Norsk OVERSETTELSE. Version 1.0, 27-jan Profi E-TEC Side 1

Transkript

1 Norsk OVERSETTELSE Version 1.0, 27-jan Profi E-TEC Side 1

2 INNLEDNING Vi takker for at du har valgt å kjøpe Profi Eco Power fra fischertechnik og håper du får mye glede av å bygge og eksperimentere med de mange modellene som er beskrevet i den medfølgende konstruksjonsboken (byggeveiledningen). Dette heftet gir litt bakgrunnsinformasjon, samt beskrivelse av oppbygning og virkemåte for de forskjellige modellene. Etter hvert vil du også finne flere byggeeksempler og annen nyttig tilleggsinformasjon på så ta en tur innom og sjekk når det passer! Har du spørsmål eller kommentarer vedrørende motorbyggesettet ditt? Send en til post@teknotorget.no Vi lover å svare så snart vi kan. INNHOLD 1 Eco Power Energi fra fornybare energikilder Hva er energi? Energi fra vann Vannets kinetiske energi Elektrisk kraft fra vannkraft Vindenergi Solenergi Solcellen Seriekoblede Solceller Paralellkoblede solceller Brokoblede solceller Lagring av elektrisk energi Goldcap energilager Lade opp Goldcap ved hjelp av solenergi Lade opp Goldcap-kondensatoren ved hjelp av vindenergi Hva nå? Profi E-TEC Side 2

3 1 Eco Power Energi fra fornybare energikilder Alle trenger store mengder energi hver eneste dag. La oss tenke etter hva vi gjør i løpet av en vanlig dag: Ofte begynner det med at vekkerklokken eller klokkeradioen vekker oss. Strømmen til klokke eller radio kan komme fra batterier eller fra stikkontakten i veggen. Når vi er passe våkne slår vi på lyset, tar en dusj eller et bad i behagelig varmt vann som er vanligvis er varmet opp ved hjelp av strøm eller olje. Deretter tørker vi kanskje håret med en føner. Rommene i huset holder behagelig varme når vi står opp. Om vinteren betyr dette at de er varmet opp ved hjelp av strøm, olje, ved eller andre energikilder som er tilgjengelige. Til frokost ønsker vi kanskje å koke egg, te, kakao, etc. Igjen så bruker vi strøm (eller kanskje gass). Vi tar også ut pålegget fra kjøleskapet som sørger for en temperatur som gjør at pålegget holder seg friskt ganske lenge. I løpet av morgenen ønsker vi gjerne også å se på TV eller høre radio for å få med barne-tv, nyheter, osv. Deretter er det å reise av gårde til skolen. For mange går turen med bil eller buss, som selvsagt trenger drivstoff. Sånn kunne vi fortsette å lage en lang liste med ting som krever energi. Det er i hvert fall ikke vanskelig å innse at de fleste av oss stadig er i situasjoner der vi benytter utstyr som bruker en eller annen form for energi. Til sammen blir dette faktisk enorme mengder. Og hvor kommer denne energien fra? Her i Norge er vi heldige og får mye av energien fra vannkraft. Allikevel er det energi fra olje, gass og kull fossile energikilder som brukes mest. I tillegg får man i mange land mye energi fra kjernekraft eller atomkraftverk. Men både fossilt brennstoff og kjernekraft har åpenbare ulemper: De fossile energikildene er begrensede. Selv om det fortsatt er mye kull, olje og gass igjen vet vi at dette kommer til å bli brukt opp. Forbrenning av kull, olje og gass resulterer i forurensning selv om mengden varierer ganske mye. I tillegg produserer forbrenningen CO 2 som bidrar til oppvarming av jordas atmosfære (drivhuseffekten). Kjernekraften kan sies og være ren energi, men vi må huske på at de radioaktive stoffene som benyttes under forbrenningen en svært skadelige. Eventuelle utslipp som følge av feil i slike anlegg kan gjøre enorme skader. Dessuten blir det igjen radioaktivt avfall etter forbrenningen. Dette vil fortsette og stråle med farlige strålingsnivåer i opp til flere tusen år. Det betyr at sikker lagring ikke er noen enkel sak. Det er altså nok av gode grunner for å se seg om etter alternativer til de energikildene vi for det meste benytter i dag. Det ideelle er selvsagt former som ikke er miljøskadelige og som i tillegg ikke brukes opp slik som f.eks. olje og gass. Og slike energikilder fins jo vi kaller dem fornybare energikilder. Sola gir oss enorme mengder energi. Det gjør også vinden. Vi har allerede nevnt vannkraft, som vi benytter masse av i Norge. Dette settet viser hvordan vi kan omforme energien fra disse kildene til elektrisk strøm slik at vi kan benytte alle de hjelpemidlene vi er blitt så avhengige av. I dette settet skal vi bruke både vann, vind og sol. Ved hjelp av flere modeller skal vi se nærmere på hvordan vi kan generere og lagre elektrisk energi og deretter bruke energien til å få liv i fischertechnik-modellene. Lykke til! 2 Hva er energi? Vi snakker stadig om energi, men hva betyr det og hvordan kan vi måle energi? Med energi mener vi noe som gjør en gjenstand i stand til å utføre et eller annet slags arbeid. Måleenheten vi benytter for energi er Joule (J) Profi E-TEC Side 3

4 Det eksisterer flere forskjellige energiformer, for eksempel: Kinetisk energi, som er den energien som frigjøres når en gjenstand er i bevegelse. Potensiell energi, som er den energien en gjenstand har når den er i en gitt høyde. Elektrisk energi, i form av elektrisk effekt og strøm. Elektrisk energi blir ofte uttrykt som kilowatt timer - kwh. Kilo = 1000, Watt er effekten (Strøm x Spenning), Hours (timer) er tiden det har tatt å produsere effekten. Eksempel: En glødelampe har en effekt på 100 watt. Den lyser i 10 timer. Energien som lampen trenger er: 100 W x 10 h = 1000 Wh = 1 kwh For bedre å forstå hvor mye energi en KWh inneholder, la oss gjøre følgende eksperiment: En sykkeldynamo har en effekt på 3 watt. Når dynamoen kobles til omformes noe av hjulets kinetiske energi til elektrisk energi. Oppgave 1: Hvor mye energi blir omformet fra kinetisk til elektrisk energi i løpet av en times sykkeltur? Løsning Energi = 3 W x 1 h = 3 Wh = 0,003 kwh Oppgave 2: Hvor lang tid må du sykle for at dynamoen skal produsere 1 kwh (1000Wh)? Løsning Dette kan vi finne fram til ved hjelp av formelen: Energi (kwh) = Effekt (W) x Tid (h) Tiden blir da: Tid = Energi/Effekt = 1000 Wh/3W = 333,33 h Altså: 333,33 timer 333,33 timer er det samme som 13,88 døgn. Det betyr at vi må sykle kontinuerlig i nesten 2 uker for å få 1 kwh energi, som glødelampen i forrige eksempel bruker opp i løpet av 10 timer. Hvis vi antar at en familie på 4 her et elektrisk energiforbruk på kwh pr. år kan vi med en gang konkludere at den elektriske energien vi får ved hjelp av den miljøvennelige sykkeldynamoen ikke akkurat monner. Vi må nok rette oppmerksomheten mot andre energikilder. 3 Energi fra vann 3.1 Vannets kinetiske energi Menneskene har brukt den kinetiske energien til vannet til å drive forskjellige slags maskiner gjennom hundrevis av år. Til å begynne med ble maskinene drevet direkte ved hjelp av mekaniske systemer Profi E-TEC Side 4

5 Oppgave 1: Vet du om noen slags maskiner som er eller vært drevet direkte ved hjelp av kinetisk vannkraft? Vannmøller Sagbruk Hammermøller Prinsippet bak drivmekanismen er den samme for alle disse maskinene. Vannet styres inn mot et vannhjul, som går rundt på grunn av vanntrykket (vekten av vannet). Vannhjulets bevegelse overføres ved hjelp av en eller flere aksler til maskinen. For å få en bedre forståelse av hvordan det hele virker foreslår vi at du nå bygger en hammermølle. Montasjeveiledning finner du på side 4 i det andre heftet. Du kan holde vannhjulet direkte under en vannkran. Bruk gjerne badekaret for å unngå søl. Om sommeren er dette selvsagt en fin uteaktivitet, særlig om du kan bruke vann direkte fra hageslangen. Men ikke for kraftig vannstråle! Merk deg rotasjonsretningen på figuren i montasjeveiledningen. Jern ble i tidligere tider varmet til det var rødglødende og smidd ved hjelp av slike hammermøller. Oppgave 2: Hva er ulempene med denne formen for vannkraft? Energien kan kun utnyttes ved elven eller fossen. Litt fleksibilitet fikk man til ved å styre vannet i rør og kanaler men uansett måtte selve maskineriet stå nær det rennende vannet. Energien kan ikke lagres men må benyttes umiddelbart når den er tilgjengelig. Energien er kun tilgjengelig til et begrenset formål (drive en eller et fåtall maskiner) Profi E-TEC Side 5

6 Oppgave 3: Hvordan benyttes vannkraft nå til dags? Vi genererer elektrisk strøm fra vannkraften ved hjelp av turbiner (en slags vannhjul) som driver strømgeneratorer (store dynamoer). Når energien først er omgjort fra vannets bevegelsesenergi til elektrisitet kan den føres over store avstander ved hjelp av elektriske høyspentkabler. 3.2 Elektrisk kraft fra vannkraft For å forstå bedre hvordan dette fungerer skal du nå bygge en vannkraftturbin (se montasjeveiledning side 7). Den lille motoren benyttes som generator i dette eksemplet. Hvis du roterer akselen til motoren generer magnetfeltet i motoren en elektrisk spenning som vi kan ta ut via ledningene til motoren. Hvis vi kobler til den grønne lysdioden (LED = Light Emitting Diode) vil spenningen ut fra motoren gjøre at strømmen flyter igjennom kretsen slik at lysdioden tennes. Siden motorakselen må rotere svært hurtig må hastigheten til vannhjulet eller turbinhjulet omformes med forholdet 1:4 (motorakselen vil altså gå 4 ganger så fort rundt som vannhjulet). Hold vannhjulet under vannkranene (eller en slange) igjen å få det til å rotere så hurtig at lysdioden tennes. Vær obs på rotasjonsretningen. Pass på! Dette eksperimentet er velegnet til å lage oversvømmelse både på kjøkken og baderom. Det kan være svært gøy så lenge det varer men ende med svært ubehagelige resultater siden foreldrene dine høyst sannsynlig vil reagere kraftig om det ender med mye vannsøl. Er du litt forsiktig er det fullt mulig å begrense sprutingen fra vannhjulet. Den beste fremgangsmåten er å la vannstrålen treffe bladene på vannhjulet litt på siden (prøv deg litt fram så ser du hva som fungerer best). Motoren er plassert slik at den ikke vil bli våt dersom du er forsiktig. Litt vannsprut vil ikke ødelegge den men du må ikke dyppe den nedi vannet eller la vannet konstant sprute på motoren. Lysdioden er kun ment å vise at det er mulig å generere strøm ved hjelp av solarmikromotoren. Den er ikke egnet for de andre fischertechnikmodellene. Lysdioden skal ha en spenning på maksimum 2 volt. Blir spenningen høyere vil den ødelegges umiddelbart. Den må altså ikke kobles direkte til fishertechniks 9 volt strømforsyning. Da ser du kanskje et bittelite blaff og så er den død Profi E-TEC Side 6

7 Oppgave 1: Hva er fordelen med elektrisk strøm laget ved hjelp av vannkraft fremfor å bruke fossile brennstoff som f.eks. kull til å lage elektrisitet? Brukes vannkraft slipper man unna forurensende avgasser. Dessuten er vannkraften fornybar så lenge det fortsetter å regne vil elven være der! Oppgave 2: Hvilke inngrep i miljøet vil være nødvendig for å kunne lage elektrisitet ved hjelp av vannkraft? Det vil svært ofte være nødvendig å bygge store demninger for å samle opp vannet til de periodene man trenger kraften. Dette betyr at landområder må legges under vann. Videre er det viktig at høyden på selve vannfallet er høyt nok til å gi tilstrekkelig potensiell energi slik at turbinene kan drives. For å få styrt vannet inn på turbinene betyr dette at vannet må føres vekk fra naturlige fosser og stryk og isteden gå gjennom tunneler og rør inn til turbinen. Oppgave 3: I hvilke regioner foretrekkes denne formen for elektrisk energi, og hvorfor? I områder med mye fjell fordi hele daler kan demmes opp å gi gigantiske vannreservoarer eller dammer. Vann kan falle hundrevis av meter. Følgelig er det en enormt stor potensiell energi som er tilgjengelig for turbinene. Der det er elever med stor naturlig høydedifferanse mellom kilde og utløp hvor vannet også kan demmes opp. I nordsjøområdet hvor tidevannet brukes til å drive generatorer som utnytter vannstrømmene i forbindelse med høy- og lavvann til å lage elektrisk strøm Profi E-TEC Side 7

8 4 Vindenergi Elektrisitet som genereres fra vindkraft er også resultat av energiomforming fra en fornybar energikilde. I mange regioner er det nærmest alltid vind. Luftens kinetiske energi kan i slike områder omformes til elektrisk energi ved hjelp av vindmøller. Vi vil her demonstrere denne formen for energiproduksjon ved hjelp av en modell av en virkelig vindmølle eller vindkraftstasjon (se montasjeanvisning side 10). Vi vil bruke den lille motoren til å produsere elektrisitet og lysdioden til å vise at dette virkelig fungerer. Merk: Det er viktig at den blå rotoren plasseres på riktig side av den røde tilkoblingen slik at maksimalt med energi blir produsert. Det er en listen fisk (fischertechniksymbolet) på den ene siden av rotorbladet. Dette symbolet må peke mot motoren. Hvis du holder en hårføner eller en annen vifte mot rotoren vil den begynne å rotere fortere og fortere inntil lysdioden tennes. Bor du på et sted det blåser en del kan du selvsagt teste ut modellen utendørs det er jo mye mer realistisk! Vi kommer til å trenge denne modellen igjen når vi ser nærmere på lagring av energi men du kan demontere den nå fordi det er fort gjort å setter den sammen igjen. Oppgave: Det faktum at denne formen for energiproduksjon er miljøvennlig er vel noe de fleste er enige om, siden det ikke blir produsert forurensende i det hele tatt. Men hvilke ulemper har vindkraft sammenlignet med vannkraft eller tradisjonell energiproduksjon basert på olje eller gass? Elektrisitetsproduksjonen er avhengig av at det er vind. Vinden kan ikke magasineres på samme måte som vann! En del kritikere mener de ødelegger landskapet siden de alltid må stå på åpne områder der de syns godt. Vindmøller dreper mange fugler! Profi E-TEC Side 8

9 5 Solenergi Om vi brukte opp alle fossile energilagre (ved/planter, kull, olje og gass) på jorden for å produsere energi ville alt dette kun produsere en energimengde som svarer til hva solen stråler inn på jorden i løpet av tre dager! Oppgaven vår der derfor å benytte denne enorme og samtidig forurensningsfrie energikilden til å produsere mer av den elektrisiteten vi trenger. I de følgende eksperimentene skal vi bruke solceller. 5.1 Solcellen Men hva er nå en solcelle? Og hvordan kan vi omforme sollys til elektrisk energi? Solceller er laget av silisium. Silisiumblokker blir skjært opp i veldig tynne skiver, på omtrent 0,5 mm. Disse skivene blir tilsatt spesielle stoffer, eller dopet med spesielle forurensninger (som man sier det på fagspråket) som gjør at det skapes en ubalanse i silisiumstrukturen. Dette gjør at det skapes to lag: Det positive p-laget og det negative n-laget. For å si det enkelt, når sollyset kommer på solcellen oppstår det en elektrisk strøm på grunn av at elektroner beveger seg fra n-laget via den tilkoblede enheten (f.eks. en motor) og videre til p-laget. Lys Elektronstrøm Forbruker For alle som er interessert i fysikk følger nedenfor en noe mer detaljert beskrivelse av hvordan solcellene produserer elektrisk strøm: Det oppstår et overskudd av elektroner i n-laget på grunn av at de urenhetene som er tilsatt silisiumet inneholder flere elektroner enn det rene silisiumet. Dette betyr at de frie elektronene farer rundt på denne siden. Disse elektronene kan flytte seg helt spesifikke avstander, avhengig av hvor mye energi de tilføres. I det positive p-laget mangler det derimot elektroner fordi de urenhetene som ble tilsatt i dette området har færre elektroner enn det rene silisiumet. Dette gjør at det oppstår såkalte hull. Disse hullene tar gjerne opp elektroner om det er noen i nærheten. Dette betyr altså at de frie elektronene fra n-laget forflytter seg (migrerer) til p-laget og fyller hullene i dette. Sidene elektronene har for lite energi til at de kan bevege seg lange, vilkårlige avstander til hullene ender det alltid med at det kun er hullene i et spesifikt område i overgangen mellom p- og n-lagene som fylles. Dette området kalles da også en p-n overgang Profi E-TEC Side 9

10 Jo mer lys (dvs. energi) som treffer solcellen, jo mer bevegelige blir elektronene. Altså de kan forflytte seg over lengre avstander. Når vi har koblet en solcelle til en forbruker (motor, lampe eller lignende) vil elektronene ønske å bevege seg i denne retningen (dette kan man gjerne se på som en slags sugeeffekt). Eller vi kan tenke oss strømmen som en flytende bevegelse av elektroner som forflytter seg til fra n- til p-laget som igjen forårsaker en strøm i ledningene i kretsen og dermed settes motoren i bevegelse. Nå kan du sjekke at dette fungerer ved å koble til en enkelt solcelle til solarmotoren og prøve ut hvor mye lys som skal til for å få motoren til å kjøre! En enkel solcellen gir 0,6 volt og en maksimal strøm på ca. 930 ma. Motoren har en merkespenning på 2 volt men den starter allerede ved spenningsnivåer på 0,3 volt (forutsatt at den ikke er tilkoblet noen form for belastning). Følgelig er det mulig å få motoren til å fungere med kun en solcelle! Eksperiment 1: Finn ut hvor mye lys som kreves for at motoren skal rotere. Hvis du gjør eksperimentet innendørs kan du benytte en vanlig glødelampe (fluorescerende lamper er ikke egnet til dette). Kanskje er det tilstrekkelig dagslys i rommet til at motoren starter uten noen ekstra lyskilde. Prøv deg gjerne fram litt. Start midt i rommet eller på et mørkt sted og beveg deg f.eks. mot et vindu med skikkelig sollys og se hva som skal til av lys før motoren starter opp. Eksperiment 2: Hvis du har et måleinstrument for å måle strøm og spenning (f.eks. et digitalt multimeter) kan du måle ved hvilken spenning motoren starter, samt hvor mye strøm det går i kretsen. Du vil se at motoren ikke kan utvikle særlig stor effekt når den kun drives av en solcelle. Når vi nå ønsker å bruke motoren til å drive en vanlig fischertechnikmodell fins det flere metoder for å få mer effekt ut av motoren Profi E-TEC Side 10

11 5.2 Seriekoblede Solceller Bygg oljepumpemodellen (ref. Montasjeveiledningen side 12). En slik olje pumpe kan brukes til å pumpe opp olje fra dype brønner, langt under overflaten. F.eks. i ørkenområder der solen skinner hver eneste dag nærmest kontinuerlig. For i det hele tatt å få i gang oljepumpen trenger motoren relativt høy startspenning. Følgelig må to solceller kobles i serie, som vist i montasjeveiledningen. Resultat blir at spenningene fra de to seriekoblede solpanelene kan adderes og dermed dobles. Oppgave 1: Hva er maksimal spenning som motoren kan få fra solcellepanelene i seriekobling? 2 x 0,6 V = 1,2 V Oppgave 2: Hva er maksimal strøm som motoren kan få fra solcellepanelene i seriekobling? Strømmen som flyter gjennom de to solcellene holder seg konstant når disse er koblet i serie. Maksimum strøm er derfor 930 ma. Oppgave 3: Hvilken spenning trenger motoren for å starte opp med denne modellen? Hvor mye strøm bruker den da? (Denne oppgaven kan du bare besvare om du har et måleinstrument tilgjengelig. Om du har et måleinstrument (multimeter) vil du finne at de målte verdiene er avhengige av hvor mye friksjon det er i pumpen og fra hvilken posisjon den skal startes opp.) Med ovennevnte forbehold om mulige variasjoner: Spenning: ca. 0,5 volt Strøm: ca. 20 ma Profi E-TEC Side 11

12 5.3 Parallellkoblede solceller Bygg en roterende svingmodell som vist i montasjeveiledningen side 16. Når du monterer denne modellen er det viktig at du forvisser deg om at alle aksler og tannhjul løper lett. Motoren trenger ikke å rotere hurtig i denne modellen, fordi da vil setene i den roterende svingarmen kunne slå helt rundt. Men denne modellen skal kunne operere også når det er veldig lite lys tilstede. Derfor er solcellene denne gangen parallellkoblet. I parallellkobling forblir spenningen den samme som om det var kun en tilkoblet celle. På den annen side vil den doble cellen kunne levere mer strøm under de samme lysforhold enn om det hadde vært kun en celle. Dette takket være den doble solcelleoverflaten som er tilgjengelig. Eksperiment 1: Finn ut hvor mye lys som skal til for at den roterende svingarmen begynner å bevege seg. Eksperiment 2: Forsøk å drive modellen med kun en solcelle. Finn ut hvor mye lys som krves i dette tilfellet. Eksperiment 3: Koble de to solcellene i serie, (som du gjorde i oljepumpemodellen se montasjeveiledning side 13). Du kan jo selv vurdere om passasjerende vil bli sjøsyke av de voldsomme bevegelsene om du kjører svingarmen på denne måten Profi E-TEC Side 12

13 5.4 Brokoblede solceller Hva betyr dette? Meget enkelt: Solcellene skal nå kobles slik at plusspolen til en solcelle tilkobles minuspolen til den andre. Følgende modell viser hva du da kan gjøre. KRAN se montasjeveiledningen side 20. Denne kranmodellen er i stand til å løfte en liten last. Prøv deg fram og se hva den orker. Det som er spesielt med brokoblingen er at ingenting skjer dersom begge solcellepanelene belyses like sterkt. Dekker du en av solcellene begynner motoren å gå. Dekker du i stedet den andre vil du se at motoren skifter dreieretning. På denne måten kan du erstatte en polvender med to solceller. KRAN (se montasjeveiledning på side 20) Oppgave 1: Klarer du å skissere hvordan motorens rotasjonsretning (eller retningen til strømmen gjennom motoren) påvirkes av at du dekker til en av solcellene. Solcelle A tildekket Solcelle B tildekket Profi E-TEC Side 13

14 Oppgave 2: Hva kan gjøres for at kranen skal kunne løfte en tyngre last enn det den klarer med brokoblede solceller? Hvis cellene seriekobles isteden kan motoren løfte mer (men da mister du muligheten til å endre retning) Et annet alternativ er å øke gear-reduksjonen (samme som når du girer til lette gir på en sykkel du klarer større motbakker men hjulet går også saktere rundt), f.eks. ved å benytte et tannhjul med 40 tenner i stedet for 20. Du må bygge kranen på nytt for å få til dette. SOLCELLE TRACKERSYSTEM En annen anvendelse av antiparallell forbindelse, eller brokobling er solcelletrackersystemet som du kan bygge etter veiledningen på side 24 i konstruksjonsheftet. Dette er en enkel konstruksjon som sørger for at solcellene beveger seg med solen og hele tiden orienterer seg selv som et kompass i forhold til solen. Det hjørnet der de to solcellene møtes vil alltid peke i retning av solen. Vær nøye med å få montert kablene korrekt når du kobler opp denne konstruksjonen. Gjør du feil risikerer du for eksempel at solcellene snur seg vekk fra solen. Oppgave 1: Hvordan fungerer dette enkle prinsippet for å styre etter solen (soltracking)? Dersom spissen (hjørnet mellom de to cellene) peker i retning av solen får begge solcellene lys samtidig og motoren vil ikke kjøre. Når solen flytter seg vil en av cellene få mer lys på seg enn den andre. Det vil da produseres elektrisk energi som får motoren i gang. Motoren vil være i bevegelse så lenge den får strøm fra solcellene og det får den så lenge det er forskjellig lysintensitet mot de to solcellene. Derfor vil motoren trekke solcellen i retning av solen. Når den peker akkurat på vil motoren stoppe opp i påvente av mer energi. Oppgave 2: Til hvilke formål kan en slik konstruksjon som vi nå har laget tenkes å være av interesse? I hvertfall for solcellepaneler. For å sikre at disse alltid mottar mest mulig sollys. Vanligvis er sånne systemer styrt av en datamaskin med kostbar programvare, men dette eksemplet viser oss at det kan gjøres enkelt! Profi E-TEC Side 14

15 6 Lagring av elektrisk energi Nå ønsker vi å se litt nærmere på hvorfor det er nødvendig å lagre energi som kommer fra fornybare energikilder. Til dette vil vi benytte en modell av en solenergidrevet bil. Oppskriften på hvordan den skal bygges finner du i konstruksjonsheftet side 27. Bilen drives av to solceller. Oppgave 1: Hvordan er solcellene koblet og hvorfor? Solcellene er nå koblet i serie. Grunnen er at motoren er tungt belastet og dermed trenger høy startspenning for å komme igang. Eksperiment: Finn ut hvor mye lys som trengs for å drive solenergibilen? (Gjør forsøk forskjellige tider på døgnet og med forskjellig vær eks. Sol, overskyet, lettskyet, etc.) Hva er bilens maksimale hastighet? Du har sikkert allerede merket deg at denne bilen ar en klar ulempe. Bilen stopper så snart lysskilden blir borte f.eks. når den kommer inn i en mørk skygge. Hadde det vært en virkelig bil er det nok ikke mange som ville vært interessert i å bruke den. Å kjøre kun på tider og steder man er sikker på å få direkte sollys ville bli en solid utfordring. Men vi ville straks bli mindre avhengig av direkte sollys dersom vi kunne lagre litt energi og sørge for at motoren får sin forsyning fra dette lageret når bilen kommer vekk fra sollyset en liten stund. 6.1 Goldcap energilager Et eksempel på et slikt energilager er den lille enheten (ligner litt på et batteri) som følger med settet og kalles Goldcap. Navnet antyder at dette er noe som her med gull å gjøre men Goldcap er ganske enkelt merkenavnet på denne kondensatoren. En kondensator er altså noe som er i stand til å lagre energi Profi E-TEC Side 15

16 Den består av to aktive karbonstykker som er skilt fra hverandre ved hjelp av et tynt lag med isolerende materiale. Det som er spesielt med Goldcap er at den har en ekstremt høy kapasitet (dvs. evne til å lagre energi). Dette måles i en enhet som kalles Farad (F) og Goldcap har en kapasitet på 10 F. Dette er veldig mye i forhold til kondensatorer som fins ellers i vanlige elektriske kretser. Vanligvis er disse på noen mikrofarad µf (= 0, F). Goldcap-kondensatoren kan brukes som et lite batteri. Fordelen i forhold til et batteri er at den kan lades opp svært hurtig. Når den er tilkoblet solcellene er det ingen fare for at den blir overoppladet. På den annen side må vi også erkjenne at den ikke inneholder like mye energi som et fulladet batteri men det er jo heller ikke det som er hensikten. Pass på! Goldcap-kondensatoren må ikke kobles til spenninger høyere enn 2,3 V! Da er det nemlig fare for at den kan eksplodere. Du må derfor aldri koble Goldcap direkte til den vanlige 9V strømforsyningen som brukes i mange fischertechniksett. Når du kobler til Goldcap så må du være oppmerksom på at du får korrekt polaritet (+ og -) på kontaktene. Grønn kontakt skal til minus. Vi anbefaler at du kapper de to tilkoblingsledningene slik at de har samme lengde. 6.2 Lade opp Goldcap ved hjelp av solenergi Lad opp Coldcap-kondensatoren ved å koble den til solcellene når disse er seriekoblet. Den røde kontakten på Goldcap (+) må kobles til den røde kontakten på den første solcellen, og den grønne kontakten på Goldcap (-) kobles til den grønne kontakten på den andre solcellen. Hvis du ikke har anledning til å gå ut i solen kan du lade Goldcap-kondensatoren under en kraftig glødelampe. Det tar ca. 10 minutter om du holder solcellene på 40 cm avstand fra en 100 W lyspære. Om du bruker denne metoden så må du unngå å holde solcellene nærmere enn 40 cm siden det da er fare for at de rett og slett blir for varme. Etter at kondensatoren er ladet opp kan du koble denne til bilmotoren i stedet for solcellene. Oppgave 1: Hvorfor går bilen så sakte og stopper opp så fort? Når du benytter to solceller i serie klarer du kun å få ladet kondensatoren opp til en spenning på ca. 1,2 V. Dette betyr at Coldcapen kun er ladet opp til halv kapasitet og at bilen dermed kan kjøre bare et kort stykke. Dette er ikke særlig bra. Heldigvis fins det en løsning på dette! Profi E-TEC Side 16

17 Oppgave 2: Hvor mange solceller må du koble i serie for å klare å lade Coldcap-kondensatoren helt opp? 4 celler x 0,6 V = 2,4 V. Altså må man ha 4 celler for å få ladet kondensatoren helt opp. Merk! Hvis Goldcap-kondensatoren lades ved hjelp av solceller må du passe på å koble den fra før det blir mørkt, ellers vil den bare lades ut igjen. 6.3 Lade opp Goldcap ved hjelp av vindenergi Nå ønsker vi å lade opp energilageret (Goldcap-kondensatoren) med vindenergi. Bygg vindkraftmaskinene igjen som vist side 10 i konstruksjonsheftet. Men isteden for å koble til lysdioden (LED) kobler du nå til Goldcap. Du trenger motoren fra solenergibilen din som generator så du må ta den ut fra bilen. De andre delene til vindmøllen finner du i blant delene i byggesettet. Koble motorens plusspol (rød) til Goldcapens plusspol (rød). Deretter må du få vindmøllen til å rotere. Gjerne ute i vinden, men går ikke det så får du prøve med en hårføner eller en vifte. Motoren er nå blitt en generator og lader opp kondensatoren. Du vil se at vindmøllen sliter for å få til å rotere rett etter at du har koblet til kondensatoren. Men så, etter hvert som kondensatoren lades opp går rotasjonen igjen lettere og lettere. Dette viser at generatoren til å begynne med belastes hardt for å skaffe den energien som kondensatoren trenger. Når den til slutt er fulladet lenger behøver den ikke lenger å belaste generatoren med noe som helst og dermed spinner vindmøllen mye lettere. Når du tar vindmøllen bort fra vinden (eller slår av føneren) vil den straks sette igang og rotere igjen men nå motsatt vei. Hva er det som skjer? Jo nå har generatoren plutselig bestemt seg for å bli motor igjen. Dette skjer fordi den fulladede kondensatoren trykker energien sin på motoren. Hvis du ikke ønsker å lade ut kondensatoren bør du koble den fra vindmøllen før du fjerner den fra vinden. Du kan regne med at det tar ca. 20 minutter å lade den helt opp Profi E-TEC Side 17

18 Eksperiment 1: Hvis du har et måleinstrument (f.eks. et multimeter) kan du godt måle spenningen på Goldcapen samtidig som du lader den opp. Du kan da måle hvilket nivå den er ladet opp til. Jo hurtigere vindmøllepropellene roterer jo større spenning blir generert og dermed trykkes mer energi inni Goldcapen. Men når du måler 2,3 V betyr det at den er full. Da tar den ikke imot mer energi. Eksperiment 2: Nå forutsetter vi at du har en fulladet kondensator og kobler den til bilen (ja du må nok flytte tilbake motoren også). Hvor langt kan bilen kjøre på en full tank? Hva er den høyeste hastigheten den kommer opp i? Prøv deg gjerne fram på forskjellig underlag. Som du vil se har underlaget stor betydning for hvor fort og langt bilen går. I tillegg er det selvsagt viktig at Goldcapkondensatoren virkelig er fulladet! Siden du kan generere høyere spenning med vindkraft enn med de to solcellene vil bilen kjøre lenger nå enn når du ladet opp kondensatoren med solcellene. Men som vi allerede har sett det er ingenting i veien for å koble flere solceller i serie slik at du får en høy nok spenning til å fullade kondensatoren. Det betyr at enten du lader opp kondensatoren (energilageret) ved hjelp av vind- eller solkraft så blir reaultatet det samme. Eksperimentene med Goldcap har helt klart vist oss at det er mulig å kjøre bil ved hjelp av fornybar energi uten å være direkte avhengig av at vi hele tiden er i solen. 7 Hva nå? Med Profi Eco Power har du nå lært om noen av de forskjellige metoder vi har for å hente energi fra fornybare energikilder og omforme og lagre den slik at vi kan nyttiggjøre oss energien i form av elektrisitet. Solenergiteknologi er forøvrig midt i blinken for å drive flere fischertechnik-modeller. Hvis modellene er større og tyngre enn de du har arbeidet med i dette settet vil du ganske sikkert trenge flere solceller koblet i serie. Du kan få bestille slike hos når som helst. Dette vil gjøre det mulig å utvide og øke størrelsen på solenergisystemet ditt som startet med en liten enkel modell i dette settet. Ellers er det opp til din egen fantasi å finne på andre måter å kombinere dette settet med f.eks. andre fischertechnik-deler til andre spennende konstruksjoner. Mulighetene er mange så sett i gang. Lykke til! Profi E-TEC Side 18