Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Belastung

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1 Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von ENT Schlüsselworte Windenergie, Leistung, Windkraftanlage, Generator Prinzip Windkraftanlagen wandeln die in der Strömung des Windes enthaltene Energie in elektrische Energie um. Durch Wind drehen sich die Rotoren, welche wiederum einen Generator antreiben. Dieser in der Rotorkanzel befindliche Generator wandelt die mechanische in elektrische Energie um. In diesem Versuch soll untersucht werden, wie sich ein Windrad bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Belastungen und bei unterschiedlichen Windrichtungen verhält und wie sich solche Veränderungen auf die elektrische Leistung auswirken. Material *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Lampenfassung, DB *1 Ausschalter, DB *1 Motor, 5V *1 Gebläse, 12 V *1 Generator mit 3 mm Achse *1 Rotor, 2 Stück *2 Klemmhalter mit 2 Spannstellen *1 Maßstab, magn *1 Gleiter für Stativbank *2 Stativstange, Edelstahl, l = 500 mm *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel *1 Glühlampe 1,5 V / 0,15 A, 1 St. von *1 Glühlampe 4 V / 0,04 A, 1 St. von *1 Glühlampe 3,5 V / 0,2 A, 1 St. von Empfehlenswert: Winkelmesser Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless-Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von Hinweis Das Gebläse darf maximal mit einer Spannung von 12 V betrieben werden, da sonst der Motor zerstört werden könnte. Vorschicht beim Umgang mit dem Generator. Das Hineinfassen in die sich drehenden Rotorblätter ist zu vermeiden. Die Windgeschwindigkeit kann alternativ zu diesem Versuch auch variiert werden, indem der Abstand zwischen Windrad und Gebläse verändert wird. Der Versuch zur Änderung der Windrichtung wird nacheinander mit Winkeln von 0, 30 und 45 durchgeführt, dafür wären ein Winkelmesser oder eine gezeichnete Skala hilfreich. Aufbau - Den Lampenstromkreis nach Abb. 1 mit der 1,5-V-Glühlampe aufbauen. - Der Schalter ist geschlossen. - An der linken Seite der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin das Gebläse haltern. - Das Gebläse so ausrichten, dass es einen waagerechten Windstrahl entlang der unteren Hälfte der Tafel erzeugt. - Gebläse mit dem Gleichspannungsausgang des Netzgerätes verbinden. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. Abb. 2: Aufbau Windrad und Gebläse Abb. 3: Messwertaufnahme: Leistung in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Last 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von ENT - Für das Windrad eine Stativbank aufbauen: Die beiden Klemmhalter auf den Tisch stellen Den Gleiter auf die beiden Stativstangen schieben und die Stangen durch die beiden Bohrungen in den Klemmhaltern führen. - Die Stativbank an die Tafel setzen (Abb. 1) und waagerecht ausrichten. - Die 6 Rotorblätter am Windgenerator befestigen - Den Windgenerator in die Bohrung des Gleiters setzen. - Der Abstand zwischen Windgenerator und Gebläse soll 5 cm betragen (Abb. 2). - Gegebenenfalls den Abstand des Gebläses zur Tafel korrigieren und die Höhe des Generators durch Verschieben im Gleiter einstellen. - Den Generator über die Cobra4 Sensor-Unit Energy mit der Glühlampe verbinden (Abb. 1). - Darauf achten, dass das rote Kabel vom Generator mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). 1. Änderung der Windgeschwindigkeit - Die Spannung am Netzgerät auf 0 V einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Sehr langsam die Spannung am Netzgerät auf 12 V erhöhen. 2. Änderung der Belastung 1,5-V-Glühlampe - Etwa 15 Sekunden lang warten. - Den Schalter im Stromkreis öffnen und dabei auf das Geräusch des Windgenerators achten. 3,5-V-Glühlampe - Die 1,5-V-Glühlampe gegen die 3,5-V-Glühlampe austauschen. - Den Schalter schließen Sekunden warten und den Schalter wieder öffnen. 4-V-Glühlampe - Die 3,5-V-Glühlampe gegen die 4-V-Glühlampe austauschen Sekunden warten. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. - Das Netzgerät ausschalten. - Die Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von 3. Änderung der Windrichtung - Die Lampenfassung gegen den 5-V-Motor austauschen. - Den Maßstab parallel zur Stativbank an die Tafel setzen, die Null befindet an der linken Tafelkante. - Windgenerator wie in Abb. 1 zum Gebläse ausrichten (Winkel 0 ) - Der Abstand zwischen Gebläse und Windrad soll jetzt 25 cm betragen. - In das Cobra4 Messprogramm wechseln. - Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Etwa 20 Sekunden lang warten. - Netzgerät ausschalten. - Windgenerator um einen Winkel von 30 drehen (Einstellhilfe: die Spitze des Windrades sollte jetzt genau über der vorderen Stativstange sein). Dann den Windgenerator in Richtung Gebläse schieben und den Abstand des Gebläses zur Tafel vergrößern bis seine Mitte wieder mit der Mitte des Rotors übereinstimmt. - Windgenerator wieder auf den Abstand 25 cm bringen. - Netzgerät einschalten. - Etwa 20 Sekunden lang warten. - Netzgerät ausschalten. - Die Messung mit einem Winkel von 45 wiederholen. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. - Die Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. - Das Netzgerät auf 0 V stellen und ausschalten. Beobachtung Bei Erhöhung der Windgeschwindigkeit nimmt die Leistung des Windgenerators zu und die Glühlampen leuchten heller, erreichen aber nicht ihre volle Helligkeit. Wird der Stromkreis unterbrochen, geht die Leistung auf Null zurück, die Drehzahl des Windgenerators steigt und es ist deutlich zu hören, dass er lauter wird. Wenn das Windrad nicht von vorn sondern von der Seite angeblasen wird, dann nimmt die Leistung bei größeren Winkeln deutlich ab. Auswertung Einfluss von Windgeschwindigkeit und Belastung Verwendet man in Abb. 4 die Funktion Vermessen Tabelle 1 ergeben sich folgende Werte: 1,5-V-Glühlampe 3,5-V-Glühlampe 4-V-Glühlampe Leistung P 0,125 W 0,137 W 0,099 W Aus den angegebenen Daten der Glühlampen für Spannung und Stromstärke lassen sich ihre Nennleistungen berechnen (siehe Tabelle), bei der die Glühlampen hell leuchten würden. Der Vergleich von Nennwerten und Messwerten der Leistung zeigt, dass der Windgenerator (der im Abstand von 5 cm vom Gebläse eine Leerlaufspannung von fast 4 V hat) mit angeschlossener Glühlampe nicht genug Leistung abgeben kann und deshalb die Glühlampen nicht hell leuchten. Die verschiedenen Glühlampen stellen unterschiedliche Widerstände dar. Mit der Belastung ändert sich die Drehzahl und damit die Lautstärke des Windrades. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von ENT Tabelle 2: Daten der Glühlampen U I P = U I R = U / I 1,5-V-Glühlampe 1,5 V 0,15 A 0,225 W 10 Ω 3,5-V-Glühlampe 3,5 V 0,2 A 0,7 W 17,5 Ω 4-V-Glühlampe 4 V 0,04 A 0,16 W 100 Ω Abb. 4: Messauswertung: Leistung in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Belastung Einfluss der Windrichtung Mit Hilfe der Funktion Vermessen Tabelle 3 ergeben sich aus Abb. 5 folgende Werte: Winkel Leistung P 0,027 W 0,018 W 0,012 W Wenn das Windrad sich um den Winkel α dreht, verändert sich die Fläche, die senkrecht zum Wind zeigt um den Faktor cos α. Entsprechend sollte sich theoretisch die Leistung verändern. Die gemessene Leistung weicht aber stark davon ab, weil z. B. das Windrad relativ dicht am Gebläse steht und durch die schräge Stellung eine Seite stärker angeblasen wird als die andere. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Elektrische Energie aus Windenergie - Einfluss von Abb. 5: Messauswertung: Leistung in Abhängigkeit von der Windrichtung Anwendung Windräder werden immer automatisch nach der Richtung des Windes mitgeführt um ihre Leistung zu optimieren. Wetterbedingt ist Windenergie nur ungleichmäßig nutzbar und macht eine zusätzliche Speicherung oder eine Ergänzung durch andere Kraftwerke nötig. Die regenerativen Energien Wind- und Solarenergie ergänzen sich auch im jahreszeitlichen Rhythmus gut. Das Angebot an Windenergie ist im Winter größer als im Sommer, bei der Solarenergie umgekehrt. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN Elektrische Energie aus Windenergie (P ) 5.2 Einfluss der Windgeschwindigkeit (P ) 5.3 Einfluss der Windrichtung (P ) 5.4 Beobachtung eines Windrades unter Belastung (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P