Bestnr. 19 22 99
Zonne-energie leerpakket
Alle rechten, ook vertalingen, voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een automatische gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Nadruk, ook als uittreksel is niet toegestaan. Druk- en vertaalfouten voorbehouden. Deze gebruiksaanwijzing voldoet aan de technische eisen bij het in druk gaan. Wijzigingen in de techniek en uitvoering voorbehouden. © Copyright 2010 by CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Internet: www.conrad.nl of www.conrad.be
Leerpakket zonne-energie begrijpen en toepassen 1
Voorbereiding
4
1.1 Het experimenteerbord 1.2 Zonnemodule 1.3 Zonnemotor 1.4 Diode 1.5 Lichtdiodes 1.6 Weerstanden 1.7 Elektrolytcondensators 1.8 Schakeldraad
4 4 5 5 6 6 7 7
2
Aansluiting en functie van de zonne-energie-module
2.1 Zonnemodule aansluiten op het experimenteerbord 2.2 De functie van de zonnemodule en geschikte lichtbronnen
7
8 9
3
Polariteit van de zonnestroom bepalen
10
4
Zonnestroom direct met LED's gebruiken
11
5
Serie- en parallelschakeling
12
6
Zonnestroom met tussenopslag
14
7
Zonnestroom, hoge energie?
16
8
De zonneaandrijving voorbereiden
17
9
Zonne-energie omzetten in beweging
19
10 Zonnebewegingsenergie met starthulp
21
11 Schaduw op de zonnemodule – oorzaken en effecten
22
12 Het richten van de module naar een lichtbron
23
13 Invloed van de temperatuur op de zonnemodule
26
14 Meer zonne-energie door spiegeltechniek
27
15 Zonne-energie opslaan
28
16 Opgeslagen zonne-energie en mechanische energie
31
17 Zonne-energie, laadbewaking en tankindicatie
32
18 Zonne-energie en terugstroomblokkering
33
19 Accu's met zonne-energie opladen
34
20 Chemische processen met zonne-energie
35
2
© 2010 Franzis Verlag GmbH, D-85586 Poing www.franzis.de Auteur: Ulrich Stempel Art & Design, Satz: www.ideehoch2.de ISBN 978-3-7723-10030-4 Geproduceerd in opdracht van de firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1 , D-92240 Hirschau
Alle rechten voorbehouden, ook die van de fotomechanische weergave en het bewaren in elektronische geheugens. Het maken en verspreiden van kopieën op papier, datadragers of op internet, in het bijzonder als PDF, is uitsluitend met toestemming van de uitgeverij toegestaan en kan anders strafrechtelijke gevolgen hebben. De meeste productbenamingen van hard- en software en de bedrijfslogo's, die in dit boek genoemd worden, zijn in de regel geregistreerde handelsmerken en moeten zodanig in acht worden genomen. De uitgeverij handhaaft voor de productbenamingen hoofdzakelijk de schrijfwijze van de fabrikant. Alle in dit boek gepresenteerde schakelingen en programma's zijn met de grootste zorgvuldigheid ontwikkelt, gecontroleerd en getest. Niettemin kunnen fouten in het boek en in de software niet helemaal uitgesloten worden. De uitgeverij en de auteur zijn niet aansprakelijk voor fouten en de eventuele gevolgen hiervan.
3
1
Voorbereidingen
1.1 Het experimenteerbord Met het experimenteerbord kunnen experimenten zonder soldeerbout opgebouwd worden. Ook wordt deze laborsteekbord, of eenvoudiger alleen steekbord genoemd, het bord bezit binnenin contactveren die als reeksen met elkaar verbonden zijn. De elektronische bouwcomponenten en verbindingsdraden kunnen meermaals in de contacten gestoken worden en maken het mogelijk om schakelingen op te bouwen zonder solderen of schroeven. Schuin met een zijkniptang afgeknipte aansluitdraden zijn makkelijker in te steken. Het bij dit leerpakket meegeleverde experimenteerbord heeft in totaal 270 contacten in een raster van 2,54 mm.De 230 contacten in het midden zijn telkens door verticale stroken in 5voudige reeksen verbonden. Aan de rand van de langere zijden bevindt zich elk een rij met 20 contactpunten die horizontaal met een rails verbonden zijn. Deze "bovenste" en "onderste" rij is geschikt als stroomvoedingsrail.
Afb. 1: Interne principe van het experimenteerbord
1.2 Zonnemodule De meegeleverde zonnemodule bestaat uit meerdere polykristallijne zonnecellen. Het siliciummateriaal is samengesteld uit meerdere kristallen en wordt door doteren opzettelijk zo verontreinigd dat er een negatieve en een positieve laag ontstaat. De bovenste is de N-laag (negatief gedoteerd) die voorzien is van een donkerblauwe laag voor een betere absorptie van het licht. De onderste is de P-laag. Door lichtinval komen de elektronen in beweging en er ontstaat een spanning tussen de twee genoemde lagen. Deze spanning en de vloeiende stroom kunnen we dan gebruiken. Een enkele kristallijne siliciumzonnecel komt op ca. 0,5 V per cel. De stroom is afhankelijk van de celgrootte. Zonnemodule
Afb. 2: schakelsymbool zonnemodule
4
1.3 Zonnemotor Bij het leerpakket vind u een zonnemotor, die alleen een minimale aanloopstroom en een minimale aanloopspanning benodigd. Deze zonnemotor is een laagspanning- gelijkstroommotor.
M = motor
Afb. 3: Schakelsymbool motor
1.4 Diode Een diode laat de stroom alleen in één richting door. Daarom worden diodes onder meer gebruikt voor het gelijkrichten van wisselspanningen of voor het blokkeren van ongewenste polariteit bij gelijkspanningen. De functie van een diode bij normale werking, kunt u het eenvoudigste vergelijken met een terugslagventiel (waterinstallatie).
Afb. 4: Siliciumdiode type 1N 4148- De kathode van de diode is te herkennen aan de opgedrukte streep, de andere aansluitdraad is de anode. De technische stroomrichting gaat van de anode naar de kathode.
In de doorlaatrichting (schakelsymbool pijl) begint bij de siliciumdiode, zoals bij de 1N 4148 pas vanaf een spanning van ca. 0,6 tot 0,7 V noemenswaardige stroom te vloeien.
Afb. 5: Schakelsymbool diode
In fotovoltaïsche installaties worden diodes normaalgesproken op twee manieren gebruikt: als blokkeringdiode en als bypassdiode. Blokkeringdiodes voorkomen dat de fotovoltaïsche module de accu ontlaad als er geen zonlicht is. De bypassdiodes beschermen zonnecellen en het paneel voor eventuele schade die door partiële schaduw kan optreden.
5
1.5 Lichtdiodes De LED (light emitting diode = lichtuitstralende diode) heeft nog een verdere eigenschap: ze licht op als er een spanning aangelegd wordt. LED's moeten normaalgesproken altijd met een voorschakelweerstand als stroombegrenzer toegepast worden. Rode LED's werken met minimale spanning (1,8 V). Daarna volgen de gele, groene, blauwe en als laatste de witte LED's met de hoogste spanning (tot max. 3,6 V).
Afb. 6: Aansluiting van lichtdiodes: de anode (+) met de langere aansluitdraad en de kathode (-), extra markering door een afvlakking (6b) aan de behuizing.
Afb. 7: Schakelsymbool LED
Naast de "normale" LED's zijn er nog speciale uitvoeringen zoals bijv. knipperende LED's. De knipper- LED heeft ter herkenning een kleine zwarte punt binnen de rode behuizing. Deze punt bevat een hele kleine elektronica in de vorm van een geïntegreerde schakelcircuit welke de LED – zodra de juiste spanning aangelegd wordt – laat knipperen.
1.6 Weerstanden Een weerstand is een passief bouwelement in elektrische en elektronische schakelingen. Zijn hoofdtaak is het reduceren van de vloeiende stroom naar "zinvolle" waarden. De weerstandswaarden zijn door de opgedrukte gekleurde ringen gecodeerd. De eerste vier kleuren van de ringen tonen de weerstandswaarde overeenkomstig de navolgende tabel. De vijfde (smallere) gekleurde ring staat voor de tolerantie van de weerstandswaarde. Een hint voor het eenvoudig onderscheiden van de weerstanden in dit leerpakket: de 10- -type is dikker dan de anderen. Van de 100- -type zijn er twee. In het leerpakket bevinden zich metaallaag- weerstanden met de volgenden waarden:
Weerstandswaarde 10 100 1k 2,2 k
1e ring bruin bruin bruin rood
2e ring zwart zwart zwart rood
3e ring zwart zwart zwart zwart
4e ring goud zwart bruin bruin
6e ring bruin bruin bruin bruin
R = weerstand
Afb. 8: Schakelsymbool weerstand
6
1.7 Elektrolytcondensatoren (elco's) Elektrolytcondensatoren bezitten tegenover de normale condensatoren een hoge capaciteit. Vanwege het elektrolyt is een elco afhankelijk van de polariteit en de aansluitingen bezitten daarom een plus- en een minpool. Als deze component voor langere tijd "verkeerd om" aangesloten is, zal dit het elektrolyt van de condensator vernielen. De opgedrukte maximale spanning mag niet overschreden worden omdat anders de isolatielaag onherstelbaar beschadigd kan worden. F betekent "Microfarad"; de eenheid
is het miljoenste deel van de basiseenheid.
Afb. 9: Elektrolytcondensatoren (elco's) met aansluitingen, de pluspool is de langere draad. Bijkomend is de minpool aan de behuizing met een lichte streep gemarkeerd.
C = Elektrolytcondensator
Afb. 10: Schakelsymbool elco
1.8 Schakeldraad Draadbruggen kunnen met de meegeleverde schakeldraad gemaakt worden. De lengte van de draadbrug kunt u schatten of afmeten (inclusief de lengte voor de draadeinden, die in de contacten ingestoken worden). De draadeinden worden ca. 8 mm afgestript. Met een zijkniptang schuin afgeknipte draden passen makkelijker in de gaten van het experimenteerbord. De op die manier gemaakte draadbruggen kunnen steeds weer gebruikt worden.
2 Aansluiting en functie van de zonnemodule De eigenschappen en functies van een zonnemodule leert u kennen in de navolgende hoofdstukken door praktische experimenten. Hier wordt uitgelegd hoe zonnemodules toegepast kunnen worden en waarop gelet moet worden om optimale energieopbrengsten te bereiken.
7
2.1 De zonnemodule op het experimenteerbord aansluiten Proefopbouw: 1 zonnemodule, experimenteerbord, strip Op de achterzijde van de module bevinden zich soldeeraansluitingen met hieraan gesoldeerde kabels. De stroomsoort die door de module geleverd wordt is gelijkstroom. Zodoende zijn er net als bij een accu een plus- en minpool. Sluit de zwarte en de rode kabel aan op het experimenteerbord. Wij bevelen aan om in de onderste rail de zwarte kabel in te steken en de rode in de bovenste rail. Voor haast alle navolgende experimenten kan de zonnemodule aangesloten blijven.
Afb. 11: De aansluitdraden van de zonnemodule kunnen direct in het experimenteerbord ingestoken worden, hoewel insteekstiften de aansluiting kunnen stabiliseren.
Plaats de zonnemodule op een manier zodat deze voldoende instraling krijgt door een heldere lichtbron. Om de vermogenswaarden rond de zonnemodule te berekenen zijn er verschillende meetmethodes: -. -
aanduiding met LED's metingen via een verbruiker, bijv. een motor metingen met een multimeter (extra nodig) metingen en evaluatie via een PC (is niet gepland)
Met lichtdiodes kunnen eenvoudige meettaken, zoals de polariteitaanduiding of principiële functieaanduidingen, goed uitgevoerd worden. Als er gedetailleerde meetresultaten gewenst zijn is een multimeter een goede hulp. Hier in het leerpakket worden eenvoudige metingen en functieaanduidingen met LED's en met de motor uitgevoerd.
8
2.2 De functie van de zonnemodule en geschikte lichtbron Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand 100
, rode LED
Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel), bij veel licht (volle zon) zijn de zichtbare effecten duidelijker. Steek de aansluitingen van een rode LED (lichtdiode) en de voorschakelweerstand 100 in het experimenteerbord. De langere aansluiting van de lichtdiode wordt met de rode "zijde" (+) verbonden. Afhankelijk van de intensiteit van de instraling zal de LED meer of minder helder branden. Als de LED niet gaat branden, is of te weinig "lichtenergie" aanwezig of de polariteiten zijn verwisselt bij het aansluiten. Knippert de LED, dan heeft u de rode knipperende LED gebruikt. zonnemodule
Afb. 12: Eenvoudige functietest met een rode lichtdiode
Afb. 13: Opbouw experimenteerbord
Deze proef kunt u met verschillende lichtbronnen uitvoeren, bijv. met direct zonlicht, een halogeenlamp, een gloeilamp, een zaklamp, een energiespaarlamp, een neonlamp, een LED- zaklamp enz.. Als de LED helder oplicht is het een geschikte lichtbron.
9
3 Polariteit van de zonnestroom bepalen Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand 100 groene LED.
, rode LED, oranje LED of
Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig. Vervolgens bouwen we nu een polariteitstester op, waarmee u de polariteit (plus- en minpool) van de zonnemodule en andere spanningsbronnen gemakkelijk kunt vaststellen, zonder iets om te steken. Vanaf de bovenste voedingrail wordt een verbinding gemaakt naar een 5-voudige contactreeks met een voorschakelweerstand van 100 en vanaf daar schuin naar een verdere 5-voudige contactreeks. Vanaf de onderste voedingrail worden twee LED's met de 5-voudige contactreeksen verbonden. De LED's tonen de polariteit. Als voorbeeld kunnen de LED's zo ingestoken worden zodat de rode LED bij verkeerde polariteit en de oranjekleurige bij een juiste polariteit oplicht. In plaats van de oranjekleurige LED kan ook een groene LED toegepast worden, hoewel dan de functie bij daglicht minder herkenbaar is. De aansluitdraden van de zonnemodule kunnen nu – zonder op de polariteit te letten – op het experimenteerbord aangesloten worden. De LED's signaleren de polariteit.
Afb. 14: Experimenteerbord met polariteitstester d.m.v. LED's
10
Afb. 15: Gedetailleerde bedrading
Als de polariteitstester voor hogere batterijspanningen (bijv. 9 V) gebruikt zal worden moet de voorschakelweerstand omgeruild worden tegen een met 1 K, anders kan de LED vernielt worden.
4 Zonnestroom direct met LED's gebruiken Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100 groene, oranje LED, knipper- LED.
, rode,
Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel)
Afb. 16: Steek achter elkaar de groene, rode, oranje en de knipper-LED in het experimenteerbord. De langere aansluitdraad van de LED's is de pluspool.
11
Afb. 17: Het bijhorende schakelschema; steek eerst de groene, de rode en dan de knipper-LED in het experimenteerbord om het stroomcircuit te sluiten.
Verwijder één aansluiting van de zonnemodule. Wat gebeurt er? De LED's lichten niet meer op. Plaats de aansluiting weer terug – de LED's branden weer.
5 Serie- en parallelschakeling Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, LED rood, groen, oranje, 2 weerstanden 100 . Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel)
Afb. 18: a) Principe van een serieschakeling van enkele zonnecellen; b) String van kristallijne cellen met verbindingen van de afzonderlijke zonnecellen door platte verbinder.
Aan de hand van de LED's kan het principe van serie- en parallelschakeling bestudeert worden.
12
Wat betekent serieschakeling bij zonnecellen zoals gemaakt bij de module in dit leerpakket?
• • • • •
De spanningen vermeerderen zich als de zonnecellen in serie met elkaar verbonden worden. De kortsluitstroom komt overeen met die van een enkele zonnecel – en wel de zwakste (het zwakste lid in de keten). Als op een zonnecel schaduw valt, daalt het vermogen van de complete zonnemodule om dat deel met schaduw. Bij gedeeltelijke schaduw op een cel voorzien de bestraalde zonnecellen de beschaduwde zonnecel met hun stroom, waardoor deze opgewarmd wordt en in extreme gevallen onherstelbaar beschadigd kan worden. Wat betekent serieschakeling? Om dit in de praktijk na te bootsen voert u het volgende experiment met de LED's door.:
Afb. 19: Steek de rode en de oranje (of groene) LED in het experimenteerbord zodat beide LED's achter elkaar geschakeld zijn. De langere aansluitdraad van de LED's is de pluspool.
Afb. 20: Het bijhorende schakelschema
Bij deze opbouw is geen voorschakelweerstand nodig. Hoe helder gaan de LED's branden? Afzonderlijke zonnecellen (of zonnemodules) kunnen ook elektrisch parallel geschakeld worden. Hiertoe worden telkens alle min- en alle pluspool- aansluitingen van de zonnecellen met elkaar verbonden. Het resultaat:
• • •
De spanning van parallel geschakelde zonnecellen komt overeen met die van een enkele cel. De kortsluitstroom verhoogd zich met de totaalstroom van de enkele cellen. Als de zonnecellen even sterk zijn, verhoogd zich de kortsluitstroom met het aantal van cellen. Er is mogelijk om cellen met verschillend vermogen (kortsluitstroom) samen te schakelen.
13
•
Bij gedeeltelijke schaduw op een cel voorzien de bestraalde zonnecellen de uitgeschakelde cel met de verhoogde stroom. De cel wordt daardoor opgewarmd en kan in extreme gevallen onherstelbaar beschadigd worden.
Afb. 21a: Parallelschakeling van meerdere zonnecellen
Afb. 21b: Parallelschakeling met twee LED's
6 Zonnestroom met tussenopslag Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100 LED, elco 4.700 µF
, knipper-
Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel) Steek de knipper- LED en de voorschakelweerstand in het experimenteerbord
Afb. 22: Schakelschema: voorschakelweerstand en knipper- LED
14
Afb. 23: Opbouw experimenteerbord
Afhankelijk van de lichtinval op de zonnemodule zal de LED helder of minder helder opblinken. Bij weinig licht is het knipperen haast niet te zien. Steek nu bijkomend de elco in het bord. Eerst zal de LED niet gaan knipperen, maar ook bij weinig licht helderder. Extra proef: steek nu nog een LED, bijv. de rode, in plaats van de voorschakelweerstand in serie tot de knipper- LED. U heeft nu ineens twee knipperende LED's.
Afb. 24a: Schakelschema knipper- LED en rode LED in serie
Afb. 24b: Opbouw experimenteerbord: knipper- LED in serieschakeling
15
7 Zonnestroom, hoge energie? Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, oranje, heldere LED, elco 100 µF, 4.700 µF Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel), de laadtijden worden vermindert bij een sterke lichtbron. Een LED- flitslicht op zonne-energie kunt u met eenvoudige middelen opbouwen. Afhankelijk van het lichtaanbod laat de LED na een laadtijd van een paar seconden een heldere lichtflits zien wanneer op de toets gedrukt wordt.
Afb. 25: Opbouw LED- lichtflits
De toets kunt u gemakkelijk zelf maken met de meegeleverde draad.
Afb. 26: Draadschakelaar of toets d.m.v. de schakeldraad in het leerpakket
16
Afb. 27: Schakelschema flitslicht op zonne-energie, alternatief met de kleine en de grote elco
Experimenteer eerst met de kleine elco van 100 µF en vervang deze in de tweede proef door de 4.700 µF- elco. Vanwege de minimale spanning bedraagt de flitsenergie slechts 2 mWs. Er wordt een relatief kleine laadstroom benodigd welke de zonnemodule gemakkelijk kan leveren. Afhankelijk van de lichtbron is de elco al naar een paar seconden voldoende opgeladen. Dek nu de zonnemodule af en druk vervolgens kort op de toets. De LED's laten kort een flits zien. Slechts een minimale resthelderheid blijft behouden, wanneer verder minimale stroom door de zonnemodule wordt geleverd.
8 De zonne-energie- aandrijving voorbereiden Proefopbouw: 1 zonnemotor, experimenteerbord, stiftstrip, schijf De aansluitkabels van de motor bestaan uit flexibele draden, net als bij de zonnemodule. Sluit de zwarte en de rode kabel aan op het experimenteerbord. Aanbevolen wordt om de zwarte draad in de onderste rail te steken en de rode draad (+) in een contact van een 5voudige contactreeks.
Afb. 28: De aansluitkabels van de zonnemotor (draadeinden) kunnen wel direct in het experimenteerbord gestoken worden, hoewel stiftjes de aansluiting steviger maken.
Voor het zien of zich de motoras tijdens de proeven draait, is het zinvol de meegeleverde schijf op de motoras te monteren. Boor hiertoe met een naald in het midden een gaatje. Steek de kartonnen schijf op de as van de motor.
17
Afb. 29: Kartonnen schijf voorbereiden voor het opsteken
Afb. 30: Kartonnen schijf op de motoras monteren a) van boven, b) vanaf de zijkant
18
9 Zonne-energie omzetten in beweging Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor met schijf Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule.
Afb. 31: Proefopstelling met de zonnemodule, experimenteerbord en motor zonnemodule
motor
Afb. 32: Schakelschema zonnemodule en motor
De motor kan ook met een stuk dubbelzijdig plakband op een stuk karton bevestigd worden.
19
Afb. 33: De schijf draait
Als er voldoende licht op de zonnemodule valt, begint de motoras automatisch te draaien. Bij te weinig licht heeft de motor misschien een lichte aanloop met de vinger nodig om in beweging te komen. Dit kan gebeuren omdat de aanloopstroom van een motor meer dan het dubbele hoger kan zijn dan de werkingsstroom voor continue werking.
Afb. 34 Bij te weinig licht, de motor met de wijsvinger "starten"; reden: de aanloopstroom is hoger dan de continue werkingsstroom.
Deze proef toont ook de verschillende werkingswijzen van zonnestroom en stroom welke uit accu's en batterijen komt. De stroombehoefte bij het aanlopen van de motor wordt bij volle accu's of batterijen zonder problemen geleverd. De zonnemodule in de directe werking kan alleen de stroom leveren die door de momentele lichtinstraling (en het rendement van de zonnecellen) omgevormd worden. Heeft u een 1,5 V- batterij of accu bij de hand, probeer het dan maar uit deze aan de motor aan te sluiten.
20
10 Zonnebewegingsenergie met starthulp Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor, elco 4.700 µF, knipper- LED Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. In deze schakeling wordt de elco door de zonnemodule opgeladen. De knipper- LED en de zonnemotor zijn in serie met de condensatoropslag verbonden. Met toenemende lading in de elco gaat de LED knipperen. Bij voldoende licht en energievloed, krijgt de zonnemotor stroomimpulsen, dit kan een pulserende draaiing veroorzaken.
Afb. 35: Opbouw experimenteerbord met draadschakelaar.
Afb. 36: Schakelschema
Met een draadschakelaar kunt u nu de motor direct met de elco verbinden. Als de elco geladen is, draait de schijf met een hoog toerental.
21
Extra proeven: experimenteer met of zonder draadschakelaar en telkens een 10 1 k - weerstand. Wat verandert zich bij het motortoerental en de functie?
, 100
en
Afb. 37: Extra proeven met weerstanden
De extra proeven, zoals getoond in afbeelding 37, laten zien dat de stroomvloed naar de motor door de weerstanden verandert kan worden en zodoende het toerental beïnvloeden.
11 Schaduw op de zonnemodule – oorzaken en effect Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor of LED's met voorschakelweerstand Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De rangschikking van de proef toont afbeelding 38. De LED's (alternatief de motor) worden op de module aangesloten, de module wordt naar de lichtbron gericht en de motoras draait. Voer de experimenten buiten uit bij heldere zonneschijn, de motor is hierbij geschikter dan de LED's omdat het oplichten van de LED's in een helder omgevingslicht nauwelijks te zien is. In de kamer kunt u de LED's ook afschermen met een stuk karton.
Afb. 38: Schaduw met a) karton en b) folie
22
Ga nu met de hand langzaam schaduw op een deel van de module brengen. Het toerental van de motor wordt langzamer of de motor stopt helemaal met draaien.
Afb. 39: Op de zonnemodule kunnen alternatief de motor of de LED's met een 100 voorschakelweerstand aangesloten worden.
U kunt nu verdere proeven op deze manier uitvoeren: Een lichte schaduw door een extra ruit of een matte folie produceren, deze houdt u tussen de lichtbron en de zonnemodule. • Een sterke schaduw door een stuk karton of hout produceren, deze houdt u direct boven de zonnemodule. • Enkele zonnecellen van de zonnemodule beschaduwen door een stuk karton direct op een of meerdere zonnecellen te leggen.
•
Afb. 40: Enkele zonnecellen beschaduwen
23
Bij grote PV-installaties, die met kristallijne zonnemodules uitgerust zijn, is het schaduwthema steeds weer actueel. Zodat bij het gedeeltelijke beschaduwen bijv. door bladeren, niet de gehele zonnegenerator uitvalt, worden Schottky- diodes voor de "stroomomleiding" rond de beschaduwde zonnecellen toegepast. Bij verkeerde diodes kan het in extreme gevallen tot een Hot Spot komen, waarbij enkele zonnecellen vernielt worden.
12 De uitlijning van de module op een lichtbron Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule.
Afb. 41: Proef met uitlijning van het moduul naar de lichtbron
24
Afb. 42: Twee principiële uitlijningen
Neem de zonnemodule tussen duim en wijsvinger (zonder het oppervlak te beschaduwen) en richt het oppervlak van de module in een rechte hoek naar de lichtbron. Hoe snel draait de motoras? Varieer nu de uitlijning, door de zonnemodule heen- en weer te bewegen in de richting naar de lichtbron en let daarbij op de motor. Hoe verticaler de lichtstralen op de zonnemodule vallen des te meer lichtenergie kunnen de zonnecellen in elektrische stroom omzetten en daarmee de motor voeden.
Afb. 43: Schematische voorstelling van de hellingshoek naar de lichtbron. Het aantal pijlen die op de zonnemodule gericht zijn staan voor de lichtintensiteit.
Richt de zonnemodule, met behulp van karton, houtblokken of derg. precies op de zon of een andere lichtbron. Let op de motor. Zoals hierboven beschreven, draait de motoras. Nu heeft u een pauze verdient. Wacht ongeveer 1 uur (of meerdere uren) en kijk dan weer naar uw proefopstelling. De zon staat niet meer precies verticaal tot de zonnemodule, de motor draait langzamer of is zelfs blijven staan. Omdat de zon aan de hemel van Oost naar West beweegt (uiteraard alleen schijnbaar), zou de zonnemodule optimaal in de uitlijning naar de zon geleid moeten worden.
25
13 Invloed van temperatuur op de zonnemodule Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor of LED's, weerstand 100 folie of karton, thermometer
, zwarte
Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Bij deze proeven kunt u bekijken wat de invloed is van de omgevingstemperatuur op het afgegeven vermogen van de zonnemodule. De zonnemodule direct naar de zon uitrichten, gebruik de motor of een LED voor de aanduiding van het vermogen. Zwart papier of karton die tijdelijk op de zonnemodule gelegd worden, warmen deze sterker op. Als u geen thermometer bij de hand heeft, kan de temperatuur ook met de vingers gevoeld worden.
Afb. 44: Proefopbouw – welke invloed heeft de temperatuur op de zonnemodule? Voor het meten van de temperatuur, gebruikt u een oppervlaktethermometer die met een stuk plakband achter op de module bevestigd wordt.
Als u deze proef op een warme, zonnige zomerdag uitvoert (gunstiger) hoeft u uiteraard geen zwart karton gebruiken. Daardoor zou het opwarmeffect versterkt worden. Een zwart oppervlak neemt sneller de warmte op. Bouw de proef in de directe zon op en kijk na het vermogen van de motor of de ingestoken LED. Voel met de hand de oppervlaktetemperatuur van de zonnemodule.
26
De blauwe laag op de zonnemodule zorgt er voor dat het licht zo veel mogelijk geabsorbeerd en zo min mogelijk gereflecteerd wordt. Nadeel: het oppervlak wordt sterk opgewarmd. Bij directe instraling van de zon is een opwarming van het oppervlak van boven de 60 °C niet zeldzaam. Met dit experiment kunt u herkennen: de op de zonnemodule aangesloten verbruiker loopt bij toenemende opwarming iets langzamer. Leg de module een half uur in de koelkast en herhaal het experiment met de zonnemodule met dezelfde zonnesterkte en aangesloten motor.
14 Meer zonne-energie door spiegeltechniek Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor, spiegel (bijv. spiegelend metaal, spiegeltegel, cosmeticaspiegel, spiegelfolie enz., de spiegel moet ten minste de afmeting van de zonnemodule hebben). Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De proefopbouw met de zonnemodule en de motor is identiek met de voorgaande proeven. Bij het positioneren van de spiegels kunt u het gespiegelde licht, afhankelijk van de plaatsing van de spiegel, op de tafel, op de muur of op de zonnemodule zien. Er mag door de spiegel geen schaduw op de zonnemodule vallen. Als het spiegellicht bijkomend met het directe licht op de zonnemodule valt, moet u op de motor letten. a)
Spiegelpositie voor, onderaan de zonnemodule. Door verandering van de hellingshoek van de spiegel naar de module kan de dubbele lichthoeveelheid op de module gebracht worden.
Afb. 45: Bij deze proef werd een spiegeltegel onder de zonnemodule gelegd.
b)
Door twee spiegels aan de zijkanten rechts en links, bij de juiste uitlijning van de spiegels naar de module, kan er tot een drievoudige lichthoeveelheid op de module gebracht worden.
27
Afb. 46: Het spiegelprincipe: de door de spiegel op de zonnemodule reflecterende lichtstralen zorgen voor extra energie. Opgelet moet worden dat de invalshoek op de spiegels overeenkomt met de uitvalshoek naar de zonnemodule.
15 Zonne-energie opslaan Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100 groen, oranje, knipper- LED, elco 100 µF en elco 4.700 µF
, LED rood,
Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel). Klopt de bewering dat het geringe afgegeven vermogen van uw zonnemodule door doelmatige opslag van de stroom over een langere periode een hoge energiehoeveelheid kan opleveren? Het voor ons onzichtbare principe van de elektrische stroom kan vergeleken worden met het principe welke wij kunnen zien bij water, vergelijken en verklaren: een waterkraan (uw zonnemodule) druppelt meerdere uren en vult met de tijd een 10-l-emmer met water.
Afb. 47: Het principe van de energieopslag verklaart aan de hand van een druppelende waterkraan; kleine hoeveelheden over een hele dag vullen een groot bassin…
28
Een zonnemodule met weinig vermogen laat overdag bij zonneschijn milliampères voor milliampères per uur (mAh) de uit de zon omgezette stroom in de energieopslag "druppelen". De eenheid mAh kwantificeert de stroom per uur, in tegenstelling tot mA, waarmee de momentele stroomvloed bedoeld is. Bij dit leerpakket worden elco's meegeleverd die stroom kunnen opslaan. Het voordeel bij de condensatoropslag is dat deze een lange levensduur heeft. Bij vergelijking met een accu is echter de opslagcapaciteit heel laag, Voor deze proeven heeft dit dan weer het voordeel dat het principe van opslag in een overzienbare korte tijdsperiode geobserveerd kan worden. De aansluitdraden van de elco's moeten voor de proef even verbonden (kortgesloten) worden, zodat het laden ook opgemerkt kan worden. Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel).
Afb. 48: Proefopbouw – gebruik de knipper- LED. a) Steek eerst de kleine elco met 100 µF in het bord (de langere aansluitdraad is de positieve pool. b) Vervolgens ruilt u deze om tegen de elco met 4.700 µF. Wat gebeurt er na het omruilen? De LED licht niet meer op, na het plaatsen van de elco's duurt het even tot de LED weer oplicht en knippert. Na het afdekken van de zonnemodule blijft de LED knipperen.
29
zonnemodule
Afb. 49: De elco's C1 en C2 alsook de LED's kunnen voor de proeven omgeruild worden. Denk bij het aansluiten aan de voorschakelweerstand R1.
Experimenten: a) De elco 100 µF insteken, let op de polariteit! Wat gebeurt nu? De knipper- LED stopt even, daarna knippert deze weer. b) De elco 4.700 µF insteken. Wat gebeurt nu? De knipper- LED stopt langer, daarna knippert deze weer. c) Proefopbouw zoals in b) gebruiken, tot de LED knippert, vervolgens de elco 4.700 µF uit het experimenteerbord uittrekken. Vervolgens de zonnemodule beschaduwen. De LED stopt onmiddellijk met knipperen. Nu de elco opnieuw in de vorige contactreeks steken en de zonnemodule verder beschaduwen. De LED knippert oftewel er geen stroom uit de zonnemodule komt. Conclusie: de lading in de "energieopslag"- elco blijft langere tijd behouden.
Afb. 50: Proefopbouw, de elco wordt omgeruild.
d)
Als de elco opgeladen is, knippert de LED. Klem dan de zonnemodule er af. Let op hoe lang de LED blijft knipperen en haar stroom alleen uit de opslag- elco haalt. Hoe groter de condensatoropslag is, des te langer blijft de LED knipperen, ook zonder de zonnemodule. Met een Gold Cap zou de ontbrekende stroomvoeding van de zonnemodule (bijv. bij duisternis) voor langere tijd overbrugt worden.
e)
Laat nu de eerst opgeladen elco op de zonnemodule een nacht aangesloten (zonder LED) en zonder dat er licht op de zonnemodule kan vallen. Op de volgende dag controleert u met een knipper- LED, hoeveel lading noch in de condensator aanwezig is. De knipper- LED laat weinig of geen reactie zien. Wat is gebeurt? De elco heeft zich via de zonnemodule "terug" ontladen.
30
16 Opgeslagen zonne-energie en mechanische energie Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, elco 100 µF en 4.700 µF, motor, knipperLED Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel). Wanneer u de motor direct met de zonnemodule verbind kan het gebeuren dat de energiehoeveelheid van de zonnemodule niet voldoende is voor de aanloop van de motor.
Afb. 51: Schakelschema – gebruik de knipper- LED als indicatie voor de werking. Steek eerst de 100 µF elco en vervolgens de 4.700 µF elco parallel tot de aansluitingen van de zonnemodule.
Als de motor met de condensator verbonden wordt, maakt de motoras meerdere omdraaiingen. Eventueel is de aanloophulp van de elco voldoende om de motor met de geringe stroom van de zonnemodule te laten lopen.
Afb. 52: De motor wordt eerst op dezelfde contactreeks aangeklemd dan de elco. De motor maakt een paar omdraaiingen, de LED knippert niet meer, het duurt een paar seconden tot de LED weer gaat knipperen na het afklemmen van de motor. De motor heeft de elco volledig ontladen.
31
17 Zonne-energie, laadbewaking en tankaanduiding Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, knipper- LED, rode LED, diode 1N4148, groene LED, elco 4.700 µF, weerstand 1 K, weerstand 2,2 K, draadschakelaar; voor de extra proef accu Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Is de energieopslag nu leeg, halfvol of vol? Hiertoe wordt een indicatie benodigd, zo iets als de tankindicatie bij een auto. Echter is de tankindicatie van een accu veel gecompliceerder. Om aan alle factoren te voldoen bestaat er geraffineerde bewakingselektronica met microprocessoren en uitgebreide software In afbeelding 53 ziet u de proefopbouw van een eenvoudige laadindicatie, die u met de meegeleverde onderdelen van uw leerpakket kunt opbouwen. De bovenste rode LED toont de laadstroom naar de energieopslag en deze licht op zolang de elco wordt opgeladen. De knipper- LED in het midden in verbinding met de diode gaat oplichten (geeft aan) wanneer de elco (of een accu) opgeladen is.
Afb. 53: Proefopbouw op het experimenteerbord
Afb. 54: Schakelschema van de laadindicatie
De eenvoudige accu- indicatie wordt via de spanningsmeting van de accu gerealiseerd. Beter zou zijn om de spanningsmeting onder belasting door te voeren. De belasting moet dan wel een stroomverbruik van 10% van de accucapaciteit hebben en zou op het moment van de meting met een toets geactiveerd kunnen worden.
32
Afb. 55: Extra "belasting" door oranje –LED of motor (voorbeeldschakeling)
18 Zonne-energie en terugstroomblokkering Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, elco, toets, siliciumdiode, voorschakelweerstand, rode LED Deze proef moet met gelijkmatige heldere zonneschijn (of bureaulamp) uitgevoerd worden.
Afb. 56: Principe van de schakeling met blokkeerdiode
De door zonne-energie opgeladen elco's, Gold Caps of accu's worden s' nachts weer via de zonnemodule ontladen. Om die reden moet een terugstroomblokkering in de vorm van een diode ingevoegd worden. De diode functioneert als een ventiel welke de stroom alleen in een richting doorlaat en in de andere richting blokkeert.
33
Draai een keer de diode in het experimenteerbord andersom. De LED knippert niet meer omdat de stroom uit de zonnemodule nu geblokkeerd is. Blokkeerdiodes voorkomen het ontladen van de opslagaccu via de onbelichte zonnecel.
Afb. 57: Opbouw experimenteerbord, de blokkeerdiode is onder links te herkennen.
19 Accu's met zonne-energie opladen Om even bij de watervergelijking te blijven: voor het opvangreservoir – en daarmee de energieopslag – experimenteren we nu met een accu. Een accu kan niet oplaadbare batterijen vervangen en in bijna alle draagbare elektronische apparatuur toegepast worden.
Afb. 58: Voor vele draagbare elektronische apparaten zijn accu's van het type potlood, AAA en penlite, AA goed te gebruiken.
Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand, LED, bijkomend een accu Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De eenvoudigste manier van de laadtechniek is die van de constante stroomlading. De accu wordt over een bepaalde periode met een gedefinieerde stroom opgeladen. Bij de eenvoudige constante stroomlading van een accu wordt meestal met 1/10 van de stroom van de capaciteitaanduiding 14 uur lang opgeladen.
34
De laadstroombegrenzing wordt bij eenvoudige netopladers door een weerstand gerealiseerd, welke tussen netvoeding en accu ingevoegd is. Bij zonneopladers zou dit een onzinnige manier zijn. Hier kan de laadstroom zonder verlies door de dimensie (grootte) van de zonnecellen of de zonnemodule bereikt worden. Zodoende is bij overeenkomstige dimensie van de zonnemodule niet eens een voorweerstand nodig. De zonnemodule uit het leerpakket, welke bij volle zonneschijn 35 mA stroom levert, kan zonder gevaar een accucel opladen. Deze verhouding verandert zich bij "grotere" (vermogenssterke) zonnemodules, die meer stroom kunnen leveren. Hier is dan een laadstroombegrenzing of een laadelektronica beslist noodzakelijk, anders wordt de accu onherstelbaar beschadigd.
Afb. 59: Schakelschema en proefopbouw eenvoudige zonne-energie- lader, de diode werd ingevoegd zodat zich de accu bij nacht niet via de zonnemodule ontlaadt.
Afb. 60: Opbouw experimenteerbord: laadstroomindicatie via een LED (tevens dient deze voor de ontlaadbescherming)
20 Chemische processen met zonne-energie Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, kom, water, natroon of keukenzout, rode LED, elco 4.700 µF Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel), de zichtbare reactie in het water is echter bij volle zon of een sterke lichtbron duidelijker.
35
Afb. 61: Proefopbouw watersplitsing zonnemodule
Afb. 62: Het principeschema voor de watersplitsing toont een zonnemodule en de elektroden
Proefopbouw: een kom met water en iets natroon of keukenzout. Bij puur water leidt de stroom heel slecht. Bij de toevoeging van natroon ontstaan bij de elektrische splitsing zuurstof en waterstof. Bij de toevoeging van keukenzout ontstaat zuurstof en chloorgas. Als elektroden kunt u twee draden, ca. 5 cm lang, gebruiken, waarbij de uiteinden ongeveer 2 cm gestript worden. a)
b) c)
Plaats de draden met de afgestripte einden verticaal onder het wateroppervlak in de kom en zo ver mogelijk uit elkaar, maak deze met wasknijpers vast aan de kom. Door de twee draden als elektroden wordt de zonne-energie-gelijkstroom in het water geleid. (Aan de elektroden ontstaan door elektrolyse reactieproducten uit de in het water aanwezige stoffen.) Sluit de draadelektronen aan op de zonnemodule. Als er zonnestralen op de zonnemodule vallen, kunt u zien dat er aan beide draadeinden in het water blaasjes opstijgen – aan de minpool ongeveer het dubbele dan aan de pluspool. Een extra LED in serie laat de stroomvloed zien. Omdat de stroom minimaal is, kunt u het zwakke licht van de LED meer of minder zien.
zonnemodule
Afb. 63: Om bijkomend de stroomvloed te tonen wordt een LED in de stroomkring ingevoegd. De extra elco C1 is voor het werken van de schakeling niet echt nodig, maar hij stabiliseert de functie.
36
37
