jedoch nun den Motor von Hand M dreht, so wird dem Motor kinetische Energie zugeführt. Schließt man nan den beiden Kontakten des Motors ein V an, so kann man eine Spannung messen, sobald der Motor von Hand gedreht wird. Die zugeführte kinetische Energie wird also in umgewandelt. Daher wird der dann auch Generator genannt. Dies wird dann auch durch ein anderes Schaltsymbol gekennzeichnet. G 2

4 Windenergie Geschichte der Windenergie Die des Windes wurde schon vor 4000 Jahren genutzt, als die Ägypter die ersten Segelschiffe entwickelten. Später wurde die auch für den Antrieb von Windmühlen genutzt. Mit ihnen wurde Korn gemahlen, Holz gesägt, gehämmert / geschmiedet und Wasser gepumpt. Erst im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden die durch Maschinen verdrängt, die mit elektrischer Energie angetrieben wurden. Entstehung der heutigen Windenergieanlagen Die heutigen entstanden aufgrund der Ölkrise in den 1970er-Jahren. Dadurch wurde es notwendig, auch andere Möglichkeiten der _ stärker zu berücksichtigen. Den Wind optimal nutzen Mit den Messinstrumenten nten der Windenergieanlage werden die und die ermittelt. Dementsprechend wird die gedreht und der richtige Winkel der eingestellt. Das Getriebe besteht aus vielen Zahnrädern. Dreht sich das Rotorblatt mit 20 Umdrehungen pro Minute (mit großer Drehkraft), sorgt das Getriebe dafür, dass daraus 1500 Umdrehungen e pro Minute e(mit geringer Drehkraft) werden, die an den übertragen werden..der Generator wandelt dann die in um. Sicherheit geht vor Zum Schutz vor und bei Wartungsarbeiten wird die Bremse betätigt, sodass sich die Rotorblätter nicht mehr drehen können. 3

5 Wasserenergie Aufgabe 1 Laufwasserkraftwerke stellen elektrische Energie zur Verfügung. Eine Wehranlage staut dafür das eines Flusses. Dadurch entsteht ein Höhenunterschied zwischen Oberwasser und, der für den nötigen der Kaplanturbinen sorgt. Aufgabe 2 Bei einem Laufwasserkraftwerk mit einer Fallhöhe von 12 m beträgt die maximale Durchfl ussmenge 1800 m 3 pro Sekunde. a) Berechne die Energiemenge, die dem Kraftwerk in einer Sekunde zugeführt wird. b) Welcher Leistung entspricht das? c) Der Kraftwerksbetreiber gibt an, dass die Leistung des Kraftwerks 195 MW beträgt. Berechne den Wirkungsgrad des Kraftwerkes. Aufgabe 3 In wird Wasser aus dem Stausee über zu den (Pelton)turbinen befördert. Normalerweise arbeiten Speicherkraftwerke nicht im Dauerbetrieb wie Laufwasserkraftwerke. Sie werden nur dann betrieben, wenn besonders elektrische Energie benötigt wird. 4

6 Thermische Kraftwerke (1) Kohlekraftwerk 1) Durch das Verbrennen n der wird chemische Energie e in umgewandelt, die das Wasser zu werden lässt. 2) Der Wasserdampf ampf lässt die rotieren (kinetische Energie) und wird anschließend zum Kondensator weitergeleitet, der den Wasserdampf abkühlt und ihn zu werden lässt. Dieses Wasser wird dann wieder zum Kessel und der Vorgang wiederholt sich erneut. 3) Der wandelt die kinetische Energie der Turbine in um. 4) Der Kühlturm leitet in den fortlaufend Wasser. Dieses wird im Kondensator zu Wasserdampf und geht zurück an den. Dieser kühlt den Wasserdampf an seinen Betonwänden ab, welcher dann wieder größtenteils zu wird, das dann wieder zum Kondensator geleitet wird. Die Dampfmenge, die nicht kondensiert werden kann, wird beispielsweise durch Flusswasser ergänzt. 5) Die, die bei der Verbrennung entstehen, werden gefi ltert und anschließend über den Kamin nach außen geblasen. 5

7 Thermische Kraftwerke (2) Kernkraftwerk / Atomkraftwerk (AKW) Der wesentliche Unterschied zum Kohlekraftwerk ist die Art und Weise, wie erzeugt wird. Die entsteht nicht wie beim Kohlekraftwerk durch das, sondern durch den Kernspaltungsprozess. Es wird also nicht wie beim Kohlekraftwerk die, sondern die Kernenergie genutzt. Dadurch entsteht auch kein, das in die Umwelt geleitet wird. Jedoch entstehen radioaktiv kontaminierte Abfälle und es besteht das Risiko eines es GAUs. Im Reaktor wird mit den Regelstäben das Ausmaß der Kernreaktion in den und somit die Menge des erzeugten Dampfes gesteuert. Energiemix Deutschland In Deutschland (Stand 2010) stammt die elektrische Energie zu etwa 60 % aus fossilen Brennstoffen (wie z. B. Kohle, oder ), zu etwa 30 % aus Kernenergie und zu etwa 10 % aus erneuerbaren Energien (wie z. B. Wind,, oder Abfällen). 6

8 Sonnenenergie Solarthermie Bei der Solarthermie erwärmt die ein fl üssiges Medium (beispielsweise Wasser-Glykol-Gemisch) im Kollektor, welches durch den geleitet wird und somit das Brauchwasser erwärmt. Sollte es nicht die gewünschte erreicht haben, so wird das durch den Kollektor vorgewärmte Brauchwasser durch das zusätzlich erhitzt und somit auf die gewünschte Temperatur gebracht. Bei der Solarthermie wird also entweder ausschließlich oder ergänzend die der Sonne zur Erwärmung des Wassers verwendet. Kollektor Heizsystem Brauchwasserspeicher Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Frischwasser (kalt) Photovoltaik Bei der Photovoltaikanlage wandeln die Solarzellen die der Sonne in elektrische Energie um und zwar in Form mvon Gleichstrom. Damit unsere netzbetriebenen Haushaltsgeräte laufen, brauchen wir jedoch.. Die Umwandlung des in Wechselstrom elstro übernimmt Steckdose dabei der Wechselrichter. Die gesamte umgewandelte Energie wird ins - eingespeist eist und ist über den ablesbar. Der Bezugszähler er zeigt die Energiemenge an, die bisher insgesamt für den Betrieb aller elektrischen Geräte benötigt wurde. Solarthermische Kraftwerke Bei solarthermischen Kraftwerken wird der, der zum Antrieb der Turbine benötigt wird, mithilfe von erzeugt. Es werden keine fossilen Brennstoffe benötigt und somit entsteht kein Kohlenstoffdioxid (CO 2 ). 7

9 Lösungen Die Induktion Aufgabe 1 a) Erkläre, wie eine Spannung induziert wird (siehe benachbarte Abbildung). e Eine Spannung wird induziert, indem ein Magnet in einer Spule bewegt wird. b) Wodurch kann die induzierte Spannung erhöht werden? Nenne e alle Möglichkeiten. Bewegt man den Stabmagneten schneller durch die Spule oder erhöht man die Windungszahlen, so erhöht sich auch die induzierte Spannung. c) Was passiert, wenn du die Pole des Stabmagneten tauschst? Durch die Änderung der Polarität der Magnetpole ändert sich auch die Polarität der Spannung. Aufgabe 2 Vervollständige den Text. Funktionsweise einer Induktionsschleife Im benachbarten Bild sieht man eine Induktionsschleife, die in den Boden eingelassen ist. Da diese mit Wechselspannung betrieben wird, entsteht ein Magnetfeld. Dieses wird beeinflusst, sobald sich ein Fahrzeug über der Induktionsschleife befi ndet. Somit kann mit einer Messvorrichtung festgestellt werden, ob sich ein Fahrzeug über einer Induktionsschleife befindet oder nicht. Beispiele für Induktionsschleifen im Alltag Ampelsteuerung In Nebenstraßen soll eine Ampel erst dann grün leuchten, wenn ein Fahrzeug sich über der Induktionsschleife befi ndet. Rotlichtverstoß Fährt ein Fahrzeug über Rot, so soll automatisch ein Foto gemacht werden. Schrankensteuerung Eine Schranke soll automatisch geöffnet und wieder geschlossen werden. Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Verlag Energieerzeugung Der Dynamo Energie kann streng genommen nicht erzeugt werden. Wenn wir von Erzeugung sprechen, meinen wir die Umwandlung einer zur Verfügung stehenden Energieform in elektrische Energie. So wandelt ein Fahrraddynamo die kinetische Energie in elektrische Energie um. Wie funktioniert der Dynamo? Ist das Fahrrad in Bewegung, so drehen sich dessen Räder. Diese Drehbewegung wird auf das Antriebsrad des Dynamos und über eine Achse an den Magneten übertragen. Durch die Bewegung eines Magnetfeldes durch eine Spule wird eine Spannung nu. induziert Anschließend wird die elektrische Energie zur Fahrradbeleuchtung in Strahlungsenergie umgewandelt. Ein Elektromotor or als Generator erato Ein Elektromotor wird normalerweise dazu verwendet, um elektrische Energie in kinetische Energie M umzuwandeln. Wenn man jedoch nun den Motor von Hand dreht, so wird dem Motor kinetische Energie zugeführt. Schließt man an den beiden Kontakten n des Motors ein V Spannungsmessgerät _ an, so kann man eine Spannung messen, sobald der Motor von Hand ge- dreht wird. Die zugeführte kinetische Energie wird also in elektrische ektris Energie umgewandelt. Daher wird der Motor dann auch Generator genannt. nt. Dies wird dann auch durch ein anderes Schaltsymbol G gekennzeichnet. Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Verlag 2 8

10 Lösungen Windenergie Geschichte der Windenergie Die Energie des Windes wurde schon vor 4000 Jahren genutzt, als die Ägypter die ersten Segelschiffe entwickelten. Später wurde die Windenergie auch für den Antrieb von Windmühlen genutzt. Mit ihnen wurde Korn gemahlen, Holz gesägt, gehämmert / geschmiedet und Wasser gepumpt. - Erst im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden die Windmühlen durch Maschinen verdrängt, die mit elektrischer Energie angetrieben wurden. Entstehung der heutigen Windenergieanlagen Die heutigen Windenergieanlagen entstanden aufgrund der Ölkrise in den 1970er-Jahren. Dadurch wurde es notwendig, auch andere Möglichkeiten der Energieerzeugung stärker zu berücksichtigen. Den Wind optimal nutzen Mit den Messinstrumenten der Windenergieanlage werden die Windstärke und die Windrichtung ermittelt. Dementsprechend wird die Gondel gedreht und der richtige Winkel der Rotorblätter eingestellt. Das Getriebe besteht aus vielen Zahnrädern. Dreht sich das Rotorblatt mit 20 Umdrehungen pro Minute (mit großer Drehkraft), sorgt das Getriebe dafür, dass daraus Umdrehungen pro Minute (mit geringer Drehkraft) werden, die an den Generator übertragen werden. Der Generator wandelt dann die kinetische Energie in elektrische Energie um. Sicherheit geht vor Zum Schutz vor Überlastung und bei Wartungsarbeiten wird die Bremse betätigt, sodass sich die Rotorblätter nicht mehr drehen können. Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Persen Verlag Wasserenergie Aufgabe 1 Laufwasserkraftwerke stellen elektrische Energie zur Verfügung. Eine Wehranlage staut dafür das Wasser eines Flusses. Dadurch entsteht ein Höhenunterschied zwischen Oberwasser und, Unterwasser der für den nötigen Antrieb der Kaplanturbinen sorgt. Aufgabe 2 Bei einem Laufwasserkraftwerk mit einer Fallhöhe von 12 m beträgt die maximale Durchflussmenge m 3 pro Sekunde. a) Berechne die Energiemenge, die dem Kraftwerk in einer Sekunde zugeführt wird. E = E pot = m g h = ,81 12 = 211,9 MJ = 211,9 MWs b) Welcher Leistung entspricht das? P = W t E = 211,9 MW Dies entspricht einer Leistung von 211,9 MW. t = c) Der Kraftwerksbetreiber rksbe gibt an, dass die Leistung des Kraftwerks 195 MW beträgt. Berechne den Wirkungsgrad des Kraftwerkes. ɳ (eta) = 195 = 0,92 Der Wirkungsgrad beträgt 92 %. 212 Aufgabe 3 In Speicherkraftwerken rken wird Wasser aus dem Stausee über Druckleitungen zu den (Pelton)turbinen befördert. Normalerweise eise arbeiten Speicherkraftwerke nicht im Dauerbetrieb wie Laufwasserkraftwerke. Sie werden nur dann betrieben, wenn besonders viel elektrische Energie benötigt wird. Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Persen Verlag 9

11 Lösungen Thermische Kraftwerke (1) Fluss Kohlekraftwerk 1) Durch das Verbrennen der Kohle wird chemische Energie in thermische Energie umgewandelt, die das Wasser zu Wasserdampf werden lässt. 2) Der Wasserdampf lässt die Turbine rotieren (kinetische Energie) und wird anschließend zum Kondensator weitergeleitet, der den Wasserdampf abkühlt und ihn zu Wasser werden lässt. Dieses Wasser wird dann wieder zum Kessel gepumpt _ und der Vorgang wiederholt sich erneut. 3) Der Generator wandelt die kinetische Energie der Turbine in elektrische Energie um. 4) Der Kühlturm leitet in den Kondensator fortlaufend Wasser. Dieses wird im Kondensator zu Wasserdampf und geht zurück an den. Kühlturm Dieser kühlt den Wasserdampf an seinen Betonwänden ab, welcher dann wieder größtenteils zu Wasser wird, das dann wieder zum Kondensator geleitet wird. Die Dampfmenge, die nicht kondensiert werden kann, wird beispielsweise durch Flusswasser ergänzt. 5) Die, Abgase die bei der Verbrennung entstehen, werden gefiltert und anschließend über den Kamin nach außen geblasen. Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Verlag Thermische Kraftwerke (2) Kernkraftwerk / Atomkraftwerk (AKW) Der wesentliche Unterschied zum Kohlekraftwerk ist die Art und Weise, wie Dampf erzeugt wird. Die thermische Energie entsteht nicht wie beim Kohlekraftwerk durch das, Verbrennen der Kohle sondern durch den Kernspaltungsprozess. Es wird also nicht wie beim Kohlekraftwerk die, chemische Energie sondern die Kernenergie genutzt. Dadurch entsteht auch kein CO 2, das in die Umwelt geleitet wird. Jedoch entstehen radioaktiv kontaminierte Abfälle und es besteht das Risiko eines GAUs. Im Reaktor wird mit den Regelstäben das Ausmaß der Kernreaktion in den Brennelementen und somit die Menge des erzeugten Dampfes gesteuert. Energiemix Deutschland In Deutschland (Stand 2010) stammt mt die elektrische Energie zu etwa 60 % aus fossilen Brennstoffen (wie z. B. Kohle, Heizöl oder ), Erdgas zu etwa 30 % aus Kernenergie rgie und zu etwa 10 % aus erneuerbaren Energien (wie z. B. Wind,, Wasser Biog Biogas oder Abfällen). Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen Elektrische Energie Persen Verlag 10

12 Lösungen Sonnenenergie Solarthermie Bei der Solarthermie erwärmt die Sonne ein flüssiges Medium (beispielsweise Wasser-Glykol-Gemisch) im Kollektor, welches durch den Brauchwasserspeicher geleitet wird und somit das Brauchwasser erwärmt. Sollte es nicht die gewünschte Temperatur erreicht haben, so wird das durch den Kollektor vorgewärmte Kollektor Brauchwasser durch das Heizsystem zusätzlich erhitzt und somit auf die gewünschte Brauchwasserspeicher Heizsystem Temperatur gebracht. Bei der Solarthermie wird also entweder ausschließlich oder ergänzend die Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf thermische Energie der Frischwasser (kalt) Sonne zur Erwärmung des Wassers verwendet. Photovoltaik Bei der Photovoltaikanlage wandeln die Solarzellen die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um und zwar in Form von Gleichstrom. Damit unsere netzbetriebenen Haushaltsgeräte laufen, brauchen wir jedoch. Wechselstrom Die Umwandlung Steckdose des Gleichstroms in Wechselstrom übernimmt dabei der Wechselrichter. chter. Die gesamte umgewandelte Energie wird ins öffentliche - Stromnetz eingespeist und ist über den Einspeisezähler ablesbar. Der Bezugszähler zeigt die Energiemenge an, die bisher insgesamt für den Betrieb aller elektrischen Geräte benötigt wurde. Solarthermische Kraftwerke Bei solarthermischen Kraftwerken wird der, Wasserdampf der zum Antrieb der Turbine benötigt wird, mithilfe von Solarkollektoren erzeugt. Es werden keine fossilen Brennstoffe benötigt und somit entsteht kein Kohlenstoffdioxid (CO2). Nabil Nabil Gad: Gad: Spezifische Grundwissen e Elektrische Energie Persen Verlag 11

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