Speicherung der elektrischen Energie ENT Schlüsselworte Windenergie, Generator, Kondensator, Speicherung, Sättigungsfunktion Prinzip Elektrische Energie kann mit Hilfe von Kondensatoren gespeichert werden. In diesem Versuch wird gezeigt, wie sich der Einbau eines Kondensators auf eine Anlage aus Windgenerator und Motor auswirkt. In einem zweiten Versuchsteil wird dann gemessen, wie sich unterschiedliche Ladezeiten auf die Laufdauer des Motors auswirken. Material *2 Leitungsbaustein, gerade, DB 09401-01 *4 Leitungsbaustein, winklig, DB 09401-02 *2 Leitungsbaustein, t-förmig, DB 09401-03 *2 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB 09401-04 *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB 09401-10 *1 Umschalter, DB 09402-02 *1 Motor mit Scheibe, 5 V, DB 09469-00 *1 Gebläse, 12 V 05750-00 *1 Generator mit 3 mm Achse 05751-01 *1 Rotor, 2 Stück 05752-01 *2 Klemmhalter mit 2 Spannstellen 02151-08 *1 Gleiter für Stativbank 02151-09 *2 Stativstange, Edelstahl, l = 500 mm 02032-00 *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel 02164-00 1 Kondensator, 1 F, DB 09450-10 Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell 02150-00 1 Netzgerät universal 13500-93 **1 Cobra4 Wireless-Manager 12600-00 **1 Cobra4 Wireless-Link 12601-00 **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00 **1 Halter für Cobra4, magnetisch 02161-10 **1 Software measure für Cobra4 14550-61 2 Verbindungsleitung, 250 mm, rot 07360-01 2 Verbindungsleitung, 250 mm, blau 07360-04 1 Verbindungsleitung, 250 mm, gelb 07360-02 1 Verbindungsleitung, 500 mm, blau 07361-04 1 Verbindungsleitung, 750 mm, rot 07362-01 1 Verbindungsleitung, 750 mm, blau 07362-04 Abb. 1: Versuchsaufbau qualitativ www.phywe.com P9505460 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1
ENT Speicherung der elektrischen Energie 1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten 09492-88 ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten 12608-88 Hinweis Das Gebläse darf maximal mit einer Spannung von 12 V betrieben werden. Vorschicht beim Umgang mit dem Generator. Nicht in die sich drehenden Rotorblätter fassen. Der Kondensator ist so an die Spannungsquelle angeschlossen, dass die Stromstärke beim Aufladen positiv und beim Entladen negativ ist. Die Cobra4 Sensor-Unit Energy gibt die Werte für elektrische Leistung und elektrische Arbeit immer mit positivem Vorzeichen an. 1. Qualitativer Versuch Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen, jedoch zuerst ohne den Kondensator. - Auf die Polung des Motors achten. - 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. - 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 Abb. 2: betragen (Abb. 2). - Gegebenenfalls den Abstand des Gebläses zur Tafel korrigieren und die Höhe des Generators durch Verschieben im Gleiter einstellen. Durchführung - Das Netzgerät einschalten und eine Spannung von 12 V einstellen. - Nach einiger Zeit das Netzgerät ausschalten und dabei den Motor beobachten. - Den Kondensator wie in Abb. 1 einfügen. - Den Versuch wiederholen und dabei den Motor beobachten. Aufbau Windrad und Gebläse Beobachtung Beim ersten Versuchsdurchgang ohne Kondensator stoppt der Motor sehr kurz nachdem das Netzgerät ausgeschaltet wurde. Beim zweiten Versuchsdurchgang mit Kondensator rotiert der Motor etwas langsamer als ohne Kondensator. Wenn das Netzgerät ausgeschaltet wird, dann wird der Motor langsamer, läuft aber mehrere Sekunden lang nach. Der Windgenerator läuft ebenfalls nach, jedoch nicht so lange wie der Motor. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9505460
Speicherung der elektrischen Energie ENT Auswertung Der Kondensator im Stromkreis ist parallel zum Motor geschaltet. Dadurch verringert sich der Strom durch den Motor und er läuft etwas langsamer als ohne Kondensator. Solange der Windgenerator läuft, erzeugt er eine Spannung und der Kondensator wird aufgeladen. Beim Ausschalten des Netzgerätes (Gebläses) entlädt sich der Kondensator, dadurch fließt ein Strom durch den Motor des Windgenerators und der Motor im Baustein. Die Motoren laufen bis die Kondensatorspannung die Mindestspannung eines Motors erreicht. Der kleine Motor im Baustein läuft länger, da er zum Betrieb nur eine sehr kleine Spannung benötigt. 2. Quantitativer Versuch Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 3 aufbauen und dabei auf Folgendes achten: o Die Polung des Kondensators. o Der Umschalter schließt den Stromkreis des Motors. o Der rote Stecker soll in die ma -Buchse an der Cobra4 Sensor-Unit Energy gesteckt werden. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. Abb. 3: Versuchsaufbau mit Umschalter www.phywe.com P9505460 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3
ENT Speicherung der elektrischen Energie - 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 ENT laden (Experiment>Experiment öffnen> ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 4). - Netzgerät einschalten und eine Spannung von 12 V einstellen. - Den Schalter umlegen (Kondensator aufladen) und gleichzeitig die Messwertaufnahme in measure starten. - Nach 30 Sekunden die Messwertaufnahme in measure beenden und gleichzeitig das Netzgerät ausschalten. - Direkt im Anschluss eine Wiederholungsmessung durchführen. - Das Netzgerät bleibt aus. - Beim Start der Messwertaufnahme in measure den Schalter umlegen (Kondensator entladen). - Den Motor beobachten. - Messwertaufnahme in measure beenden, wenn der Motor stoppt. - Alle Messungen in das measure Hauptprogram übertragen. - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. - Den Versuch mit einer Ladezeit des Kondensators von 60 Sekunden und anschließend auch mit 120 Sekunden wiederholen. Abb. 4: Messwerterfassung Ladezeit 30 s 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9505460
Speicherung der elektrischen Energie ENT Beobachtung Bei längerer Ladezeit läuft der Motor länger. Die jeweils zweite Kurve (entladen) verläuft deutlich flacher als die erste (laden). Auswertung Mit Hilfe der Funktion Vermessen, lassen sich folgende Werte ermitteln: Ladezeit 30 s 60 s 120 s Laufzeit 44 s 84 s 110 s Elektrische Arbeit (laden) 2,4 Ws 3,8 Ws 5,3 Ws Elektrische Arbeit (entladen) 0,3 Ws 1,0 Ws 1,6 Ws Das Verhältnis zwischen Laufzeit des Motors und Ladezeit des Kondensators wird schlechter, je länger der Kondensator geladen wird. Auf- und Entladekurve zeigen den für einen Kondensator typischen Verlauf einer Sättigungsfunktion (Exponentialfunktion). Bei einer Verlängerung der Ladezeit um z. B. 30 s wird daher nicht mehr so viel Energie zusätzlich gespeichert wie in den ersten 30 s. Die elektrische Arbeit ist beim Entladen deutlich geringer als beim Laden des Kondensators. Dies liegt daran, dass ein Kondensator relativ große Verluste aufweist, z. B. durch natürliche Entladung. Auch durch den Motor treten Verluste in Form von Reibung auf. Anwendung Im Vergleich zu Batterien mit chemischen Speichermedien haben Kondensatoren den großen Vorteil, die gespeicherte elektrische Energie direkter abgeben zu können, da Energie nicht umgewandelt werden muss. Insbesondere bei höheren Spannungen liefern Kondensatoren dadurch einen zeitlichen Vorteil, weshalb sie oft Anwendung in Hochspannungswerken finden. Abb. 5: Messauswertung Ladezeit 120 s www.phywe.com P9505460 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5
ENT Speicherung der elektrischen Energie Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 5.7 Speicherung der elektrischen Energie aus Windenergie mit einem Kondensator (P9512100) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P9505463 1 Cobra4 Mobile Link 12620-00 1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00 1 Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger 12623-88 1 Halter für Handmessgeräte 02161-00 1 Digitale Großanzeige 07157-93 Versuch P9505400 1 Arbeits- und Leistungsmessgerät 13715-93 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P9505460