Geheimen op het spoor. KOSMOS brandstofcel. Bestnr Experimenteerhandleiding

Bestnr. 13 00 00

Geheimen op het spoor Experimenteerhandleiding

KOSMOS brandstofcel Voertuigen, krachtcentrales, machines en apparaten zonder uitstoot – dat zou spoedig werkelijkheid kunnen worden. Beleef met eenvoudige experimenten, hoe de brandstofcel, de energie- omvormer van de toekomst, functioneert!

Van het team van auteurs Dr. Detlef Bahnemann Francisco Pujiula Christopher Berge Frankh-Kosmos Verlags- GmbH &co., Stuttgart

Waarschuwing!

Alleen voor gebruik voor kinderen ouder dan 12 jaar. Gebruik alleen onder strikt toezicht van volwassenen, die zich bezig gehouden hebben met de in de experimenteerdoos beschreven voorzorgsmaatregelen. Houd kleine kinderen en dieren uit de buurt bij de experimenten. Bewaar de experimenteerdoos buiten het bereik van kleine kinderen, er zitten kleine onderdelen in die ingeslikt kunnen worden.

Voorzichtig!

In de brandstofcel ontstaan zeer brandbare gassen. Lees de aanwijzingen voor gebruik, volg ze op en houd ze binnen bereik om ze er op na te kunnen slaan. LET OP!

I.v.m. beperkingen in de drukmogelijkheden zijn de afbeeldingen en tabellen te vinden op de desbetreffend vermelde pagina in de Duitse handleiding!!!

1

Opdat er niets gebeurt… Een woord voor de ouders! Wat u moet weten over deze Natuurkunde- Experimenteerdoos en het gebruik ervan. De KOSMOS experimenteerdoos BRANDSTOFCEL geeft uw kind de mogelijkheid, dit interessante gebied op onderhoudende wijze, maar niet des te minder grondig te leren kennen. Door experiment en uitleg af te wisselen krijgt het kind basiskennis, die hem verder helpen bij zijn eigen experimenten thuis of bij de natuurkundeles op school. Er wordt kennis bijgebracht, die de samenhang weergeeft tussen ons handelen, of het nu gaat om thuis, in de industrie of in het verkeer en er wordt een mogelijkheid getoond hoe wij door het toepassen van nieuwe technologieën het milieu kunnen ontlasten. De proeven in dit experimenteerboek zijn zo samengesteld, dat kinderen vanaf 12 jaar zonder gevaar kunnen experimenteren en de gedragingen kunnen begrijpen. De experimenteerdoos BRANDSTOFCEL voldoet aan de Europese veiligheidsnorm EN 71 en goedgekeurd door de TÜV. De norm omvat bijlagen voor de fabrikant – dat er b.v. geen bijzonder gevaarlijke stoffen gebruikt mogen worden -, maar voorziet er ook in, dat de ouders hun kinderen met raad en daad terzijde staan. Dat kunt u alleen, als u zelf voldoende geïnformeerd bent. Wij wenden ons daarom tot u en vertellen u waar het op aankomt. Blader dit experimenteerboek door en let vooral op de onderstreepte veiligheidsaanwijzingen. Praat met uw kind deze aanwijzingen door. Vertel uw kind uitdrukkelijk, dat het alle aanwijzingen moet lezen, opvolgen en bij de hand moet houden en dat alleen proeven uitgevoerd mogen worden die in dit boek beschreven staan. Informeer uw kind, maar maak het niet bang. Daar bestaat geen aanleiding toe, ervan afgezien dat angst geen veiligheid geeft, maar eerder onzeker maakt. Wij wensen uw jonge fysicus (m/v) veel plezier en succes bij het experimenteren.

2

Basisregels om veilig te experimenteren Aanwijzingen voor jonge fysici (m/v) en hun ouders Alle proeven die in dit experimenteerboek beschreven staan, kunnen zonder gevaar uitgevoerd worden, als je de aanwijzingen en voorschriften nauwgezet opvolgt. Prent je in het bijzonder de volgende basisregels in, die een natuurkundige in vlees en bloed moet opvolgen: 1. Lees de aanwijzingen voor je met een proef begint, volg ze op en houd ze bij de hand. 2. Let in het bijzonder op de aanduidingen van de hoeveelheden en de volgorde van de werkzaamheden. 3. Voer alleen de experimenten uit die in dit boek beschreven staan. 4. Houd kleine kinderen, dieren en personen die geen oogbescherming dragen, uit de buurt. 5. Draag steeds oogbescherming. Als je een bril draagt, houd die dan op. 6. Bewaar de experimenteerdoos buiten het bereik van kleine kinderen. 7. Gebruik geen andere apparaten dan de apparaten die in deze doos zitten. 8. Eet, drink en rook niet op de experimenteerplek. 9. Was je handen als je klaar bent met een experiment. 10. Voer de experimenten met de brandstofcel alleen uit op een plek die goed geventileerd is en zorg ervoor dat er geen ontstekingsbronnen in de buurt zijn. Gebruik het meetapparaat nooit, om de stroom of de spanning te meten die uit een wandcontactdoos komen! Spanningen en stromen die uit een wandcontactdoos komen, zijn levensgevaarlijk groot!

3

Inhoudsopgave Introductie De meter Veiligheidsaanwijzingen voor het omgaan met de meter Introductie Meten van gelijkspanning Meten van gelijkstroom Samenvatting: Meten van stroom en spanning Weerstandsmeting De Wet van Ohm Het produceren van stroom met zonnecellen Introductie Snelle instap: je eerste zonneauto Hoe helderder, hoe sneller Helderheid, intensiteit en energie van lichtbronnen Afschaduwing en bypass- diodes Meten van kortsluitstroom en nullastspanning Lading, stroom, spanning Kalibreren van een stralingsmeter Directe en diffuse straling Dagelijkse gang van de zonnestraling Hoe functioneert een zonnecel? Atomen, atoomkernen, elektronen, kristallen en vaste lichamen Metaal, isolator, halfgeleider De pnovergang De kristalstructuur van silicium en dotering Karakteristiek van een zonnemodule Serieschakeling en parallelschakeling van weerstanden Energie, arbeid en vermogen Maximum Power Point en vulfactor Gelijkstroom, wisselstroom, omvormer en “MPP-tracker” Fabricage van zonnecellen Bepaling van het rendement van de zonnemodule Celrendementen en modulerendementen Samenvatting Elektrolyse Veiligheidsaspecten Verklaring van de begrippen Het ontleden van water door middel van elektrolyse

Knalgastest voor het aantonen van waterstof Kalibreren (“uitliteren”) van de gastank Opbouw en vullen van de brandstofcel Splitsen van water in de brandstofcel Kwalitatieve gasanalyses: Knalgastest om waterstof aan te tonen Gloeiproef voor het aantonen van zuurstof Kwantitatieve meting van de gasvormingsnelheden Elektrische meting bij de elektrolyse: Bepaling van stroom en spanning Het rendement van de waterelektrolyse Invloed van licht op de splitsing van water Een geduldspelletje: volledige splitsing van al het water in de brandstofcel Nog een rekensommetje: hoeveel water zat er nou in de brandstofcel? De splitsing van water door zonlicht: beter dan met een lamp? Hoe lang blijft het gas in de tank? Samenvatting Brandstofcel Veiligheidsaanwijzing Veiligheid van waterstof: vergelijking met andere energiedragers Het beweegt! Brandstofcel I: Hoe functioneert de brandstofcel Brandstofcel II: Verschillende types brandstofcellen Brandstofcel III: historische ontwikkeling De motor op snelheid brengen De andere draai Meting op de dynamo Bereik van de auto Een luchtige aangelegenheid Een lift met waterstofaandrijving: montage Welk vermogen levert de lift? Lift: geleverde energie Meten van nullastspanning, werkspanning en kortsluitstroom van de brandstofcel Rendement van de brandstofcel Blokverwarmingcentrale Opbouw van de brandstofcel Zonne-energie – waterstof – hybride auto Vooruitzichten

4

Inhoud van de experimenteerdoos Zie afbeelding : Duitse handleiding pagina 4. Onderdeel

Benaming

Kosmos bestelnr.

1 2

Brandstofcel compleet Kabelset brandstofcel Aansluitkabel rood, 120 mm lang Aansluitkabel zwart, 120 mm lang Aansluitkabel rood, 250 mm met oog Aansluitkabel zwart, 250 mm met oog Aandrijfmotor Voertuigchassis Gasverzamelaar As 4 wielen met banden elk Zonnepaneel Houder voor zonnepaneel Spuit Stuk slang Digitale meter Reageerbuis Veiligheidsbril Stickers Zakje met kleine onderdelen brandstofcel 2 slangklemmen 2 slangaansluitingen 2 afdichtingspakkingen 8 modeltreinstekkers zwart 8 modeltreinstekkers rood wikkelrol draad canule- op maat gesneden schroeven FZ, 2,9 x 6 bevestigingshulzen Zakje met elektrische onderdelen weerstand 4,7 Ω weerstand 10 Ω weerstand 22 Ω

287160 287151

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

17

287121 287122 287123 287124 287157 287127 287148 287140 287136 287130 287119 052297 287147 287150

287170

5

Introductie Je hebt vast al wel eens van begrippen als klimaatramp, broeikaseffect, milieuvervuiling, smog en uitstoot van schadelijke stoffen gehoord. Dit zijn gevolgen van menselijk handelen, hoewel er nog gevochten wordt over de exacte oorzaken en samenhang, tenslotte wil niemand alleen de schuld krijgen. Er staat echter vast, dat industrie, verkeer en krachtcentrales, maar ook elk huishouden grote hoeveelheden schadelijke stoffen produceren of veroorzaken, die onze lucht en het milieu belasten. Er wordt veel over gediscussieerd, hoe we in de toekomst dergelijke ernstige effecten kunnen vermijden. Daarbij worden er verscheidene ideeën ontwikkeld voor het verkeer en de energiewinning, en er worden manieren gezocht, om deze ideeën in werkelijkheid on te zetten. Afbeelding, zie pagina 6, Duitse handleiding. Een van deze ideeën is de stapsgewijze omschakeling van de energiewinning op regeneratieve energiebronnen. Het woord “regeneratief” betekent niets anders dan zelf- “herstellend” of ook wel “bijgroeiend”, d.w.z. er wordt niets werkelijk gebruikt. Een plant bijvoorbeeld groeit, doordat hij koolstof (kooldioxide) uit de lucht opneemt. Als de plant verrot, komt er weer net zo veel kooldioxide vrij als hij in de loop van zijn leven heeft opgenomen. Een kringloop. Afbeelding, zie pagina 6, Duitse handleiding. Dit is bijvoorbeeld anders met bruinkool, steenkool, aardolie en aardgas. Men noemt dit fossiele brandstoffen. Dit zijn de resten van planten, die miljoenen jaren geleden gegroeid hebben. Er was in die tijd veel kooldioxide in de lucht, en het klimaat was heel anders dan nu. De planten werden in de lange tijd door aarde bedekt en onder de grond ingesloten. Daarmee was het door deze planten opgenomen kooldioxide praktisch uit het milieu verdwenen. Als men dit opgeslagen kooldioxide weer in de lucht terugbrengt doordat de fossiele grondstoffen verbrand worden, dan krijg je langzaam maar zeker weer een luchtmengsel zoals dat miljoenen jaren geleden was. Toen waren er nog geen mensen, en die hadden in deze lucht beslist niet kunnen leven. Bovendien zijn de fossiele brandstoffen ook een keer opgebruikt, ook als er nog geruzied wordt over het exacte tijdstip. Het is echter ook onbelangrijk of dat over 20, 50 of 200 jaar het geval zal zijn, vast staat dat het zal gebeuren. Daarom dus het zoeken naar regeneratieve energie en bijgroeiende grondstoffen. Verdere regeneratieve energiebronnen (naast de zogenaamde biomassa, dus nu groeiende planten) zijn bijvoorbeeld wind en water. Beide worden al eeuwenlang gebruikt om energie te winnen: bijvoorbeeld windmolens en watermolens voor het malen van koren. Tegenwoordig worden windenergie en waterkracht gebruikt in kleine en grote energiecentrales om stroom te produceren. Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding. Historisch waterleidingbedrijf 1878, Augsburg

Ook zonne-energie is een regeneratieve energiebron. De zon schijnt al miljarden jaren en zal nog miljarden jaren blijven schijnen. Het gebruik van zonne-energie (dit wordt ook wel solar-energie genoemd) is daarom een van de grondpijlers van een toekomstige regeneratieve energievoorziening. Naast de mogelijkheid om stroom uit zonlicht te produceren, die je in je eerste experiment zult leren kennen, is er nog een grote hoeveelheid andere gebruiksmogelijkheden. Als je wel eens in een auto gestapt bent die ’s zomers in de zon had gestaan, dan weet je dat je uit zonlicht ook warmte kunt winnen. Daarvoor bestaan er andere experimenten in een andere KOSMOS experimenteerdoos.

6

Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding. Omdat de zon echter alleen overdag schijnt, moeten er manieren gevonden hoe deze energie opgeslagen kan worden. Eén mogelijkheid ken je in ieder geval: de batterij. Daarvoor zul je in het tweede en derde deel van dit experimenteerboek proeven uitvoeren, die je laten zien dat er een kringloop bestaat die je uitstekend kunt gebruiken: de waterstofkringloop. Waterstof is een uitstekende energiedrager. Als je waterstof verbrandt, ontstaat er water. Dit water kun je bijvoorbeeld met zonne-energie weer splitsen in waterstof en zuurstof. Dit noemen we waterstofelektrolyse. De geproduceerde waterstof kunnen we dan opnieuw verbranden. Een eindeloze kringloop zonder schadelijke stoffen. Je zult in het derde deel van dit experimenteerboek ook een manier leren kennen, hoe de waterstof zonder verbranding direct in stroom teruggevormd kan worden: de brandstofcel. Maar daarover later. Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding.

7

De meter Veiligheidsaanwijzingen voor het omgaan met de meter Om te zorgen dat de meter zonder problemen functioneert en je er zonder gevaar mee kunt werken, moet je beslist letten op de volgende aanwijzingen: • Om geen risico telopen van verwondingen en om de meter niet te beschadigen, moet je de meter alleen maar in combinatie met de in dit handboek beschreven proeven gebruiken! • Gebruik de meter alleen maar zoals dat in deze handleiding beschreven staat! • Controleer voor elke spanningsmeting dat de meter niet op stroommeting staat ingesteld. • Voor elke wisseling van het meetbereik moet je de verbinding tussen schakelcircuit en meetapparaat loskoppelen door de meetpunten (dat zijn de aansluitingen van de meter die in afb. 1 rechts afgebeeld zijn) uit het schakelcircuit verwijdert! Anders kun je een levensgevaarlijke elektrische schok krijgen of de meter kan vernield worden! • Controleer voor elke meting of de meter of de meetsnoeren niet beschadigd zijn! Als er een onderdeel beschadigd is, mag je de meter niet meer voor een meting gebruiken! • Onderdelen binnenin de meter kunnen nog geladen zijn, ook als het meetapparaat van alle spanningsbronnen en meetcircuits losgekoppeld is! • Let er op, dat je de meetsnoeren tijdens een meting niet (ook niet indirect) aanraakt! • De meter mag alleen gebruikt worden voor het meten van gelijk- en wisselspanningen alsmede van gelijkstromen gebruikt worden! Nooit wisselstromen meten met dit apparaat! • Vermijd beslist het vochtig of nat worden van de meter! • Vermijd het gebruik van het meetapparaat in de directe omgeving van sterke magnetische velden (luidsprekers, magneten), elektromagnetische velden (transformatoren, grote motoren, spoelen, relais, elektromagneten enz.) en sterke elektrostatische velden (op-/ ontladingen) alsmede zendantennes. • Gebruik alleen de meetsnoeren die met de experimenteerdoos meegeleverd zijn! • Schakel de meter nooit gelijk in, als je hem van een zeer koude naar een zeer warme kamer brengt, omdat dit je meter zou kunnen vernielen! Wacht een paar minuten met het inschakelen, tot het meetapparaat zich aan de temperatuur heeft aangepast. • Als het meetapparaat beschadigd is, mag je het in geen geval gebruiken, omdat dan gebruik zonder gevaar niet meer mogelijk is. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren, als het apparaat zichtbaar beschadigd is, niet meer werkt of als het apparaat lange tijd onder ongunstige omstandigheden opgeslagen is geweest (bijvoorbeeld in een vochtige ruimte). In dit geval moet je er ook voor zorgen, dat het apparaat niet per ongeluk door iemand anders wordt gebruikt! • Het apparaat mag alleen opengemaakt worden om de batterijen of de zekering te vervangen. Daartoe moet je op de volgende punten letten: • Maak het apparaat nooit open, als het in een schakeling ingebouwd is! • Als batterij mag je alleen een 9V blokbatterij gebruiken! • Als vervangende zekeringen mogen alleen zekeringen worden gebruikt van het type 0,2A 250V flink (gebruikelijke aanduiding: F 0,2 A / 250 V)! De zekeringhouder mag niet overbrugd worden! • Het vervangen van de batterij of de zekering doe je als volgt: Koppel de meter los van het meetcircuit. Verwijder alle aangesloten testpunten. Neem een passende kruiskop- schroevendraaier en draai de schroeven aan de achterkant van de behuizing er tegen de richting van de wijzers van de klok in uit. Open de behuizing voorzichtig. Vervang de batterij en/ of de zekering door de aangegeven vervangende onderdelen. Als de batterij/ zekering vervangen is, sluit je de behuizing in omgekeerde volgorde weer. Neem de meter pas weer in gebruik, als de behuizing veilig gesloten en dichtgeschroefd is!

8

•

•

Als de batterij van de meter leeg is, moet je hem uit het apparaat halen, omdat ook tegen uitlopen beschermde batterijen kunnen roesten en er daarbij chemicaliën vrij kunnen komen, die gevaarlijk kunnen zijn voor je gezondheid en/ of de meter kunnen vernielen. Gebruikte batterijen horen in de verzamelbakken in winkels e.d. en niet bij het huisvuil! Schoonmaken van het apparaat; gebruik daarvoor een niet pluizende, antistatische, droge doek. Gebruik nooit koolstofhoudende schoonmaakmiddelen of benzine, alcohol of dergelijke. Door deze stoffen wordt het oppervlak van de meter aangetast. Bovendien zijn de dampen schadelijk voor de gezondheid en explosief.

De volgende aanwijzingen hoef je niet persé te snappen, het is voldoende dat je de tot nu toe genoemde aanwijzingen opvolgt! Daarbij geldt in het bijzonder, dat je de meter alleen gebruikt op de manier zoals die in de proeven in dit handboek beschreven wordt. • •

•

•

•

De multimeter is EMV- getest en voldoet aan de richtlijn 89/336/EG Het meetapparaat is gebouwd en getest volgens DIN 57 411 deel 1/ VDE 0411 deel 1, Veiligheidsmaatregelen voor elektronische meetapparatuur en heeft de fabriek in veiligheidstechnisch perfecte staat verlaten. Om dit zo te houden en zeker te zijn van gebruik zonder gevaar, dient de gebruiker zich te houden aan de veiligheidsaanwijzingen en waarschuwingen die in deze gebruiksaanwijzing staan. De meter mag alleen gebruikt worden in stroomcircuits, die zelf met 10 A afgezekerd zijn, resp. waarin geen capaciteiten groter dan 2500 VA (=250 V x 10 A) kunnen optreden. De optredende/ voorkomende spanning mag in ieder geval niet groter zijn dan 250 VDC. De multimeter is niet geschikt voor het meten van wisselstroom. De meter mag niet gebruikt worden in installaties van de overspanningscategorie III volgens IEC 664. Het meetapparaat en de meetsnoeren zijn niet beschermd tegen lichtboogexplosies (IEC 1010-2-031, hoofdstuk 13.101). Als er na of bij het openen van het apparaat (voor onderhoud, reparatie of het vervangen van onderdelen) een reparatie van het geopende apparaat onder spanning noodzakelijk is, dan mag dit alleen gebeuren door een vakman die op de hoogte is van en vertrouwd is met de daaraan verbonden gevaren resp. met de desbetreffende voorschriften daarvoor (VDE-1010, VDE-0701, VDE-0683). Reeds bij spanningen groter dan 25 VAC (wisselspanning) en 35 VDC (gelijkspanning) kan het aanraken van elektrische leidingen een levensgevaarlijke schok veroorzaken. Schakel daarom beslist eerst de spanningsbron stroomloos, verbind dan het meetapparaat met de aansluitingen van de te meten spanningsbron, stel op de meter het benodigde meetbereik in en schakel pas daarna de spanningsbron weer in. Na beëindiging van de meting eerst de spanningsbron stroomloos schakelen, pas daarna de meetsnoeren verwijderen!

Afbeelding 1: de meter (zie pagina 9, Duitse handleiding)

9

Introductie De meter die je in je experimenteerdoos hebt gevonden, is een zogenaamde digitale multimeter. Het woord digitaal betekent, dat de meter de gemeten waarde als getal aanwijst. Andere meters laten je de waarden zien doordat de wijzer op een schaalverdeling een waarde aanwijst (vele snelheidsmeters in de auto werken met wijzer en schaalverdeling). Het apparaat heet multimeter, omdat er door aan de knop aan de voorkant te draaien, gekozen kan worden wat de meter moet meten, en het meetbereik kan veranderd worden. In de meeste gevallen is echter het draaien aan de knop niet genoeg. In plaats daarvan moet je ook de opbouw van de schakeling een beetje veranderen, om bijvoorbeeld in plaats van een stroom een spanning te meten. De aparte werkingssoorten (spanningsmeting, stroommeting en weerstandsmeting) zul je in het volgende gedeelte leren kennen. De begrippen weerstand, lading, spanning en stroom, die daarbij voorkomen, worden in samenhang met de experimenten voor het opwekken van stroom met zonnecellen uitgelegd. Tijdens de proeven die later in het experimenteerboek uitgevoerd worden, kun je steeds weer hier even nakijken, als je er niet helemaal zeker van bent hoe je de meter moet bedienen. Om daarbij het meetapparaat zonder gevaar te kunnen gebruiken, moet je beslist de veiligheidsaanwijzingen voor het omgaan met de meter op de vorige bladzijde opmerkzaam doorlezen. Meten van gelijkspanning Voor het meten van een spanning moet de digitale multimeter op de juiste manier ingebouwd worden in het stroomcircuit. Daarbij geldt als vuistregel, dat de meter parallel ingebouwd moet worden aan dat deel van de schakeling, waaraan je de spanning wilt meten. Dat klinkt heel ingewikkeld, maar het is eigenlijk heel eenvoudig. In afbeelding 3 is de schakeling getekend, als je de spanning op weerstand R wilt meten. De stroom kan, komend van de batterij, zowel door de meter als door de weerstand vloeien. Beide zijn dus parallel geschakeld. Als de weerstand gelijk is aan nul, dan kan de stroom onbelemmerd vloeien. Je zult later leren, dat in dit geval de spanning steeds gelijk is aan nul (dat is de Wet van Ohm). Als de weerstand groter is dan nul, dan zal de stroom voor de weerstand “opgestuwd” worden, dat wil zeggen op de weerstand zal een spanning “afvallen”, die je kunt meten. Als de weerstand oneindig groot is, dan zal er helemaal geen stroom vloeien, en de totale spanning die de stroombron in jouw schakeling levert, zal op deze weerstand afvallen – alsof de beide aansluitingen van de stroombron alleen via de meter met elkaar verbonden waren. De meter laat namelijk inderdaad steeds maar een heel kleine stroom passeren, als je hem als spanningsmeter gebruikt. Slechts zoveel dat je net daaraan kunt “zien” hoe groot de spanning is. Afb. 2 Instelling van de multimeter voor een spanningsmeting (zie pagina 10, Duitse handleiding)

Om een dergelijke spanningsmeting uit te voeren, moet de meter ingesteld zijn op spanningsmeting, en de meetpunten moeten in de juiste aansluitingen gestoken zijn. Gebruik de zwarte kabel steeds voor de COM- aansluiting (negatieve spanning), de rode kabel voor de andere aansluiting (positieve spanningen). Dit kun je in alle afbeeldingen in dit boek zien. het komt overeen met de in de elektrotechniek gebruikelijke standaard en helpt fouten te vermijden. De verschillende posities van de draaiknop in het gele bereik in afbeelding 2 verschillen in de schaalverdeling, d.w.z. in de maximaal meetbare spanning en in de nauwkeurigheid van de aanduiding. Hoe groter het meetbereik, hoe minder precies wordt de meting van kleine spanningen. • 600: meten van spanningen tot 600 V • 200: meten van spanningen tot 200 V Deze beide meetbereiken zul je voor de experimenten in deze doos nooit gebruiken.

10

Gebruik de meter nooit voor het meten van dergelijke hoge spanningen, ook als de schaalverdeling dat mogelijk maakt. Dergelijke spanningen kunnen levensgevaarlijk zijn! • • •

20: Meten van spanningen tot 20 V Dit meetbereik zul je vaker gebruiken. 2000m (spreek uit 2000 milli(Volt). Meten van spanningen tot 2 V. De m na het getal (of beter voor de eenheid, die hier weggelaten is) betekent milli, dus een duizendste deel. De maximaal meetbare spanning is dus 2000 millivolt = 2000x(1/1000) = 2 V 200 m (200 millivolt). Meten van spanningen tot 200 mV = 0.2V (200 x (1/1000) = 0,2 V. Voor de meeste metingen in dit boek is dit meetbereik te klein.

Afb. 3: Schakeling voor een spanningsmeting. De meter en de weerstand zijn parallel geschakeld

(zie pagina 11, Duitse handleiding).

Voorbeeld van een spanningsmeting Als je een batterij (bijvoorbeeld uit een zaklantaarn of een walkman) bij de hand hebt, lees dan op de batterij de aangegeven spanning (bijvoorbeeld 1,5 V bij een monocel, 9V bij een blokbatterij). Kies het meetbereik zo, dat de te meten spanning kleiner is dan de maximale spanning in het meetbereik (2000 mV voor monocel, 20 V voor blokbatterij). Stel de meter zo in als te zien is in afb. 4 en houd de meetpunten van de meter aan de polen van de batterij: de rode kabel aan de pluspool, de zwarte aan de minpool. Dit komt overeen met een meting met oneindig hoge weerstand R. Lees nu op het display van de meter de aanduiding. Als de batterij vol is, dan moet de gemeten spanning minimaal onder de aangegeven spanning liggen. Als de spanning negatief is, dan moet je de beide kabels omwisselen. Meten van gelijkstroom Ook voor het meten van gelijkstroom moet je eerst de meter op de juiste manier inbouwen in de schakeling. Hierbij wordt de meter anders ingebouwd dan voor de spanningsmeting. Dit zie je in afb. 5. Voor stroommetingen geldt daarbij de vuistregel, dat de meter in serie ingebouwd moet zijn met het deel van de schakeling waardoor je de stroom wilt meten. Dan moeten alle ladingen die door de weerstand vloeien, ook door de meter vloeien. Bovendien moet je de draairegelaar op de meter op één van de standen zetten die in afb. 6 geel aangegeven zijn. De getallen van de verschillende posities geven weer het meetbereik (d.w.z. de maximaal meetbare stroom) aan: Afb. 4: meting van de nullastspanning van een batterij (zie pagina 11, Duitse handleiding)

•

• •

200 µA (spreek uit micro-Ampère). Meten van stromen kleiner dan 200 µA. De letter µ (uitgesproken als mu) komt uit het Griekse alfabet en betekent miljoenste (1/1.000.000). 1µA is dus een miljoenste Ampère of ook wel 0,000.001 A. In de techniek gebruikt men veel liever de schrijfwijze 1 µA veel liever dan 0,000.001 A, omdat je je dan niet zo gauw vertelt in alle nullen en het getal sneller geschreven kan worden. 200 µA komt dus overeen met 200 : 1.000.000 = 0,2 duizendste Ampère = 0,2 mA (0,2 milliampère). 2000 µA (2000 microampère) is 2.000 miljoenste Ampère, dus 2 duizendste Ampère = 2mA (2 milliampère). 20 mA (20 milliampère) is 20 duizendste Ampère, dus 0,02 A.

Voor de proeven in deze doos zijn deze drie bereiken te klein. Je zult ze bij de proeven in deze doos niet kunnen gebruiken.

11

• •

200 mA (200 milliampère) is 200 duizendste Ampère, dus 0,2 A. Voor een paar van de proeven kun je dit meetbereik gebruiken, maar meestal heb je een groter bereik nodig. 10 A. Dit meetbereik is voldoende voor alle proeven. Om dit bereik te gebruiken, moet je de draairegelaar op dit in wit aangegeven getal instellen en bovendien de rode kabel, zoals te zien is in afb. 6, in de bovenste bus steken. Voor alle andere meetbereiken moet je de middelste bus gebruiken, waar “VΩmA” bij staat.

Ook als je met dit bereik gelijkstromen tot 10 A kunt meten, mag je dit toch nooit doen. Stromen van deze grootte zijn levensgevaarlijk! Afb. 5: schakelschema voor een stroommeting. De meter en de weerstand zijn in serie geschakeld.

(zie pagina 12 Duitse handleiding)

Afb. 6: Instelling van de multimeter voor een stroommeting

(zie pagina 12, Duitse handleiding)

Voorbeeld van een stroommeting Als je een batterij bij de hand hebt (bijvoorbeeld uit een zaklantaarn of een walkman) bij de hand hebt, kun je de volgende test uitvoeren. Kies het meetbereik 10 A voor de stroommeting, gebruik de bovenste bus voor de rode kabel zoals je ziet in afb. 6. Houd de meetpunten tegen de polen van de batterij en lees de aanduiding op de meter. Als de batterij niet leeg is, moet de meter een stroom aangeven in het bereik van 1 tot 7 A, afhankelijk van de batterij. Voer de meting niet al te lang uit, omdat anders de batterij zeer heet wordt (hij is kortgesloten, omdat er, anders dan in afb. 5, geen weerstand tussengeschakeld is)! Samenvatting: meten van stroom en spanning Voor het meten van stroom en spanning moet de meter op verschillende manieren in het stroomcircuit ingebouwd worden: • Voor het meten van de spanning aan een deel van de schakeling wordt de meter parallel met dit onderdeel geschakeld. • Voor het meten van de stroom door een deel van de schakeling wordt de meter in serie met dit deel van de schakeling ingebouwd. Alle ladingen, die door dit deel van de schakeling vloeien, vloeien dan ook door de meter. In de proeven in dit handboek zijn er steeds schakelschema’s getekend, waaruit je kunt zien hoe je de meter in de schakeling moet inbouwen. Bovendien is bij het symbool voor de meter de letter “I” getekend als je een stroom moet meten, en de letter ‘U” als je een spanning meet. Daarna moet je de meter volgens deze aanduidingen instellen. Weerstandsmeting De weerstandsmeting gaat bij de meter zo, dat door de meter een spanning op een onderdeel aangelegd wordt en de daaruit volgende stroom gemeten wordt. De meter bepaalt de weerstand volgens de wet van Ohm uit de gemeten spanning en de vloeiende stroom. Je vindt de Wet van Ohm in het kader op de volgende bladzijde. Afb. 7 laat je zien hoe je de meter voor een dergelijke weerstandsmeting moet instellen. Als de weerstandsmeting wordt gebruikt, mag er geen andere spannings- of stroombron in de schakeling bestaan (of ingeschakeld zijn)! Anders klopt de meting niet en je meter kan vernield worden. Om deze fout te vermijden, moet je de meting van weerstanden steeds op aparte onderdelen uitvoeren, niet op onderdelen in een complete schakeling! De Griekse letter Ω (Omega) staatvoor de eenheid van weerstand: Ohm. De meetbereiken betekenen: • 200 Ω meting tot 200 Ω

12

Dit meetbereik zul je het vaakst nodig hebben. • 20 kΩ (20 kilo-Ohm): is 20 duizend Ohm = 20.000 Ω. De k staat voor kilo en betekent 1.000. • 200 kΩ (200 kilo-Ohm) is 200.000 Ω • 2.000 kΩ (2.000 kilo-Ohm) is 2.000.000 Ω of ook wel 2 mega-Ohm = 2 MΩ. De (hoofdletter!) M staat voor mega en betekent miljoen. Afb. 7: Instelling van de multimeter voor een weerstandsmeting


Voorbeeld van een weerstandsmeting Kies als meetbereik 2.000Ω.Houd de beide meetpunten met een niet al te grote afstand op één van je vingers. De aanduiding moet nu alleen links een 1 aangeven. Dit betekent dat de weerstand duidelijk groter is dan het meetbereik. Maak nu je vinger vochtig en herhaal de meting, waarbij je de meetpunten op het vochtige gedeelte drukt. De meter moet nu een waarde van een paar honderd (b.v. 600) aangeven, wat betekent dat de weerstand tussen de beide meetpunten nu ca. 600 kΩ, dus 600.000 Ω groot is (je mag hierbij niet vergeten de aangegeven waarde te vermenigvuldigen met de ”letter” voor de eenheid van het meetbereik: Als daar een k staat, betekent dat dus, dat de meter kilo-Ohm aangeeft, een 1 is daarom dus niet één Ohm, maar een kilo-Ohm, dus 1.000 Ω!). De Wet van Ohm Als er tussen de beide uiteinden van een draad een spanningsverschil bestaat, dan vloeit er een stroom door de draad. Deze stroom is des te hoger naarmate het spanningsverschil groter is. De elektronen kunnen echter ook niet oneindig snel door de draad passeren. De draad zelf bestaat namelijk ook uit kleine deeltjes, de atomen, die met elkaar verbonden zijn. Als de elektronen door de draad willen vloeien, dan botsen ze op de deeltjes in de draad. Men zegt dan dat de draad een “weerstand” biedt tegen de elektronen. De stroom is er dus ook van afhankelijk, hoe gemakkelijk de elektronen de draad kunnen passeren, hoe klein dus de weerstand is. De stroom zal des te groter zijn, naarmate de weerstand kleiner is. Als formule geschreven ziet dat er zo uit: Spanning U Stroom = ------------ of I = ---weerstand R Dit wordt aangeduid als de Wet van Ohm, genaamd naar de Duitse natuurkundige Georg Simon Ohm (1789 – 1854). De eenheid voor de weerstand is ook naar hem Ohm genoemd, afgekort met de Griekse letter omega (Ω). Als de spanning in een stroomcircuit 1 V bedraagt (U = 1 V) en de weerstand 1 Ohm (R = 1 Ω), dan berekenen we voor de stroom I=1V =1V=1A 1Ω Ω Dan vloeit er dus een stroom van 1 Ampère. Vaak worden de eigenschappen van stroom en spanning beschreven met een model, waarbij er water door een buis stroomt. Hoe groter het spanningsverschil (d.w.z. het hoogteverschil tussen het bovenste reservoir en het onderste bekken), hoe sneller het water vloeit (grotere stroom). Maar ook bij lage spanningen (gering hoogteverschil) kan het vloeien van de stroom groter gemaakt worden als de buis dikker wordt ( de weerstand wordt minder). Afb. 8: Overeenkomst tussen water, dat door een buis stroomt, en stroom, die door een draad vloeit.


13

Stroom opwekken met zonnecellen Introductie De volgende acht experimenten geven je een overzicht hoe je uit zonne-energie stroom kunt opwekken. Dit wordt omschreven als “Photovoltaïk”, samengesteld uit de begrippen “Photo” (uit het Grieks, het betekent “licht”, een photon is een lichtdeeltje) en “Voltaïk” (een afleiding van de eenheid Volt voor spanning), dus “spanning uit licht”. P1 Een snelle instap: je eerste zonneauto In deze eerste proef zul je de eerste delen van de experimenteerdoos samenbouwen. Aan het eind van de proef heb je dan een zonneauto geknutseld, die op zonnestroom rijdt. Eerst moet je daarvoor de achteras en de vooras met de aandrijving en de motor en de wielen samenbouwen. Je kunt in afbeelding 9 zien, hoe ze samengebouwd worden. Draai de schroef op de vooras niet al te vast, zodat je nog sturen kunt, maar wel vast genoeg, zodat je auto tijdens het rijden niet vanzelf van richting verandert! Afb. 9: montage van de zonneauto (zie pagina 14 Duitse handleiding)

Verwijder ook de gastanks, omdat je die voor deze proeven niet nodig hebt. Aan jouw zonneauto ontbreekt nu nog de stroomvoorziening. Daarvoor moet je in de volgende stap de zonnemodule op de auto monteren. Maak de kabels op de zonnemodule los, druk de zonnemodule in de houder en bevestig de kabel weer met de sluitringen en de moeren. Let er daarbij op, dat je de rode kabel weer aan de pluspool en de zwarte aan de minpool vastschroeft. Monteer het zonnepaneel daarna op het voorste gedeelte van de wagen, door de stiften van de houder in de desbetreffende gaten van het chassis – zo noemen we het onderstel ook – in te klikken (afb. 10a). Daartoe moet je de houders een beetje uit elkaar buigen, maar niet te veel, anders breken ze af! Daarmee ben je al bijna klaar met de montage. Je hoeft alleen nog maar de ministekkers op de uiteinden van de kabels te bevestigen. Daarvoor heb je een kleine schroevendraaier nodig. Maak eerst de schroef op de stekker los, tot je de metalen stift die op het uiteinde van de kabel gestoken is, in de stekker kunt schuiven, en draai daarna de schroef weer vast. Afb. 10a: bevestigen van de zonnemodule (zie pagina 15 Duitse handleiding) Afb. 10b: de zonnemodule zit op de auto (zie pagina 15 Duitse handleiding) Afb. 11: schakelschema van je zonneauto (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Tenslotte moet je de zonnemodule nog met de motor verbinden, en dan is de auto klaar. Daarvoor vind je aan de zijkanten van het chassis twee metalen plaatjes met gaten. Met deze stekkerstrips kun je de verbinding tot stand brengen, door de miniatuurstekkers in de gaatjes te steken. Afb. 11 laat het schakelschema zien van je zonneauto. Je hoeft niet te schrikken als de symbolen in het schema je onbekend zijn. Voor alle proeven vind je ook steeds een afbeelding, die je laat zien hoe je de schakeling in elkaar kunt zetten: Voor dit experiment zie je dat in afb. 12. In de loop van de tijd zal het je steeds beter lukken de schema’s te lezen en de schakelingen zonder hulp in elkaar te zetten. Steek de stekkers aan de uiteinden van de kabels in de getekende posities in de stekkerstrips van de auto. Zodra je de laatste stekker in de juiste positie er ingestoken hebt, zou de motor moeten

14

beginnen te lopen – maar natuurlijk alleen als je niet in het donker werkt! Eventueel moet je de auto een zetje geven of wat meer licht maken. Daarmee heb je jouw eerste zonneauto in elkaar gezet die rijdt, zodra er genoeg licht op het zonnepaneel valt. De zonneauto rijdt natuurlijk niet echt overtuigend. Je hebt zeer veel licht nodig om te zorgen dat de auto niet stilstaat, maar als hij rijdt, dan ook echt snel! Dat komt, omdat een zonnemodule niet echt optimaal ontworpen is om je motor direct aan te drijven. Hij levert namelijk een hoge spanning, die je in latere proeven voor de elektrolyse nodig hebt, maar slechts een kleine stroom. Jouw motor heeft echter juist veel stroom nodig om te draaien. In de tekening is,om te zien hoe de kabels lopen, het zonnepaneel er afgenomen Afb. 12: Opbouw van je zonneauto (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Een professionele zonneauto zie je in afb. 13. Deze heeft echter in tegenstelling tot jouw auto een kleine accu ingebouwd, waarin de stroom wordt opgeslagen die niet direct door de motor verbruikt kan worden. Deze zonneauto gebruikt zonnecellen, die ontwikkeld zijn op de universiteit in Sydney, Australië. Ze zijn om te maken heel erg duur en kosten samen een paar miljoen euro. De auto bereikte in 1996 tijdens de elke drie jaar in Australië plaatsvindende zonneauto- rally “World Solar Challenge” over een afstand van 3000 km een gemiddelde snelheid van 89,76 km/! In 2001 en 2003 werd de race gewonnen door Nederlandse teams, het laatst door het Nuon Solar Team met de Nuna II, en een gemiddelde snelheid van 97,02 km/uur! In de volgende proef zul je met een iets eenvoudiger variant van een zonneauto een paar proeven uitvoeren die je laten zien, wanneer de auto bijzonder goed rijdt; namelijk precies dan, wanneer er zo veel mogelijk helder licht op de zonnemodule valt! Afb. 13: De zonneauto “Dream” van de firma HONDA (zie pagina 16 Duitse handleiding)

P2 Hoe helderder hoe sneller! Voor deze proef heb je de zonneauto nodig, die je bij de vorige proef in elkaar gezet hebt. We willen nu onderzoeken, hoe licht uit verschillende lichtbronnen met verschillende helderheid de snelheid van de motor en daardoor van de auto verandert. Als het je stoort dat de auto daarbij steeds wegrijdt, kun je hem gewoon heel simpel met de aandrijfunit op een gummetje of iets anders leggen, zodat de vooras vrij kan draaien. Je kunt dan de snelheid van de motor “horen” maar ook aan het toerental van de vooras zien. Eerst hebben we voor deze proef lichtbronnen van verschillende helderheid nodig. Daarbij moeten we echter een kleinigheid bespreken, om misverstanden te voorkomen. Helderheid, intensiteit en energie van lichtbronnen Volgens je eigen begrip is het zeer zeker duidelijk wat helderheid betekent. Natuurkundig is het echter niet precies genoeg om over helderheid te praten. Andere begrippen die hier uitgelegd worden, moeten het begrip helderheid beter beschrijven. De flits van een fototoestel kan ons helderder voorkomen dan de zon, omdat de flits heel kort heel intensief oplicht. Maar de flits is maar van zeer korte duur (slechts een paar duizendsten van een seconde, en zelfs in deze korte tijd neemt de intensiteit al duidelijk af). De zon daarentegen schijnt de hele tijd met gelijkblijvende intensiteit. Als je een flitsapparaat hebt, kun je uitproberen wanneer de motor sneller loopt: bij zonlicht of met flitslicht. Het komt er voor onze proef dus niet alleen op

15

aan een zo groot mogelijke intensiteit te bereiken, maar deze intensiteit moet ook permanent aanwezig zijn. We noemen dit continue instraling. De intensiteit wordt gedefinieerd als vermogen (in Watt) per oppervlak (in vierkante meter), de eenheid voor de intensiteit is dus 1 W/m2. Het begrip vermogen wordt later nog precies uitgelegd. Men kan een hoge intensiteit bereiken door veel vermogen op een klein oppervlak te concentreren. Een brandglas (vergrootglas) doet precies dat: het licht, dat op het totale oppervlak van het brandglas valt, wordt in het brandpunt verzameld. Als het oppervlak van het brandglas 1 cm2 groot is (10 mm x 10 mm = 100 mm2), en het brandpunt ongeveer 1 mm2, dan is de intensiteit in het brandpunt 100 keer zo groot als op het oppervlak van het brandglas. ’s Zomers kan daarom een eenvoudig stuk gebogen glas een bosbrand tot gevolg hebben, als het verzamelde licht op een beetje gedroogd gras valt. Je kunt hoge intensiteiten echter alleen bereiken, als je veel vermogen in een zeer korte tijd afgeeft. Dat gebeurt bij een flitser. Daar worden onderdelen (condensatoren) elektrisch opgeladen en als jij op de knop drukt, worden deze onderdelen heel snel ontladen. Daarom heeft een flitser elke keer wat tijd nodig om op te laden tussen de aparte flitsen: hij moet het vermogen voor het uitstralen eerst “verzamelen”. De ingestraalde energie is het product van intensiteit (in W/m2) en de tijd (in seconden), d.w.z. het vermogen dat in één seconde op een oppervlak terechtkomt. De eenheid daarvoor is daarom dus de Wattseconde per vierkante meter (Ws/m2). Verschillende lichtbronnen zijn verschillend in eigenschappen: de fotoflits heeft een hoge intensiteit, duurt echter maar kort, en heeft daardoor ondanks de hoge intensiteit toch niet veel energie ingestraald. De zon is niet zo heel helder, maar schijnt permanent, en de ingestraalde energie is daarom groter. In een doorsnee jaar (zon, regen, dag en nacht, zomer en winter) wordt door de zon op elke vierkante meter in Nederland een energiehoeveelheid van ongeveer 780 kWh (kilowattuur, dat is 780 x 1.000 W x 3.600 sec = 2.808 miljoen Wattseconden) ingestraald. Ondanks deze vele onzekerheden bij de precieze definitie is het in het dagelijks leven toch heel gebruikelijk om van helderheid te spreken. Dat zullen wij daarom ook in dit boek doen. Je moet daarbij echter steeds in je achterhoofd houden, dat we daarmee een continue (over een langere periode aanhoudende) instraling bedoelen, zoals die b.v. geleverd wordt door je bureaulamp of door de zon. De lichtbronnen die je voor de volgende proef kunt gebruiken, zijn: • De zon (op een bewolkte dag of op een onbewolkte dag) • De zon (als je je in de schaduw bevindt) • Een bureaulamp Houd de zonnemodule met de voorkant naar de lichtbron. Als je de module een klein beetje kantelt (dus niet helemaal in de richting van de lichtbron laat “kijken”), kun je vaststellen dat de draaisnelheid van de motor verandert. In een bepaalde stand is de snelheid maximaal (namelijk precies als het licht loodrecht op de zonnecellen valt). Dit is getekend in afb. 14. Aan de hand van de afbeelding kunnen we dat ook heel eenvoudig snappen. Als je de zonnemodule kantelt, verander je de grootte van het oppervlak dat de lichtbron “ziet”. Omdat we echter gezegd hebben dat een lichtbron een energie per oppervlak levert, is het duidelijk dat we minder energie opvangen als we het oppervlak van de zonnemodule door kantelen schijnbaar verkleinen. Afb. 14: als het oppervlak van je zonnemodule verticaal op het licht gericht is, vang je meer licht op dan waneer de module gekanteld is


Als je met een bureaulamp werkt, kun je bovendien zien, dat de motor des te sneller draait naarmate je met de zonnemodule dichter bij de lamp komt. Dit is heel belangrijk voor sommige van de

16

volgende proeven. We kunnen dat op de volgende manier verklaren: De lichtstralen, die door een lichtbron uitgestraald worden, gaan in alle richtingen (kogelvormig) naar buiten. Ook de zon straalt haar licht kogelvormig naar buiten. De stralen, die na miljoenen kilometers op de aarde aankomen, zijn daarbij echter allemaal in praktisch dezelfde richting uitgestraald, anders hadden ze de aarde helemaal niet geraakt. Omdat de aarde dus zo ver van de zon afstaat en zo klein is (de verhouding tussen de grootte van de aarde en haar afstand tot de zon is erg klein), zijn de lichtstralen die van de zon op de aarde aankomen, praktisch parallel (afb. 15). Dat kun je herkennen aan het feit, dat je schaduw in het zonlicht niet groter is dan jezelf. Afb. 15: zonlicht is parallel

(zie pagina 18 Duitse handleiding) Afb. 16: het licht van een lamp is normaalgesproken niet parallel. De hoeveelheid licht, die op een vlak terechtkomt, is daarom afhankelijk van de afstand tot de lamp


Ook van kunstmatige lichtbronnen, zoals b.v. jouw bureaulamp, wordt het licht kogelvormig uitgestraald. Alleen is hier de verhouding tussen de grootte van het voorwerp en de afstand tot de lichtbron veel groter. De lichtstralen die je voeten verlichten, hebben bijvoorbeeld een andere richting dan de lichtstralen, die je gezicht raken. Het licht van een kunstmatige lichtbron is dus meestal niet parallel (in de natuurkunde zegt men: “Het licht/ de lichtbundel is divergent”). Dit zie je ook in afb. 16. Daarom maakt het ook een groot verschil, hoe ver je van de lichtbron verwijderd bent. Hoe dichter de lichtbron zich bij de zonnemodule bevindt, hoe groter is de schaduw ervan op de muur. Als de schaduw echter groter wordt, betekent dat, dat de zonnemodule meer licht opvangt, dat dan niet meer op de muur terechtkomt, maar op de zonnemodule. Als we de zonnemodule dichter bij de lichtbron brengen, vergroten we schijnbaar het oppervlak ervan. Als je later bij sommige proeven met kunstmatige lichtbronnen zoals een bureaulamp werkt, moet je er beslist op letten dat je tijdens een meetserie steeds dezelfde afstand tot de lichtbron aanhoudt. Alleen dan komt namelijk bij alle proeven uit die meetserie dezelfde “helderheid” op je zonnemodule. Afb. 17: als de lichtkegel van je lamp te klein is of je te dicht bij de lichtbron bent, wordt er maar een gedeelte van de zonnemodule verlicht.


En je kunt misschien nog een ander effect zien. Dat hangt van je bureaulamp af. De draaisnelheid van de motor neemt namelijk maar tot een bepaalde minimale afstand toe, daarna wordt de snelheid weer kleiner. Dit gebeurt precies, als de lichtkegel van je lamp niet meer voldoende is om het totale oppervlak van de zonnemodule te belichten. Als je dit effect niet met je bureaulamp kunt waarnemen, is dat verder niet zo erg. Je kunt het namelijk ook simuleren, dus kunstmatig produceren. Houd daarbij de zonnemodule in het licht en houd een voorwerp (bijvoorbeeld een vel papier) zo voor de lamp, dat de schaduw van het voorwerp op een deel van de zonnemodule valt. Als er zelfs maar een klein gedeelte van de zonnecel in de schaduw valt, vermindert de snelheid van de motor heel snel. Dit effect hangt samen met de eigenschappen van de zonnecellen en van de schakeling in de zonnemodule. Misschien heb je al wel eens van dioden gehoord. Dit zijn elektronische onderdelen, die de stroom alleen in één richting doorlaten, in de andere richting niet. Afhankelijk van hoe de diode in een stroomcircuit ingebouwd is, blokkeert de diode de stroom of laat de stroom door. Daartoe horen ook de lichtdioden, die bij een schakeling in de ene richting oplichten en de stroom laten passeren. Een zonnecel is, zoals je later zult zien, in principe niets anders dan een “omgekeerde lichtdiode”. Omdat hij echter “omgekeerd” loopt, betekent dat ook, dat in de richting waarin

17

de stroom vloeit, normaalgesproken geen stroom kan vloeien – dus alleen bij belichting. Als je dus een zonnecel in je zonnemodule afschaduwt, kan er geen of maar een heel klein beetje stroom vloeien. In professionele installaties lost men dit probleem op met zogenaamde “By-pass dioden”. Afschaduwing en bypass- dioden Om te voorkomen dat een zonnemodule, die uit vele zonnecellen bestaat, geen stroom levert, omdat er een blad op de module is gevallen of een schaduw van een boom sommige zonnecellen afschaduwt, werkt men met zogenoemde “bypasses”. Een dergelijke bypass bestaat uit een diode, die anti-parallel met één of meerdere in serie geschakelde zonnecellen werkt. De doorlaatrichting ervan wordt zo gekozen, dat bij normaal gebruik van de belichte zonnecellen de diode de stroom niet laat passeren. Als dan een van de zonnecellen afgeschaduwd wordt, kan de stroom in plaats van door de afgeschaduwde zonnecel geblokkeerd te worden, door de diode aan de blokkerende zonnecel voorbij vloeien. Als de zonnecellen daarentegen belicht worden, kan de stroom niet gewoon door de diode gelijk naar de andere pool van de zonnecel terugvloeien, omdat de diode in deze richting blokkeert en een kortsluiting voorkomt. Afb. 18: manier van functioneren van bypass- dioden. De bovenste zonnecel heeft een bypass, de onderste niet. Als de zonnecel met bypass afgeschaduwd wordt, vloeit er nog steeds stroom. Als de zonnecel zonder bypass afgeschaduwd wordt, vloeit er geen stroom. Dit gebeurt in een zonnemodule als die gedeeltelijk afgeschaduwd wordt.


Je hebt nu gezien, dat de motor het snelste draait, als je de zonnemodule zo optimaal mogelijk uitricht en deze zo veel mogelijk energie opvangt. In de volgende proef zul je een dergelijk experiment uitvoeren. We zullen dan echter niet de motor gebruiken om de opgevangen energie van onze zonnemodule te beoordelen, maar een digitale meter. P3 Meten van kortsluitstroom en nullastspanning In dit experiment zul je nu een digitaal meetapparaat gebruiken, om precies te meten welke invloed de verschillende lichtbronnen uit de voorgaande proef op je zonnemodule hebben. Daarvoor zullen we twee nieuwe begrippen gebruiken, die vaak gebruikt worden in de photo- voltaïk: kortsluitstroom en nullastspanning. Je hebt voor dit experiment de digitale multimeter, de zonnemodule en de auto nodig. Op de auto bevinden zich de contactrails voor het samensteken van de schakeling. Als je nog niet met de multimeter hebt gewerkt, vind je een handleiding in dit boek. Daar kun je steeds weer nakijken, hoe je de multimeter moet gebruiken. Bovendien vind je daar veiligheidsaanwijzingen voor het omgaan met de meter. Die moet je in ieder geval lezen, zodat je niet gewond raakt en lang plezier hebt van je multimeter! Voor we met de eigenlijke proef beginnen, moeten we eerst nog drie andere begrippen uitleggen: lading, stroom en spanning. Maar ook als je deze begrippen al kent, moet je dat stukje toch beslist lezen: misschien kun je er nog iets bijleren. Lading, stroom, spanning Er wordt vaak gezegd: “er vloeit stroom”. Dit drukt uit dat zich – net als bij stromend water – iets beweegt. Blij het stromende water bewegen er kleine deeltjes, de watermoleculen. Ook bij stroom bewegen zich kleine deeltjes; de elektronen. Deze elektronen zijn deeltjes, die een elektrische lading hebben. De eenheid van de lading is de Coulomb (uitspraak “Koelomb”), afgekort met de letter C. Dit symbool is genoemd naar de Franse natuurkundige en technisch officier Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806).

18

De lading is bij alle elektronen even groot en negatief, elektronen zijn dus negatief geladen. Als een elektron van de ene kant van een draad naar de andere kant stroomt, dan is door de draad de lading van één elektron gevloeid. Als er meer elektronen door de draad vloeien, dan is er dus een grotere lading doorheen gevloeid. Hoe meer ladingen er in een bepaalde tijd er door de draad vloeien, hoe groter is de stroom door de draad. Stroom is dus de lading, die per seconde door een draad vloeit. De eenheid van stroom is Coulomb per seconde, oftewel 1 C/s. Dit noemen we 1 Ampère, genoemd naar de Franse wis- en natuurkundige André-Marie Ampère (1775 – 1836) en afgekort met de letter A. De eenheid van stroom is dus 1 A, en 1 A = 1 C/s. De stroom vloeit in een draad maar niet gewoon zo maar, net als water niet zonder vloeit. Water vloeit meestal, als het “bergaf” gaat. Ook elektronen vloeien alleen maar, als het in een richting voor hun “bergaf” gaat. Een maat voor de “hoogte” die de elektronen zien, is daarbij de spanning. Hoe groter de spanning tussen twee punten is, des te sneller en des te meer elektronen vloeien er van het ene punt naar het andere. De elektronen met hun negatieve lading vloeien daarbij van negatief geladen punten weg naar positief geladen punten. De maat voor spanning is Volt (afgekort V), die is genoemd naar de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta (1745 – 1827). Afb. 19: Schema voor het meten van kortsluitstroom en nullastspanning. Omdat in dit geval de weerstand (vergelijk pag. 11 en 12) nul is, bestaat er geen verschil tussen stroom- en spanningsmeting.


Nu moet je de schakeling opbouwen, waarmee je jouw metingen kunt uitvoeren. In afb. 19 zie je het schema, en in afb. 20 kun je zien hoe je de onderdelen met elkaar moet verbinden. De afbeeldingen zien er bijna net zo uit als die bij proef 1. Alleen werden er in plaats van de motoraansluitingen de busaansluitingen in de stekkerstrips gestoken. In de bussen komen de aansluitingen van de meter. Valt je op dat de meter in de afbeelding er nog niet is ingestoken? Dat hebben we met opzet gedaan. Kun je je nog alles herinneren waar je op moet letten als je met de meter werkt? Je ziet in afb. 21 een tekening van de meter, waarop je kunt zien hoe je meter ingesteld moet zijn en welke aansluitingen je moet gebruiken: de zwarte kabel in de COM- bus, de rode in de 10 A- bus en de draairegelaar ingesteld op 10 A. In de tekening is voor de herkenning de zonnemodule losgekoppeld Afb. 20: Opbouw voor het meten van kortsluitstroom en nullastspanning


Afb. 21: Instelling van de multimeter voor stroommeting


Stel eerst alles juist in, voor je de meetpunten in de bus van het autochassis steekt, zoals je kunt zien in afb. 22! Dit geldt altijd, als je de instellingen op de meter verandert: eerst meetpunten er uithalen, dan instellen, en pas daarna de meetpunten er opnieuw instoppen. Ook als we het niet elke keer opnieuw zeggen! Als je alles goed gedaan hebt, geeft de meter nu een meetwaarde aan. Deze meetwaarde is een stroom, want je hebt de meter zo ingesteld, dat hij als stroommeter werkt. De stroom die je meet als er in het stroomcircuit van de zonnemodule geen verbruiker (weerstand) is ingebouwd, noemt men de kortsluitstroom. Deze wordt zo genoemd, omdat de polen van de zonnecellen “kortgesloten zijn”, d.w.z. ze zijn direct meet elkaar verbonden, zonder dat er een verbruiker tussengeschakeld is (je meter tellen we deze keer niet mee). Omdat in dit geval de stroom geen weerstand voelt, vloeien de ladingen zo snel, dat de spanning tussen de beide polen van de zonnemodule volledig “in elkaar klapt” (alle elektronen vloeien zo snel mogelijk naar de andere kant), d.w.z. de spanning is gelijk aan nul. In het 220V- stroomnet bij jou thuis is kortsluiting een onaangename zaak: omdat daar een veel grotere stroom praktisch onbegrensd zou kunnen vloeien, moeten de

19

leidingen door een zekering beschermd zijn, die er een te hoge stroom de leiding onderbreekt. Dan wordt het donker bij jou thuis. Dat gebeurt bijvoorbeeld, als je ouders bij het boren niet oppassen en een stroomleiding beschadigen: de punt van de boormachine sluit de beide draden van de stroomleiding kort, en de zekering springt er uit. Bij onze zonnemodule is het niet erg om hem “kortgesloten” te gebruiken, omdat de module maar een beperkte maximale stroom kan leveren: de kortsluitstroom dus. Afb. 22: Inschuiven van de meetpunten in de bussen op de auto


Schakel andere stroombronnen dan jouw zonnemodule nooit kort! De daarbij vloeiende stromen zouden ernstige schade kunnen aanrichten! Meet nu de kortsluitstroom van de zonnemodule bij belichting met verschillende lichtbronnen, die je al in het vorige experiment hebt gebruikt en noteer de waarden in de tabel in afb. 23. Als de kortsluitstroom kleiner is dan 0,2 A, kun je ook het meetbereik tot 200 mA gebruiken, om preciezer te meten. Daartoe moet je de rode meetpunt aansluiten op de VΩA- bus en de draaischakelaar één klik tegen de wijzers van de klok in op 200 mA zetten (eerst de meetpunten er uithalen!). Wat verwacht je, hoe de kortsluitstroom verandert? Zoals je vast wel verwacht had, levert de zonnemodule een des te hogere stroom naarmate de lichtbron “helderder” is, hoe dichter de module zich bij de lichtbron bevindt en hoe groter het naar de lichtbron toegekeerde oppervlak is. Lichtbron Zon, bewolkt

Kortsluitstroom (mA)

Nullastspanning (V)

Zon, wolkenloos Bureaulamp

Afb. 23: meetwaarden voor verschillende lichtbronnen Afstand (cm)

Kortsluitstroom mA

Nullastspanning (V)

5 10 15 20 25 30 35

Afb. 24: meetwaarden voor verschillende afstanden Afb. 25: instelling van de multimeter voor spanningsmeting


20

We willen nog eens preciezer kijken naar de afhankelijkheid van de afstand. Meet daarvoor de kortsluitstroom afhankelijk van de afstand van de zonnemodule tot de bureaulamp. Je hoeft de afstand daarvoor helemaal niet heel precies te meten, als je die ongeveer kent (op ongeveer 2 cm nauwkeurig). Daarbij moet je er op letten, dat je de zonnemodule zo houdt, dat het naar de lichtbron toegekeerde oppervlak maximaal, dus niet gekanteld is. Kantel daarom de zonnemodule bij elke afstand een beetje, om de positie te vinden waarin je de maximale kortsluitstroom meet! Noteer de gemeten kortsluitstromen bij verschillende afstanden in de tabel in afb. 24. Meet ook het effect van de “gedeeltelijke afschaduwing” van je module. Je kunt zien, dat de stroom daadwerkelijk sterk minder wordt, als je een enkele zonnecel afschaduwt. Als je met een stuk karton verschillende cellen tegelijk afschaduwt, kun je ook zien, dat de werking een beetje verschillend is. Dat komt, doordat niet alle lichtcellen even “goed” zijn, d.w.z. ze leveren een beetje verschillende spanningen en stromen. Als volgende willen we de nullastspanning van de zonnemodule meten. Dit is de spanning tussen de beide polen van de zonnemodule, als er geen ladingen kunnen vloeien, omdat de polen niet met elkaar verbonden zijn. Daartoe moet je de schakeling zo ombouwen, dat er een spanning gemeten wordt. Bij onze schakeling is dat heel eenvoudig, want we hebben alleen de zonnemodule en de multimeter. De schakeling daarvan kunnen we niet veranderen. Dus moet je de meter zo inrichten, dat je nu een spanning kunt meten. Daartoe moet je, zoals je in afb. 25 ziet, de rode kabel aansluiten op de middelste bus op de meter en de meter omschakelen naar spanningsmeting (bereik 20 V, voor het geval de spanning kleiner is dan 2 V kun je ook het bereik tot 2 V gebruiken). Meet nu de nullastspanning van je zonnemodule, als je die met verschillende lichtbronnen belicht en noteer de meetwaarden in tabel 23. Bovendien kun je ook een keer de spanning meten, als je een van de zonnecellen gedeeltelijk of geheel afdekt. Meet ook de nullastspanning afhankelijk van de afstand van de zonnemodule tot je bureaulamp en noteer de waarden in tabel 24. Daarbij moet je op nog iets letten: vlak bij de bureaulamp (ongeveer een afstand van minder dan 15 cm) is het zeer heet. Als je de zonnemodule te lang vlak bij de lamp houdt, zul je zien dat de nullastspanning een beetje lager wordt. Dit effect hangt samen met de natuurkundige eigenschappen van het halfgeleidermateriaal, waarvan de zonnecellen in je module zijn gemaakt. Doe de metingen daarom een beetje snel, en geef de zonnecellen een beetje tijd om af te koelen. Maar wees niet bang: de zonnecellen gaan van deze temperaturen niet kapot! De kunstharslaag die er overheen zit kan eerder beschadigen! Noteer nu de meetwaarden voor de afstandsafhankelijkheid in tabel 26. In afb. 26a hebben we de theoretische curve en onze eigen meetwaarden. Had je verwacht dat de afhankelijkheid van nullastspanning en stroom ten opzichte van de afstand zo sterk zou verschillen? We willen proberen dit uit te leggen. Je hebt in het stukje tekst over lading, spanning en stroom een stukje terug gelezen, dat de spanning een maat is voor het “hoogteverschil” voor de elektronen tussen twee punten. Dit hoogteverschil is hoofdzakelijk afhankelijk van het materiaal van de zonnecellen. We kunnen dit echter alleen maar bewijzen als de zonnecel belicht wordt. Daarvoor zouden in geval van nood (met de juiste meter) al een paar elektronen genoeg zijn, d.w.z. de zonnemodule hoeft niet zo sterk verlicht te worden. Dus is de spanning slechts zeer zwak afhankelijk van de helderheid. De stroom daarentegen is het aantal vloeiende ladingen per seconde: als we een hogere stroom meten, betekent dit dat er meer elektronen vloeien. Blijkbaar is het aantal elektronen dat we in de halgeleider produceren, afhankelijk van de helderheid! Dit zal duidelijk worden, als we ons verderop in dit boek bezighouden met de manier van functioneren van de zonnecellen. En ook het effect van de afschaduwing op de spanning willen we even kort uitleggen (de invloed op de stroom hebben we al uitgelegd). De spanning buiten op de complete zonnemodule wordt bij een gedeeltelijke afschaduwing ook een beetje lager. Als we buiten op de module meten, valt er namelijk al een gedeelte van de spanning binnenin de module op de niet belichte zonnecellen af,

21

die met onze belichte zonnecellen in serie geschakeld zijn. Hoeveel spanning er afvalt, hangt er vooral vanaf, hoeveel zonnecellen er onbelicht zijn. Wordt er daarentegen één aparte zonnecel gedeeltelijk afgeschaduwd, dan zal de spanning nauwelijks veranderen. Afb. 26A: Onze meetcurve. Let er beslist op, dat de afbeelding twee verticale assen bezit. De rode curve is de kortsluitstroom, de waarden staan op de linker as. De groene curve is de nullastspanning, de waarden hiervoor staan op de rechter as.


Afb. 26B: Hier is plaats voor jouw meetcurve


P4 Kalibreren van een stralingsmeter Je hebt in de vorige proeven gezien, dat de stroom en de spanning van je zonnemodule afhankelijk zijn van de belichting. De zonnemodule reageert dus op verschillende helderheid, door verschillende stromen en spanningen te leveren. In deze proef laten we je zien, hoe je dit feit kunt benutten, om je zonnemodule met de multimeter als meetapparaat te gebruiken voor het meten van de helderheid. Dat betekent, dat we met behulp van bekende lichtbronnen een schaalverdeling maken, waarmee we de meetwaarden van de meter kunnen “terugvertalen” in “helderheid”. Eerst moeten we eens overleggen, welke van de beide meetgrootheden we willen gebruiken: kortsluitstroom of nullastspanning. Je kent het antwoord vast al wel: de kortsluitstroom, omdat die duidelijker verandert als de helderheid verandert. Dus kunnen we ook in de andere richting denken: als de kortsluitstroom duidelijk verandert, moet ook de helderheid veranderd zijn. Als je voor de volgende meting de nullastspanning zou gebruiken, dan zou het volgende gebeuren: de helderheid verandert, maar je merkt het nauwelijks, omdat de nullastspanning nauwelijks veranderd is. En dat zou natuurlijk slecht zijn voor de meting! Als volgende moeten we bedenken, waar we de “bekende helderheid” vandaan halen, die we nodig hebben. We gebruiken daarvoor heet zonlicht op een onbewolkte (zomer-)dag en de instraling van een 60 W lamp die beslist wel ergens in huis is te vinden. Dit zijn namelijk instralingen, die vaak door veel mensen zijn gemeten en waarvan de desbetreffende helderheid bekend is. Vervolgens moet je in de zon naar buiten gaan. Houd de module naar de zon en kantel hem weer zo, dat de kortsluitstroom maximaal is. In dit geval is de op de module vallende straling ongeveer 1000 W/m2 in de zomer resp. ongeveer 800 W/m2 in de winter, als er geen wolk aan de hemel is die de zon verdekt. Dit is niet helemaal exact, maar voor onze doeleinden voldoende. Lees nu de kortsluitstroom af op het display van de digitale multimeter en schrijf de waarde op. We hebben nu een bekend punt gevonden. Als je precies deze kortsluitstroom meet, dan weet je van nu af aan dat de instraling ongeveer 1000 (800) m2 bedraagt. Als je bij een andere lichtbron een andere kortsluitstroom meet, dan weet je vanaf nu, dat die lichtbron helderder of donkerder is dan de zon. Dat is natuurlijk voor ons nog niet voldoende. We hebben nog een tweede punt nodig. Dit tweede punt krijgen we met een gloeilamp van 60 W (geen zaklantaarn, geen halogeenlamp, maar een simpele gloeilamp). Op 10 cm afstand tot de gloeilamp bedraagt de instraling ca. 300 m2. Houd dus de zonnemodule op ca. 10 cm afstand van zo’n lamp, kantel hem zo dat de kortsluitstroom weer maximaal is (let op de juiste afstand!). Lees ook deze waarde voor de kortsluitstroom af en noteer hem. Je kunt dit meetpunt echter alleen maar gebruiken, als je een lamp hebt, die op een afstand van 10 cm het totale oppervlak van de module belicht! Anders zou je vanwege de gedeeltelijke afschaduwing een enorm grote fout maken! We hebben nog een derde punt, zelfs zonder een meting te doen: als er geen licht op de module valt, is de kortsluitstroom gelijk aan nul. Ook deze waarde kunnen we vanzelfsprekend gebruiken.

22

Afb. 27: Een stralingsmeter. Bij belichting met zonlicht ken je nu de belichtingssterkte. Maar je bent nog niet klaar met de kalibrering, want bij kunstlicht weet je stralingsmeter het niet meer!


Je hebt nu drie meetwaarden voor de drie helderheden: 0 W/m2 , 300 W/m2 en 1000 W/m2. Teken, zoals in afb. 28a te zien is, jouw drie meetwaarden in afb. 28b. Markeer de drie punten elk met een kruisje, neem een liniaal en verbind alle drie punten, waarbij je rechts een beetje verder gaat boven de laatste waarde. De waarde van 0 W/m2 moet precies op de rechte lijn liggen, de beide andere punten zo dicht mogelijk er tegenaan (afb. 28a). Deze rechte lijn is jouw kalibreerrechte. Als je nu een kortsluitstroom meet, kun je uit de kalibreercurve aflezen, hoe groot de intensiteit van de lichtbron is: zoek de meetstroomwaarde op de horizontale as, ga vanaf deze positie recht naar boven tot je de rechte lijn bereikt, en vandaar ga je horizontaal naar links, tot je de verticale as bereikt. De waarde die je daar op de schaalverdeling aantreft, is de helderheid van jouw lichtbron. Natuurlijk kun je dit ook berekenen. Dan heb je in plaats van de kalibreercurve een rekenmachine nodig, om de helderheid te bepalen. Daartoe moet je als volgt handelen (de groottes zijn in afb. 28a ingetekend): zoek twee (willekeurige) punten uit op de rechte lijn (b.v. waar de rechte lijn precies door een roosterpunt gaat) en bepaal de afstand tussen de beide meetpunten in verticale en horizontale richting (dy en dx). Deel dy door dx. Deze waarde noemen we de stijging van de rechte: Hiermee kun je nu alles berekenen: de helderheid van een lichtbron is namelijk exact helderheid = gemeten stroom . stijging van de rechte = gemeten stroom . 1,87 W/mAm2 Dit is de vergelijking die de kalibreerrechte beschrijft, die in oranje in onze grafiek ingetekend is. Als we nu een stroom van 330 mA meten, dan weten we daarna, dat de helderheid ongeveer 617 W/m2 bedraagt: Helderheid = 330 mA . 1,87 W/mAm2 = 617 W/m2 Voor nu jouw eigen waarden in: Stijging = ……….. W/m2 / ………. MA = ……….. W/mAm2 Om uit de kortsluitstroom de helderheid te bepalen, hoef je dus alleen de stroom te vermenigvuldigen met de stijging van de rechte. Je hoeft de berekening op deze plaats nog niet begrepen te hebben, want gelukkig zit je hier niet op school .…en experimenten die je in je vrije tijd doet, zouden in ieder geval leuk moeten zijn! Afb. 28a: onze kalibreercurve. De punten zijn drie gemeten bekende belichtingen, de oranje lijn is de kalibreerrechte


Afb. 28b: hier is plaats voor jouw kalibreercurve


23

P5 Directe en diffuse straling In je kamer is het ook licht, als de zon niet direct naar binnen schijnt. Buiten is het bij een bewolkte hemel of als de zon net ondergaat ook niet direct donker, en ook in de schaduw kun je een boek lezen. Dat dit zo is, komt omdat er naast de straling die direct door de zon uitgezonden wordt, ook indirecte straling bestaat. Als je naar de lucht omhoogkijkt, zul je vaststellen dat de lucht ook helder is daar waar de zon niet is. Dat komt, omdat in de atmosfeer, dus de gaslagen rondom de aarde, de straling van de zon verstrooid wordt. Deze verstrooide straling zorgt ervoor, dat de gehele lucht helder is. Dit wordt diffuse straling genoemd. Het bijzondere verstrooiingsmechanisme in de atmosfeer heet overigens “Rayleigh – verstrooiing” en deze is er ook voor verantwoordelijk dat de lucht er blauw uitziet. Afb. 29: zonnestralen bestaan uit een direct en een diffuus gedeelte


Als je overdag naar buiten gaat, zul je meestal de beide stralingssoorten (directe straling en diffuse straling) kunnen zien. Dat wordt dan aangeduid als globale straling. De diffuse en de directe straling willen we in dit experiment onderzoeken met de stralingsmeter, die je in het vorige experiment gekalibreerd hebt. Daartoe moeten we een manier vinden om alleen één van beide stralingssoorten te meten, dus steeds de andere straling “uit te filteren”. Laten we eerst beginnen met het meten van de diffuse straling. Je kunt de directe straling heel simpel uitfilteren door de zonnemodule een beetje af te schaduwen. Houd daarbij de zonnemodule zo naar boven, dat het een zo groot mogelijk gedeelte van de lucht ziet. Hou nu je hand of een vel papier zo, dat de schaduw op de zonnemodule valt. Let er op, dat je het “afschaduw- apparaat” zo ver mogelijk van de zonnemodule verwijderd houdt, zodat je zo mogelijk geen diffuse straling afschermt (afb. 30). Als je nu je hand resp. het blad weer verwijdert, zodat opnieuw ook de directe straling op de module valt, zal de gemeten stroom weer groter worden, want nu meet je weer de totale (globale) straling. Afb. 30: afscherming van de directe straling


Nu moeten we een manier vinden om de diffuse straling uit te filteren. Neem daarvoor een groot blad papier (b.v. een stuk van een krant) en rol het op, zodat er een buis ontstaat. De diameter van de buis moet groot genoeg zijn om je module tegen diffuse straling te beschermen. Fixeer de buis b.v. met wat plakband. Houd de buis nu zo, dat het zonlicht nu in de lengterichting door de buis kan schijnen. Neem nu de zonnemodule en houd hem zo dicht mogelijk onder de buis (afbeelding 31). Nu meet je de directe straling. Je kunt zien, dat de samenstelling van de globale straling uit diffuse en directe straling verandert. Op een verregende herfstdag zul je bijna geen directe straling kunnen meten. Op een ideale zonnige dag zonder wolken daarentegen bedraagt het aandeel van de directe straling in de globale straling ongeveer 80%. Maar na zonsondergang gaat het aandeel van de directe straling weer heel snel naar nul. Normaal gesproken is men er niet in geïnteresseerd één van de beide soorten straling er uit te filteren. In plaats daarvan zou men het liefst zoveel mogelijk directe straling op de zonnecellen laten vallen, omdat die dan meer stroom produceren. Maar er zijn ook een paar uitzonderingen. Als bijvoorbeeld op een bepaalde plek het grootste deel van het jaar één van beide stralingssoorten overheerst, kan het interessant zijn het benutten van deze ene straling te vergroten, ook als dat er toe leidt dat de andere straling minder benut wordt.

24

Voor we met het volgende experiment beginnen, willen we nog een andere meting uitvoeren. Houd daartoe de zonnemodule loodrecht naar beneden naar de grond. Verrast het je, dat je nu ook wat meet? De instraling “van onderen”, die nu de stroom produceert, is de straling die door de grond gereflecteerd wordt. Deze straling is afhankelijk van de eigenschappen van het oppervlak waar je je op dit moment bevindt. Men noemt deze eigenschap “Albedo”. Het witte zand op het strand heeft een hogere Albedo dan een groen weiland of zwart asfalt. En (als het net winter is) zul je vaststellen, dat sneeuw een zeer hoge Albedo bezit: dit is de reden waarom skiërs op zonnige winterdagen sneeuwbrillen (d.w.z. zeer sterk getinte zonnebrillen) dragen. In principe zou je ook deze straling kunnen gebruiken om stroom op te wekken. Deze straling komt echter uit een andere richting dan de globale straling en is duidelijk zwakker. Er zijn echter ook zonnecellen, die aan beide kanten lichtgevoelig zijn. Men noemt deze zonnecellen bifaciale (tweezijdige) zonnecellen. Ze kunnen op korte afstand van bijvoorbeeld witte muren gemonteerd worden en bieden een wat hogere stroomopbrengst dan zonnecellen, die maar aan één kant lichtgevoelig zijn. Afb. 31: afscherming van de diffuse straling. Hoe dichter je de zonnemodule naar de opening van de buis brengt, des te beter wordt de diffuse straling afgeschermd.


Afb. 32: Meten van de Albedo- straling, die Door de ondergrond gereflecteerd wordt.


P6 Dagelijkse gang van de zonnestraling De zon gaat ’s morgens op in het Oosten (dat de zon niet echt opgaat, maar dat de aarde zich naar het Oosten onder de zon wegdraait, weet je al). Overdag draait de zon in zuidelijke richting en stijgt daarbij steeds hoger. ’s Middags om 12 uur staat de zon precies in het zuiden en heeft haar hoogste punt bereikt. Daarna gaat het verder in westelijke richting en naar beneden naar de horizon, waar de zon dan ’s avonds ondergaat. In de loop van de dag wisselt de zon dus haar positie, en als gevolg daarvan verandert ook de instraling van de zon: ’s morgens bij zonsopgang heeft de zon niet “dezelfde kracht” als ’s middags, en ’s avonds is de straling weer zwakker. Het ingestraalde energievermogen is er dus van afhankelijk, hoe de zon op dat moment staat. Je moet daarbij op één ding letten: Als de volgende meting bij jou wordt uitgevoerd of 1200 km verder naar het Oosten of naar het Westen, dan wordt daar een soortgelijke curve gemeten, echter op een ander tijdstip. De instraling van de zon verandert dus niet, maar alleen het op een bepaald oppervlak ingestraalde vermogen, omdat dit oppervlak de uitrichting naar de zon in de loop van de dag verandert. Dit kunnen we met de stralingsmeter, die je in experiment 4 gekalibreerd hebt, begrijpen. Je kunt dit experiment het beste uitvoeren in een weekend of in de vakantie: het is het langste experiment in dit boek. Je moet namelijk minimaal één keer per uur een meetwaarde registreren, en dat een hele dag lang! Bovendien is het belangrijk, dat je deze meting in de openlucht uitvoert. Datum:

weer: Loodrechte inval (bijgestuurd)

Tijd

Globaal

direct

diffuus

(zie tabel op pagina 28 Duitse handleiding)

zuidelijke verticaal globaal

direct

diffuus

25

Je kunt het beste de tabel gebruiken, om jouw meetwaarden op te schrijven. Als je naar de tabel kijkt, dan weet je ook meteen, wat je moet doen: elk uur moet je de module in de zon houden en zo uitrichten, dat je een maximale stroom meet (afbeelding 33). Deze stroommeetwaarde moet je samen met de tijd in de tabel noteren. Naast de stroomwaarde noteer je de helderheid. Hoe je die uit de stroom berekent, weet je uit experiment 4. De helderheid en de stroommeetwaarden noteer je in een roostergrafiek. In dit geval heb je de globale zonnestraling bij loodrecht invallen op de zonnemodule gemeten. Als je het leuk vindt, kun je deze globale zonnestraling ook omgerekend naar directe en diffuse straling meten (zoals dat in het laatste experiment beschreven werd) en eveneens opschrijven en in een grafiek tekenen. Bij deze metingen heb je de zonnecellen steeds zo uitgericht, dat ze, ongeacht het moment van de dag, een maximale kortsluitstroom leveren. Dat noemen zoiets als “Bijsturen van de zonnemodule”. In het algemeen is het nogal omslachtig, als je zonnemodules naar de zon toe zou willen bijsturen. Als je ouders een zonnemodule op het dak willen monteren, kunnen ze ook niet de hele dag het hele huis draaien alleen om de zonnecellen meer stroom te laten produceren! En een constructie met motor, die op het dak gebouwd is en alleen de zonnemodule laat draaien, is ook niet erg makkelijk om te bouwen. Afb. 33: Bijstellen van de zonnemodule. Op elk moment is het oppervlak van de zonnemodule verticaal uitgericht ten opzichte van het licht (vergelijk afb. 14).


Afb. 34: Instraling op de zuidverticaal. Vergelijk de afbeeldingen ook met afbeelding 14.


Je kunt ook de instraling van de zon op de zogenaamde zuidverticaal meten. Deze krijg je, als je de zonnemodule verticaal opstelt en naar het zuiden uitricht. Hoe je dat heel simpel kunt doen, zie je in afb. 34. Eventueel moet je een gummetje onder de zonemodule leggen, zodat de module precies verticaal staat. Het zuiden kun je vinden door een kompas te gebruiken of een keer om 12 uur (zomertijd 13 uur) naar buiten te kijken en precies te onthouden waar de zon staat. Je kunt de positie van de auto het beste markeren, door met tape een markering op de vloer te maken. Daarna kun je na iedere meting van de straling bij loodrecht invallen je auto op dezelfde plaats zetten en de globale straling op de zuidverticaal meten – of als je wilt, ook hier omgerekend naar directe of diffuse straling. Je kunt dus elk uur zes metingen uitvoeren: globale, diffuse en directe straling bij loodrechte inval (door je zonnemodule zo uit te richten dat je een maximale kortsluitstroom meet) en bij inval op de zuidverticaal. En als je er dan nog niet genoeg van hebt, kun je de metingen in verschillende jaargetijden en bij verschillende weersomstandigheden (volledig bewolkt, gedeeltelijk bewolkt of heldere hemel) uitvoeren. Dat is precies, wat er in vele meetstations op aarde elke dag gedaan wordt en de zo verkregen meetwaarden dienen onder andere voor de weersvoorspelling en voor onderzoek van het klimaat. Afb. 35: Instraling van de zon in verschillende jaargetijden en bij verschillend weer, alsmede de daaruit berekende ingestraalde intensiteit. Let op de verschillende schaalverdelingen van de verticale as! Bij een bewolkte hemel kun je zien, dat de globale straling gelijk is aan de diffuse straling, dus dat er geen directe straling aankomt (afbeeldingen rechts). De maximale instraling op de zuidverticaal is in de winter hoger dan in de zomer, de instraling op het horizontale vlak minder.


Afb. 36: Instraling op het horizontale vlak


26

In afbeelding 35 zie je de dagelijkse gang van de zonnestraling op verschillende dagen. De meetwaarden komen van het weerstation van het Instituut voor zonne-energie onderzoek Hameln/ Emmerthal. Daar werd eveneens de instraling op de zuidverticaal gemeten, en bovendien de instraling op een horizontaal vlak. Ook dit kun je overigens zelf meten door de module voor elke meting horizontaal op te stellen (afb. 36). Het beste kun je de auto ook hier weer met markeringen uitrichten, zodat de auto steeds precies naar het Zuiden wijst. Nu willen we eens uit een van de door jou getekende meetcurves berekenen, hoeveel energie er in totaal over de hele dag ingestraald is. Daartoe zullen we je de basisbegrippen van het integreren bijbrengen. Je zult zien, dat dit helemaal niet zo moeilijk is. Alles wat je nodig hebt, is een lineaal (of beter nog een geodriehoek) en een potlood en eventueel een rekenmachine. In afb. 37 zie je wat je precies moet doen. Teken steeds rechthoeken zo in de grafiek, dat de bovenste horizontale lijn steeds door het meetpunt gaat en de rechthoeken aan beide kanten precies in het midden tussen twee van jouw meetwaarden eindigen. Nu moet je het oppervlak van elke rechthoek berekenen. Daartoe verfmenigvuldig je voor elk meetpunt de gemeten instraling (dus je meetwaarde) met het tijdinterval (meestal een uur, dus 3600 seconden). Bij de volgende stap moet je nu de vlakken van al deze rechthoeken bij elkaar optellen. Het resultaat van deze berekening is het oppervlak onder de door jou gemeten curve. Omdat je bij elke rechthoek de ingestraalde capaciteit (eenheid W/m2) met de tijd (eenheid s) hebt vermenigvuldigd, is de uitkomst een getal met de eenheid Ws/m2, en zoals je op pagina 17 kunt nalezen, is dit een energie per oppervlak. Het is in jouw geval de totale op een dag ingestraalde energie. Je ziet vast wel, dat je het oppervlak onder de curve preciezer kunt bepalen, als je de breedte van de rechthoeken zo klein mogelijk maakt, dus zo veel mogelijk meetpunten opneemt. Voor onze doeleinden is echter onze meting op elk uur ruimschoots voldoende. Voorzichtig echter hier: het gaat bij de berekende energie niet om de door jou geproduceerde energie, maar om de ingestraalde energie. Alleen wanneer je een zonnemodule met een oppervlak van 1 m2 zou hebben en de energie volledig om zou kunnen vormen, zou je deze energie gewonnen hebben! Je kunt overigens uit de metingen exact bepalen, hoeveel energie je meer wint, als je een zonnemodule op de zon uitricht, in plaats van de module in de zuidrichting verticaal gemonteerd te laten. Daartoe trek je de geproduceerde energie voor de bijgestuurde en de vast gemonteerde meting van elkaar af! In de praktijk, is de gewonnen energie normaalgesproken iets minder, omdat men de module niet verticaal, maar bijvoorbeeld met de dakhelling op een dak monteert. Dit is met betrekking tot de lichtinval gunstiger, omdat de zon op onze breedtes nooit horizontaal in het zuiden staat, en we met de verticale montage dus nooit de maximale opbrengst bij loodrechte inval zouden bereiken. Voor de solaire gebouwentechniek heeft de meting van de instraling op de zogenaamde zuidverticaal echter een grote betekenis. Als je er eens aan denkt, dat de muren van je huis, die het grootste gedeelte van het huis uitmaken (afgezien van ramen en deuren) allemaal verticaal zijn: kun je bedenken, waarom? Afb. 37: het principe van integreren. De grijze vlakken tel je op. In het “vakje van 9 uur” kun je het verschil zien tussen dat wat je berekent (grijs) en het daadwerkelijke oppervlak (blauw)


HOE FUNCTIONEERT EEN ZONNECEL? Voor je je nu afvraagt waarom we hier voor de eerste keer het woord zonnecel in plaats van zonnemodule gebruiken, willen we deze beide begrippen precies onderscheiden. Een zonnecel is de kleinste eenheid die we bij het produceren van stroom uit licht tegenkomen. Een dergelijke zonnecel heeft een achterkant (meestal de pluspool) en een voorkant (de minpool, meestal met kleine metalen strips, de “contactvingers”). De huidige industrieel gemaakte zonnecellen hebben meestal een oppervlak van 10 x 10 cm2. Je kunt een dergelijke zonnecel vinden op pag. 71 verderop in dit boek. Alleen maar dergelijke zonnecellen op een dak van een huis leggen zou zeer lang duren.

27

Dus combineert men vele zonnecellen tot één zonnemodule. De technische gegevens (spanning, stroom, capaciteit, oppervlak enz.) van de zonnemodule hangen daarbij af van de soort en het aantal zonnecellen, en ook van hoe ze in een zonnemodule gecombineerd zijn. Bovendien worden in de zonnemodule de zonnecellen meestal door glas beschermd tegen weersinvloeden. Nadat we nu al zoveel experimenten met de zonnecel uitgevoerd hebben, willen we er nu eindelijk een keer op in gaan, hoe een zonnecel functioneert. Daarbij beginnen we helemaal bij het begin: bij het materiaal, waaruit jouw zonnecellen zijn opgebouwd. Atomen, atoomkernen, elektronen, kristallen en vaste lichamen Door de kennis van de natuurwetenschappers uit de afgelopen decennia en eeuwen weet men intussen zeker, dat alle stoffen uit kleine deeltjes bestaan, de atomen. Lange tijd bestonden er verschillende opvattingen over de opbouw van deze atomen. Aan het begin van de vorige eeuw werd door de Deense natuurkundige Niels Bohr een model opgesteld, dat ook tegenwoordig nog voor de verklaring van vele effecten gebruikt wordt, hoewel er intussen veel exactere – en daardoor ook meer gecompliceerde – modellen bestaan. In het model van Niels Bohr - het atoommodel van Bohr – bestaat een atoom uit een positieve lading, die in het midden van het atoom een heel klein plekje inneemt. Afb. 38: het atoommodel van Bohr

(zie pagina 32 Duitse handleiding) De diameter van deze atoomkern bedraagt ongeveer 0,000.000.000.000.001 m (dat is een miljoenste miljoenste mm!). Rondom deze kern bevinden zich de elektronen, die in vastgelegde omloopbanen om de kern “cirkelen” – net als planeten om de zon cirkelen. Deze omloopbanen hebben een doorsnede van 0,000.000.000.1 m, d.w.z. ze zijn 10.000 keer zo groot als de atoomkern, en toch maar 10 miljoenste millimeter groot (afb. 38 klopt dus niet echt). Het aantal elektronen in een atoom is even groot als het aantal van de positieve ladingen in de kern. Waterstofatomen hebben bijvoorbeeld één positieve lading in de kern en één elektron, zuurstofatomen hebben 8 positieve ladingen in de kern en 8 elektronen. Het atoommodel van Bohr kan vele eigenschappen van de atomen verklaren, maar heeft ook – vooral in de moderne (quanten)- natuurkunde – zijn grenzen gevonden. Het is nu eenmaal maar een eenvoudig model. Als atomen zich met elkaar verbinden, ontstaan daaruit verschillende stoffen met verschillende eigenschappen: twee waterstofatomen met een zuurstofatoom verbinden zich tot water, dat je in vaste toestand als ijs kent. Daarbij ordenen de watermoleculen zich bij het bevriezen van het vloeibare water tot een regelmatige kristalstructuur. Natriumatomen met chlooratomen geven een natriumchloride- kristal, dat je beter in fijngemalen toestand kent als tafelzout. Siliciumatomen kunnen zich echter ook met elkaar verbinden. Ze vormen dan eveneens een vaste stof met een bepaalde rangschikking van de siliciumatomen in het kristal. Op grond van deze regelmatige rangschikking kunnen in een paar van deze kristallen de elektronen, die eerst vast met een atoom waren verbonden, zich vrij bewegen. Over deze elektrische eigenschappen willen we als volgende spreken. Metaal, isolator, halfgeleider In de wetenschap verdeelt men vaste stoffen volgens hun elektrische eigenschappen in drie verschillende groepen: metalen (of ook wel elektrische geleiders) en isolatoren alsmede de tussen deze beide groepen liggende halfgeleiders. Metalen geleiden ook bij heel lage temperaturen elektrische stroom. Isolatoren geleiden nooit elektrische stroom, noch bij heel lage temperaturen noch bij grote hitte. De halfgeleider ligt daartussenin: bij grote koude gedraagt hij zich als een isolator, bij warmte of bij verlichting is hij in staat om te geleiden. Waaraan ligt nu het verschillende elektrische gedrag van de stoffen? Om stroom te kunnen geleiden moeten er bewegende elektronen aanwezig zijn. Als een vaste stof grote aantallen van zulke

28

beweeglijke elektronen bevat, geleidt deze stof de stroom. Als er geen bewegende elektronen aanwezig zijn, isoleert de stof. In de natuurkunde beschrijft men dit met een twee verdiepingenmodel, het zogenaamde “bandenmodel”. Daarbij neemt men aan, dar voor de elektronen binnen in de vaste stof meerdere verdiepingen (“banden”) ter beschikking staan, waarin ze zich op kunnen houden (zoals auto’s in een parkeergarage). Afb. 39: Twee-verdiepingenmodel voor metaal (boven), halfgeleiders (midden) en isolatoren (nietgeleiders) onder


De onderste verdiepingen zijn volledig bezet. Ergens verder naar boven beginnen er dan lege plaatsen vrij te komen, want iedereen wil zijn auto graag zo dicht mogelijk bij de ingang parkeren. Afhankelijk van op welke verdieping de laatste elektronen zich bevinden, of er op die verdieping vrije plaatsen zijn en hoe ver die verdiepingen uit elkaar liggen, geleidt de stof, is hij isolator of halfgeleider. Men noemt de bovenste, volledig bezette etage de valentieband en de onderste, niet volledig bezette etage de geleidingsband, omdat in deze band de elektronen zich vrij kunnen bewegen en de stroom kan worden getransporteerd. Dit kunnen we met de auto’s in de parkeergarage wat beter bekijken. Ons autobeeld ziet er in eerste instantie uit zoals afgebeeld in afbeelding 39. Bij metaal (geleider) staan vele auto’s in de onderste verdieping, waar geen plaatsen vrij zijn, maar er bevinden zich ook enkele (vele) auto’s in de etage erboven, waar veel vrije plaatsen zijn om zich te bewegen. Bij de halfgeleider staan ook auto’s in de onderste verdieping in de file, er bevinden zich echter geen auto’s in de vrije banen in de verdieping erboven. Opdat auto’s kunnen rijden, moeten deze door een hefmechanisme (een soort lift) naar de erboven gelegen etage getild worden, opdat ze daar kunnen rijden (afb. 40). Gelijktijdig kunnen in de file op de onderste etage alle auto’s achter de opening een plaats naar voren schuiven. De auto die op de vrije rijstrook kan rijden, komt overeen met een beweeglijk elektron in de halfgeleider. Ook de opening die in de file is ontstaan, kan zich door het opschuiven van de andere auto’s schijnbaar verplaatsen. We noemen deze opening een “gat” en dit gat heeft schijnbaar een positieve lading (een ontbrekende negatieve lading). Het mechanisme, dat de auto naar de bovenliggende etage getild heeft, heeft dus een beweeglijk elektron in de vrije etage en een bewegend gat in de bezette verdieping gecreëerd – een ladingdrager- paar. Dit mechanisme kan bijvoorbeeld door warmte(energie) of door licht (fotonen) aangedreven worden. Afb. 40: produceren van elektron- gat- paren in de halfgeleider


Ook bij de isolator staan de auto’s in de onderste rij in de file, en de bovenste etage is leeg. Er kunnen echter geen auto’s door een lift naar boven getransporteerd worden, omdat de volgende etage te ver weg ligt. De isolator kan dus geen stroom geleiden, omdat er geen beweeglijke elektronen bestaan, en de halfgeleider geleidt de stroom alleen maar, als beweeglijke ladingdragers door warmte of licht geproduceerd worden. Op grond van deze eigenschappen gebruikt men de halfgeleider in de elektronica en ook voor zonnecellen. De pnovergang In een zonnecel wordt licht omgevormd tot elektrische stroom. Wetenschappelijk zegt men: “De fotonen die de zonnecel raken, produceren in de zonnecel ladingdrager- paren, die door een pnovergang gescheiden worden”. Deze zin klinkt natuurlijk nogal ingewikkeld en onbegrijpelijk. Je zult echter zien, dat het allemaal eigenlijk heel eenvoudig te begrijpen valt.

29

Afb. 41: productie van de elektron- gat- paren in het bereik van een laadperron (momentopname)


Het eerste deel van de zin hebben we al uitgelegd: in ons autobeeld moeten we eerst auto’s uit de file naar de erboven gelegen vrije rijstroken tillen. Daarmee hebben we een ladingdrager- paar geproduceerd. Dit levert het licht (of beter; de energie). Hoe worden deze ladingdrager- paren gescheiden, en wat is een pnovergang? Afb. 42: Scheiden van de elektron- gat – paren door het laadperron


We hebben al gezegd, dat elektronen zich dan bewegen, wanneer het voor hun richting bergafwaarts gaat. Laten we ons eens voorstellen dat de beide verdiepingen in de parkeergarage boven elkaar lopen en dat ze allebei in het midden een laadperron hebben, zoals getekend in afb. 41. Dan rollen de auto’s op beide rijstroken naar links. Dat heeft als gevolg, dat de auto’s in de vrije bovenste rijstrook links en de gaten in de onderste rijstrook rechts aankomen (afb. 42). We hebben de elektronen en gaten dus “gescheiden”. Onze pnovergang moet dus een dergelijk laadperron maken. Hoe maken we echter een pnovergang, en wat is dat nou precies? Nou, daarvoor duiken we wat dieper in de “halfgeleiderij” – dus de theorie over de halfgeleiderkristallen. We kunnen namelijk een halfgeleider gericht manipuleren, door vreemde stoffen in het halfgeleiderkristal in te bouwen. De kristalstructuur van silicium en dotering Een siliciumatoom kan met vier van zijn veertien elektronen verbindingen met andere atomen opbouwen. In het siliciumkristal worden de siliciumatomen zo gerangschikt, dat elk atoom vier bindingen meet andere atomen bezit. Dat is ruimtelijk niet zo makkelijk weer te geven, vandaar dat je in afb. 43 een vereenvoudigde tweedimensionale weergave ziet. Afb. 43: tweedimensionale weergave van een siliciumkristal


Als er nu vreemde atomen in het siliciumkristal gebracht worden, die 3 of 5 elektronen beschikbaar stellen voor de binding, dan krijg je de in afb. 44 getoonde situatie. In de bovenste afbeelding is er fosfor in het kristal ingebouwd. Fosfor stelt 5 elektronen ter beschikking voor de binding. 4 daarvan worden in het kristal gebruikt. Het vijfde elektron blijft over. Het kan veel makkelijker naar de bovenste vrije rijstrook getild worden dan een van de “normale” elektronen van het silicium. We krijgen dan een beweeglijk elektron in de bovenste rijstrook, zonder dat we een gat in de onderste rijstrook gekregen hebben. In de onderste afbeelding werd daarentegen borium ingebouwd. Borium kan slechts drie elektronen voor de binding leveren, er blijft dus een plaats voor een vierde elektron leeg. In deze plaats kan heel gemakkelijk een van de elektronen van de omliggende siliciumelektronen springen en daar parkeren. Dan “ontbreekt” echter het elektron in de onderste rijstrook, zonder dat het in de bovenste rijstrook is aangekomen. We krijgen dus een beweeglijk gat, zonder een beweeglijk elektron te hebben. Men noemt deze vorm van de gerichte verontreiniging van een halfgeleider “dotering”. Als men met fosfor doteert, krijgt men in het kristal een verhoogd aantal beweeglijke elektronen. Men spreekt dan van n- dotering. Als er daarentegen borium in het siliciumkristal gebracht wordt, krijgen we meer zwervende gaten. Men noemt dat p- dotering. Kun je je nu al voorstellen wat een pnovergang is? Afb. 44: doteren van het siliciumkristal met fosfor (boven) en met borium (onder)


30

Afb. 45: gedoteerd siliciumkristal in het twee- verdiepingen- model. Links fosfor- dotering, rechts boriumdotering. In de bovenste rij de situatie bij lage temperaturen, in de onderste rij bij kamertemperatuur


Het feit, dat in de n- gedoteerde halfgeleider (fosfor) de elektronen makkelijker “opgetild” kunnen worden, wordt daarmee uitgedrukt, dat ze in ons twee- verdiepingen model dichter bij de bovenste rijstrook moeten liggen. De “ontbrekende” elektronen van heet borium- atoom kunnen daarentegen heel makkelijk een elektron vangen, ze liggen daarom vlak boven de onderste rijstrook. Dit hebben we nog eens in afb. 45 getekend. Als we nu de beide verschillende bereiken bij elkaar brengen, dan dwalen elektronen en gaten toevallig van de ene kant van het kristal naar de andere: elektronen van het n- bereik naar het pbereik en gaten in de andere richting. In het p- bereik vullen de elektronen de gaten op, en in het n- bereik slokken de gaten de elektronen op. Daarbij is echter nog iets gebeurd. Als een van de extra aangebrachte gaten in een borium- atoom (in het p- bereik dicht bij de grenslaag tot het nbereik) een elektron opslokt, dan bevindt zich daar een elektron meer dan voor die tijd, dat nu niet meer beweeglijk is! het borium- atoom daar heeft maar drie positieve ladingen, is echter door 4 elektronen omgeven. Op deze plek is het kristal nu negatief geladen! Iets dergelijks gebeurt aan de n- kant bij het fosforatoom: daar ontbreekt ineens het vijfde elektron, en het n- bereik vlak bij de grenslaag wordt positief geladen! Voor de elektronen gaat het dus opeens naar het n- bereik bergaf, waar ze nog maar net aangekomen zin, en voor de gaten gaat het in de richting van het pbereik bergaf. Het zou dus eigenlijk logisch zijn, als alles weer terug zou vloeien. Dat gebeurt ook werkelijk: terwijl er eerst alleen elektronen van n naar p en gaten van p naar n gevloeid zijn, vloeien er nu weer elektronen en gaten terug! Daardoor komt de stroom van elektronen en gaten van de ene naar de andere kant en terug schijnbaar tot stilstand. Praktisch betekent dit, dat er op elk moment evenveel ladingen van rechts naar links vloeien als van links naar rechts. Het aantal ladingen aan beide zijden verandert dus niet. Men noemt dit het evenwicht. We hadden toch al gezegd, dat elektronen graag “bergaf” vloeien, en ook gezegd, dat elektronen van negatief geladen punten naar positief geladen punten vloeien. Als je deze beide dingen combineert, krijg je het getekende laadperron: omdat een elektron liever van min naar plus vloeit, tekenen we het laadperron zoals afgebeeld. Het bereik van dit laadperron wordt ook aangeduid als ruimtelaadzone, omdat in dit bereik de halfgeleider elektrisch geladen is. Dit bereik is daadwerkelijk heel dun, in de gehele overige halfgeleider verlopen de banden recht, en ze bereiken de oppervlakte door toevallige beweging zonder laadperron. Maar alleen (en dat is belangrijk) een bepaalde kant; de linkerkant. Herinnert deze afbeelding je nog aan iets anders? Juist, de afbeelding die we in afb. 41 getekend hebben, zag er bijna net zo uit! Als er nu licht op de zonnecel valt, en er door dit licht elektronen in de geleidingsband, en gaten in de valentieband ontstaan, dan worden deze daadwerkelijk in het bereik van onze stijging ook ruimtelijk gescheiden! De elektronen glijden het laadperron af naar links, en de gaten in de onderste rijstroken glijden naar rechts het laadperron op (omdat de andere elektronen in de onderste rijstrook naar links naar beneden glijden). Afb. 46: als de beide verschillend gedoteerde bereiken samengevoegd worden, wordt het laadperron gevormd. De tijdsvolgorde als momentopname is van boven naar beneden aangegeven.


We moeten er dus vlijtig voor zorgen, dat in de pnovergang elektronen en gaten gescheiden kunnen worden. Deze trekken dan namelijk naar de rand van het kristal, en als we de linker- en de rechterkant van onze zonnecel via een geleidende draad verbinden, vloeien er elektronen van de linkerkant van de cel door de draad, om de (lagerliggende!) gaten rechts weer op te vullen. Door de draad gaat het namelijk ook bergaf, want het gat in de valentieband rechts ligt weer dieper dan het elektron in de geleidingsband links. Er vloeit dus een stroom, als licht in de cel vrije cellen produceert!

31

Afb. 47: schematekening van een zonnecel


Dit is vereenvoudigd de manier waarop een zonnecel functioneert. In afb. 47 kun je nogmaals samengevat het schema van een zonnecel zien. En verderop in het boek kun je nalezen, hoe een zonnecel gemaakt wordt. In werkelijkheid gedraagt de pnovergang bij belichting zich iets anders, maar voor ons doel is deze verklaring absoluut voldoende. We hopen dat je dit uitstapje naar de halfgeleider- natuurkunde leuk hebt gevonden! P7 Karakteristiek van een zonnecel Nadat je nu weet, hoe in een zonnecel stroom geproduceerd wordt, willen we nu een paar eigenschappen van een zonnecel leren kennen. Daartoe zullen we in dit experiment een zogenaamde stroom- spanningskarakteristiek opnemen. Dergelijke stroom- spanningskarakteristieken (of ook wel afgekort als IU- karakteristieken) zijn in de elektra en elektronica zeer belangrijk, omdat vele eigenschappen van een onderdeel uit de karakteristiek ervan afgelezen kunnen worden. In deze proef zullen we aan de hand van de IU- karakteristiek andere grootheden leren kennen, die voor de “photo-voltaïk” belangrijk zijn. Eerst willen we de karakteristiek maar eens “opnemen”, dus meten. Voor deze proef heb je weer de zonnemodule nodig. Bovendien hebben we een lichtbron (bijvoorbeeld je bureaulamp), de weerstanden uit het zakje met onderdelen, de meter en het autochassis nodig, om de schakeling op de contactplaten eenvoudig te maken. De weerstanden kun je, zoals je kunt zien in afbeelding 48, buigen en in de ministekkers steken. Voor de parallelschakeling kun je meerdere weerstanden in een miniatuurstekker schuiven en de meting zo opbouwen, zoals het “voor één weerstand” is weergegeven. Afb. 48: schematekening van een zonnecel


Als volgende willen we je uitleggen, waar het bij deze meting om gaat. Je weet vast nog wel uit de beschrijving van de meter, dat volgens de Wet van Ohm de waarden voor spanning, stroom en weerstand verband houden met elkaar. Bij een bepaalde spanning en een bepaalde weerstand vloeit er in een stroomcircuit een bepaalde stroom. Hoe kleiner de weerstand of hoe hoger de spanning, des te hoger de stroom. Voor de IU- karakteristiek interesseert het ons, welke stroom er bij een bepaalde spanning vloeit, want de gegevens van onze zonnemodule veranderen, afhankelijk van de weerstand in het stroomcircuit (de zogenaamde lastweerstand). We zullen hier dus de spanning en de stroom meten, die bij verschillende weerstanden in het stroomcircuit vloeit. Als we twee meters hadden, dan zouden we steeds voor één weerstand (waarvan de waarde ons helemaal niet interesseert!) stroom en spanning tegelijkertijd kunnen meten. We hebben echter maar één meter, dus moeten we anders handelen. Als we een (vaste) weerstand in een stroomcircuit inbouwen, vloeit er een bepaalde stroom, en is er een bepaalde spanning aanwezig. We zouden dus voor een paar weerstanden beide groottes na elkaar kunnen meten. Daartoe zouden we echter elke keer de schakeling helemaal om moeten bouwen, als we eerst in plaats van een stroom een spanning willen meten (je herinnert je nog wel: voor spanningsmetingen de meter parallel, voor stroommetingen in serie schakelen). In plaats daarvan meet je eerst de stroom voor alle verschillende weerstanden, en daarna met de omgebouwde schakeling de spanning voor dezelfde weerstanden bepalen. Omdat de meting van een stroom en de bijbehorende spanning dus qua tijd gescheiden plaatsvindt, moet je er beslist op letten dat de belichting tijdens de meting niet verandert. En, dat je de

32

zonnecel en je lichtbron niet mag bewegen! Anders moet je de meting kompleet van voren af aan beginnen! Afb. 49 opbouw voor de stroommeting


Het beste is dus de zonnemodule van de auto te verwijderen en hem met plakband op je bureau te fixeren! De schakeling voor de meting van de stroom is getekend in afb. 50, afb. 49 laat zien hoe je alles in elkaar moet steken. Afb. 50: Schakelbeeld voor de stroommeting. Afhankelijk ervan, of je één, twee of drie weerstanden in serie schakelt, moet je de rode bus op een andere strip aansluiten.


Om een overbelasting van de weerstanden te vermijden, mag je de lamp niet te dicht bij de module houden (om de maximale stroom te begrenzen). Richt de afstand tussen zonnemodule en lichtbron zo in, dat je een nullaststroom van ongeveer 160 mA meet. Je zou nu dus met de meting kunnen beginnen en drie stroom-spannings- meetwaarden kunnen krijgen. Dat zou echter maar heel weinig zijn. Om meer dan maar drie meetpunten te krijgen, kun je de weerstanden ook in serie en parallel schakelen. Hoe je door combinatie van de weerstanden nog meer resulterende weerstanden krijgt, staat in het volgende stuk tekst. Serieschakeling en parallelschakeling van weerstanden Als er twee of meer weerstanden in serie geschakeld worden, tellen ze bij elkaar op, omdat de stroom op zijn weg beide weerstanden na elkaar moet passeren (afb. 51). De totale weerstand bij serieschakeling van meerdere weerstanden is daardoor Rtotaal = R1 + R2 + … dus de som van de aparte weerstanden. De totale weerstand bij serieschakeling is dus altijd groter dan de aparte weerstanden. Afb. 51: twee weerstanden in serie geschakeld


Als er daarentegen twee weerstanden parallel geschakeld worden, dan is aan de uiteinden van de weerstanden steeds dezelfde spanning aanwezig. De Wet van Ohm (pag. 9) zegt ons dan, hoeveel stroom er door elke afzonderlijke weerstand vloeit. Dat betekent bijvoorbeeld, dat bij twee parallel geschakelde weerstanden van 1 Ω bij een aanwezige spanning van 1 V door elke weerstand de stroom 1 A vloeit, in totaal dus 2 A (afb. 52)! Dit kunnen we als volgt als formule schrijven: Itotaal = I1 + I2 + = … = U + U + … R1 R2 = U . ( 1 + 1 + …) = U . (____1_____) R1 + R2 + …) = R toraal Met ____1_____ = 1 + 1 Rtotaal R1 + R2

33

De totale weerstand bij de parallelschakeling van de weerstanden is kleiner dan de kleinste aparte weerstand! Met de meegeleverde multimeter kun je dit ook controleren. Afb. 52: twee weerstanden parallel geschakeld


Met de meegeleverde weerstanden kun je verschillende combinaties samensteken en de weerstanden meten. Daartoe hoef je alleen maar uit het schema van afbeelding 54 de linker tak met de zonnemodule weg te halen en de meter op weerstandsmeting in te stellen, zoals beschreven op pagina 12. Begin met simpele combinaties, zodat je de gemeten weerstanden met de formules boven kunt begrijpen en meet ook de aparte weerstanden! Voer de waarden in in de tabel afb. 53. De verschillende weerstanden, die uit de combinaties resulteren, kun je nu ook voor het meten van de karakteristiek van de zonnemodule gebruiken.

R1 R2 R3

Nominale waarde Gemeten (Ω) (Ω)

4,7 10 22

Rtotaal

R1 + R2 R1 + R3 R2 + R3 R1 + R2 + R3

serieschakeling

Rtotaal

parallelschakeling

Afb. 53: Weerstandswaarden door combinatie van de drie weerstanden


Je ziet, dat je bij de stroom- en spanningsmeting bovenop de drie meetpunten, die je met de drie weerstanden direct kunt meten, door eenvoudige combinatie van de weerstanden nog 8 meetpunten erbij krijgt. En je kunt er nog een meetpunt bij krijgen: als je er geen weerstand inbouwt, meet je de kortsluitstroom. Deze ken je al, want daarmee heb je de afstand tot de lichtbron ingericht. En je weet ook al, dat de spanning gelijk is aan nul, als de kortsluitstroom vloeit. Afb. 54: schakelschema voor de spanningsmeting. Omdat de weerstand nu geen nul meer is, is dit schema anders dan dat van afb. 19.


Afb. 55: Door ons gemeten karakteristiek


Je hebt nu voor vijf verschillende (last) weerstanden de stroom gemeten. In de volgende stap moet je voor al deze weerstanden de spanning meten. Het wezenlijke verschil in de schakeling bestaat eruit, dat nu de meter parallel met de lastweerstand geschakeld moet worden en als spanningsmeter moet worden gebruikt. De schakeling hiervoor zie je in afb. 54 en je vindt weer in afbeelding 56 weer een aanwijzing, hoe je de schakeling in elkaar kunt steken. Bij het ombouwen moet je er op letten, dat je de zonnemodule niet beweegt, omdat anders de helderheid verandert en je van voren af aan moet beginnen! Steek nu de weerstanden zo samen, dat je de verschillende waarden uit tabel 53 krijgt. Tenslotte kun je nog een ander punt meten: de nullastspanning. Daartoe met je alle weerstanden verwijderen (de weerstand is daarbij oneindig, omdat het stroom-

34

circuit immers niet gesloten is, en de stroomvloeiing is nul). Voer ook deze meetwaarden in in je tabel. In de tekening kun je zien, dat het zonnepaneel verwijderd is, om de verbindingen beter te kunnen zien.

Afb. 56: opbouw voor de spanningsmeting. Afhankelijk of je een, twee of drie weerstanden in serie schakelt, moet je de rode bus en de rode kabel van de zonnemodule op een andere stekkerstrip aansluiten.


Energie, arbeid, vermogen Op elektrische apparaten vind je vaak aanduidingen als 1000 W, 750 W of andere getallen. Deze getallen geven “het elektrische vermogen” aan, de eenheid W is de afkorting voor Watt. De betekenis kan duidelijk worden, als je aan auto’s denkt. Bij auto’s wordt het motorvermogen aangegeven in kW (kilowatt, 1 kW = 1000 W) of in PK (1 PK = 0,735 kW). Hoe meer kW een auto heeft, des te sterker is de motor. Een 100 W- gloeilamp brandt helderder dan een 40 W- lamp. Een waterkoker met 1000 W kan het water sneller aan de kook brengen dan een koker met maar 100 W. De heldere lamp en de snelle koker hebben daarvoor ook meer stroom nodig, want het vermogen is het product van stroom en spanning (de spanning, die uit de wandcontactdoos komt, is voor alles gelijk). Vermogen = stroom x spanning of (in formuletekens): P = I x U De aanduiding P komt uit het Engels voor Power. Afb. 58: Boven: de karakteristiek uit afbeelding 55. De ingetekende gearceerde vlakken zijn de vermogens (I.U) Onder: in plaats van I (stroom) hebben we het product I.U (vermogen) ingetekend. Het MPP ligt daar, waar het vermogen het hoogst is.


Afb. 59: Nu snap je ook het verschil tussen een fotoflitser en de zon, zoals je dat al op pagina 1`7 hebt gelezen. Getekend is de instraling (vermogen per oppervlak). Het gearceerde gedeelte is het vermogen per oppervlak maal tijd, dus arbeid per oppervlak!


Als je nu weer aan de waterkoker denkt: na enige tijd kookt het water in ieder geval. Het resultaat, de “verrichte arbeid”, is dus hetzelfde. Als de elektrische verbruiker met 100 W vermogen 10 uur lang aanstaat, heeft hij evenveel arbeid verricht als een elektrische verbruiker met 1000 W vermogen die maar 1 uur aangestaan heeft. Deze arbeid (energie) is het product van vermogen en tijd: Arbeid = vermogen x tijd Of (in formuletekens) W=Pxt De aanduiding W komt uit het Engels van Work, vaak wordt er ook E voor Energie gebruikt. De eenheid van arbeid (of energie) is de Wattseconde (Ws) of meer gebruikelijk de kilowattuur (kWh). Daarbij is 1 kW . 1 h = 1000 W . 3600 s = 3.600.000 Ws = 3,6 miljoen Wattseconden. KWh wordt ook gebruikt, om het verbruik van jullie huishouden aan elektrische energie weer te geven. Vraag je ouders maar eens, hoeveel elektrische energie jullie per jaar in het huishouden verbruiken! Je hebt zonet geleerd, dat het vermogen het product is van stroom en spanning. Nu willen we eens zien, wanneer jouw zonnemodule het maximale vermogen levert.

35

In onze afbeelding van de karakteristiek is naar rechts de spanning en naar boven de stroom ingevoerd. Het vermogen is het product van spanning en stroom: in onze afbeelding dus het oppervlak dat we krijgen, als we vanaf een punt op de curve eden lijn verticaal en een lijn horizontaal tot aan de assen trekken (zie afb. 58). Neem nu jou karakteristiek en teken voor een paar punten de oppervlakken of bereken het product uit stroom en spanning voor de door jou gemeten punten. Valt je iets op? Voor de maximale stroom (de kortsluitstroom) is de spanning gelijk aan nul, dus is ook het vermogen gelijk aan nul. Hetzelfde geldt voor de nullastspanning: als er geen stroom vloeit, dan is het vermogen gelijk aan nul, het maakt niet uit hoe hoog de spanning is. Als je nu naar de vlakken in de afbeelding kijkt: de lengte van de ene kant is gelijk aan nul. Bekijk nu een punt ergens in het midden van de karakteristiek. Als je daar een vlak tekent of het product berekent, stel je vast dat het vermogen groter dan nul is. Komend van de kortsluitstroom (dus van links naar rechts langs de curve), is het vermogen eerst nul, dan groter dan nul en bij de nullastspanning opnieuw gelijk aan nul. Tussendoor heeft het vermogen dus een maximale waarde bereikt. Het punt, waarbij het product van stroom en spanning – dus het vermogen – het grootst is, wordt aangegeven als het punt met maximaal vermogen, of – uit het Engels – maximum power Point, afgekort MPP. Maximum Power Point en vulfactor De spanning en de stroom bij het MPP zijn kleiner dan de nullastspanning en de kortsluitstroom, omdat de karakteristiek geen ideale rechthoek is, maar een afgeronde hoek bezit. De afwijking tussen het oppervlak van de ideale rechthoek met de kantlengten Isc en Uoc en de rechthoek op het MPP (kantlengtes Impp en Umpp) wordt aangeduid als vulfactor, afgekort FF: FF.Isc.x Uoc = Impp x Umpp Deze vulfactor is om natuurkundige redenen altijd kleiner dan één, voor zonnecellen uit silicium ligt de waarde meestal tussen 0,70 en 0,85 (hoe meer hoe beter voor het vermogen van de zonnecel). Als je wilt, kun je de karakteristiek nog een keer bij een andere helderheid meten. Richt daarbij de bureaulamp zo in, dat je een kortsluitstroom van slechts 130 mA meet. Teken deze tweede gemeten karakteristiek in dezelfde afbeelding als de karakteristiek, die je daarvoor (bij een kortsluitstroom van 160 mA) gemeten hebt, en bepaal ook voor deze karakteristiek het Maximum Power Point en het vermogen en het vermogen bij het Maximum Power Point! Je ziet nu, dat niet alleen het absolute vermogen op het Maximum Power Point, maar ook de stroom en de spanning op het MPP afhankelijk zijn van de belichting! Gelijkstroom, wisselstroom, gelijkstroom- wisselstroom- mutator en “MPP-Tracker” De stroom die jouw zonnecel produceert, is gelijkstroom, d.w.z. de pluspool is steeds positief geladen tegenover de minpool. De stroom die uit een wandcontactdoos komt, is daarentegen wisselstroom, d.w.z. hij verandert zijn poling. Dit gebeurt ongeveer 50 keer per seconde, d.w.z. de wisselstroomfrequentie is 50 Hz (dit vind je ook als aanduiding op vele elektrische apparaten, die op stroom uit heet stopcontact werken). Als je de stroom, die met grote zonnemodules geproduceerd wordt, aan het elektriciteitsnet wilt toevoeren, moet je van de gelijkstroom wisselstroom maken. Dit gebeurt met een zogenaamde omvormer, die een onderdeel vormt van elke zonne- installatie die aan het elektriciteitsnet gekoppeld is. Daarbij is men er natuurlijk in geïnteresseerd, een zo groot mogelijk vermogen aan het stroomnet te voeden. Moderne omvormers werken daarom zo, dat ze steeds werken op het punt van maximaal vermogen. Dit punt hangt, zoals je gezien hebt, af van de belichting van de zonnemodule op dat moment: als de zon door wolken afgedekt is, als de zon net is opgegaan of net ondergaat, ligt het MPP bij andere stroom- en spanningswaarden dan bij volledige instraling van het zonlicht ’s middags om twaalf uur. De omvormer moet dus steeds het

36

MPP opnieuw zoeken, om het maximale vermogen aan het net te voeden. Dit wordt aangeduid als “MPP- tracking”, en een omvormer die dat kan is een “MPP-tracker”. Het woord “tracking” komt uit het engels en betekent zoveel als “volgen”. De MPP- Tracker volgt dus de hele tijd het MPP. Gebruik je multimeter nooit, om de stroom of de spanning te meten, die uit een wandcontactdoos (stopcontact) komen! Spanningen en stromen, die uit een wandcontactdoos komen, zijn levensgevaarlijk groot! HET MAKEN VAN ZONNECELLEN Nadat we zo lang over zonnecellen en zonnemodules gepraat hebben, willen we je nu laten zien, hoe zonnecellen in het onderzoekslaboratorium of in de industrie gemaakt worden. We zullen daarbij laten zien hoe zonnecellen gemaakt worden uit kristallijn silicium. Dit type zonnecel bestaat het langste, en het grootste gedeelte van de op dit moment gemaakte zonnecellen bestaat uit kristallijn silicium. Aan het eind zullen we je kort een paar andere zonneceltypes laten zien. De meeste van deze andere types zonnecellen worden op dit moment nog verder ontwikkeld in het laboratorium. Sommige van deze types worden echter ook al in kleine hoeveelheden in fabrieken gemaakt (dit nomen ze de “pilot”- vervaardiging), om te zien of en hoe het maken in grote hoeveelheden mogelijk is. Eerst hebben we voor het maken van een zonnecel uit kristallijn silicium precies dat basismateriaal nodig: silicium. Daarbij hebben we geluk, want silicium (het chemische symbool is Si) is na zuurstof (O) het meest voorkomende element op aarde. Je vindt beide elementen samen als siliciumoxide (SiO2) overwegend in zand en kwarts. We hebben echter puur silicium nodig (geen siliciumoxide), d.w.z. de zuurstof moet verwijderd worden. Dit vraagt zeer hoge temperaturen van ongeveer 1800 °C. Na dit proces krijgt men vloeibaar silicium (smelttemperatuur 1450 °C). Het heeft een zuiverheid van 98 %, d.w.z. dat van een massa van 100 g 98 g silicium is, de andere 2 g zijn verontreinigingen. Men noemt dit silicium “metallurgisch silicium”. Afb. 60: fabricage van een siliciumstaaf


Afb. 61: een stuk van een siliciumstaaf. Silicium is zilverglanzend


Omdat er voor het winnen van het metallurgische silicium zeer veel energie nodig is, vindt de productie meestal plaats in gebieden op aarde, waar met waterkracht de benodigde energie geproduceerd kan worden (Siemens bijvoorbeeld produceert silicium in Canada). Dit metallurgische silicium moet voor de productie van zonnecellen (en ook voor de halfgeleiderindustrie) verder gereinigd worden. Voor dergelijke toepassingen is namelijk een zuiverheidgraad van 99,999.999.999.999 % nodig, d.w.z. op 1 biljoen siliciumatomen mag maar één ander atoom voorkomen. Dit is een onvoorstelbare zuiverheid. Ter vergelijking: op aarde wonen ongeveer 6 miljard mensen. Als er één buitenaards wezen op aarde zou komen, dan hadden we al 150 keer meer “verontreiniging”! Om materiaal met een dergelijke zuiverheid te winnen, zijn speciale reinigingsprocédés nodig. Deze zijn in de kern al in de jaren 50 van de vorige eeuw door de firma Siemens ontwikkeld. We zullen hier het principe uitleggen. Fijngemalen metallurgisch silicium reageert met gasvormig chloorwaterstof (HCl) tot het zogenoemde trichloorsilaan (SiHCl3). Dit is onder ongeveer 30 °C vloeibaar en de verontreinigingen kunnen door verschillende trappen van destillatie uit het trichloorsilaan verwijderd worden. Om nu weer silicium te krijgen, wordt het trichloorsilaan met zeer zuivere watersof door een vat gestuurd, waarin zich een tot ca. 1350 °C verhitte staaf uit zuiver silicium bevindt. Aan de hete oppervlakte

37

reageert het trichloorsilaan met de waterstof tot silicium, dat zich aan de oppervlakte afscheidt. Zo kunnen op dit ogenblik siliciumstaven met doorsneden tot 30 cm en lengtes tot 2 m geproduceerd worden. Deze siliciumstaven kunnen echter nog niet gebruikt worden voor het maken van zonnecellen of halfgeleiders. Het silicium voldoet nu weliswaar aan onze zuiverheideisen, maar het silicium is niet genoeg “geordend”. Het gaat namelijk niet om een regelmatig enkel kristal, maar om een klomp bestaande uit vele enkele kristallen, de zogenaamde kristallieten. Om een enkel kristal te krijgen, smelt men het silicium weer in een smeltkroes. In dit vloeibare silicium wordt nu een klein enkel kristal als kiemkristal in de gesmolten massa gedoopt en onder langzaam draaien langzaam uit de gesmolten massa getrokken. Daarbij kristalliseren de siliciumatomen op het kiemkristal net zo, als het voorbeeld van het kiemkristal zelf. Afbeelding 60 laat het maken van een dergelijke siliciumstaaf zien, in afb. 61 zie je een stuk van een dergelijke staaf. We hebben in verband met het functioneringsprincipe van de zonnecel al geleerd, dat er voor het maken van de pnovergang en dotering van het halfgeleidermateriaal nodig is. De ene kant van deze pnovergang kan al bij het trekken van het kristal gemaakt worden: door het toevoegen van doteerstoffen in de gesmolten massa (meestal fosfor voor de n- dotering, borium voor de p- dotering) worden deze stoffen al bij het groeien in het kristal ingebouwd, en in plaats van een pure siliciumstaaf trekt men gedoteerd silicium uit de gesmolten massa. Het silicium is daardoor weer een beetje minder zuiver (de dotering ligt meestal in het bereik van 0,000.000.1 %), maar de soort “verontreiniging” is nu precies gedefinieerd. Afb. 62: het in stukken zagen van een siliciumstaaf


In de volgende stap worden er van de lange staven kleine schijven afgezaagd. Deze schijven worden “wafers” genoemd (uit het Engels, het betekent precies “schijf“). De dikte ervan bedraagt ongeveer 200 tot 400 µm. Ze dienen als materiaal voor de fabricage van siliciumzonnecellen en halfgeleiderbouwelementen. Om nu uit de wafers een zonnecel te maken, hebben we ook de tweede kant van de pnovergang nodig. Meestal gebruikt men als uitgangsmateriaal voor de zonnecellen p- gedoteerd silicium (waarin al driewaardig borium is ingebouwd). We moeten dus aan één kant een n- gedoteerde laag maken. Daartoe wordt de wafer bij ongeveer 850 °C onder toevoer van fosfor in een oven verhit. Men noemt deze procedure fosfordiffusie. Door de juiste maatregelen zorgt men er daarbij voor, dat het fosfor maar aan één van beide kanten in de wafer binnendringt. Daarmee hebben we de pnovergang gecreëerd. Afb. 63: door het indiffuseren van fosfor ontstaat een n- gedoteerde laag aan de voorkant


In de volgende stap wordt er een anti- reflectielaag aangebracht, die ervoor zorgt dat de zonnecel meer zonlicht opvangt, in plaats van het terug te kaatsen. Pas bij deze stap wordt de zonnecel blauw. Tot dan toe was de cel zilver glanzend. Afb. 64: pas door het opbrengen van de anti- reflectielaag wordt de zonnecel blauw!


Er ontbreken nu nog de elektrische contacten aan de voor- en achterkant. In de industriële maatstaf worden de contacten meestal door zeefdruk gemaakt. Daarbij perst men een metaalhoudende pasta door een zeef, die als een sjabloon de pasta alleen op bepaalde plekken doorlaat (afb. 66). Opdat de pasta hard wordt, brengt men de wafer opnieuw in een oven, waar bij ca. 800 °C de metaalpasta door de anti- reflectielaag “heen brandt” en het contact met het silicium tot stand gebracht wordt.

38

Afb. 65: zo ziet de zonnecel er uit, nadat de contacten op de voor- en achterkant er opgedrukt zijn


Afb. 66: opdrukken van het contact op de voorkant op zonnecellen tijdens de fabricage (Siemens)


Afb. 67: inbranden van de contacten in een doorloopoven (Siemens)


Afb. 68: soldeermachine voor het aanbrengen van de soldeerstrips aan de printbanen voor het schakelen van de zonnecellen (Siemens)


De totale productie van de zonnecel moet onder uiterst schone omstandigheden plaatsvinden, want anders zouden er weer "vreemde” stoffen in de halfgeleider binnendringen en hem verontreinigen. Dit zou leiden tot zonnecellen met een lager rendement. Daarom vindt de totale fabricage plaats in zogenaamde “schone ruimtes”, waarin speciale kleiding moet worden gedragen en zelfs de lucht wordt gefilterd, om het binnendringen van stof te vermijden. Naast deze siliciumzonnecellen uit silicium van één kristal bestaan er ook nog zonnecellen uit zogenoemd polikristallijn silicium. Daarbij verstart het gesmolten silicium in een grote smeltkroes onder exact gedefinieerde omstandigheden. Daarbij vormen zich echter opnieuw vele kristallen met verschillende kristal- oriënteringen, die echter veel groter zijn dan de tot nu toe bestaande kristalliten (afb. 71). Deze vorm van produceren is eenvoudiger, maar de zonnecellen hebben meestal een geringer rendement. In de laatste stap worden de zonnecellen nu tot grotere eenheden geschakeld, en worden daarna deze eenheden in transparant materiaal ingebed en met glas afgedekt. Daarmee is de zonnemodule klaar. Afb. 69: tot een streng geschakelde zonnecellen


Naast kristallijne siliciumzonnecellen worden er tegenwoordig ook zonnecellen gemaakt uit cadmiumtelluride (CdTe) en uit koperindiumdiselenide (CIS) en aanverwante halfgeleidermaterialen. Deze technologieën worden samen met het amorfe silicium samengevat onder de noemer dunnelaag- zonnecellen, omdat de actieve zonnecellagen meestal maar een paar micrometer dik zijn (in tegenstelling tot de 200 tot 400 µm dikke siliciumwafers). De dunnelaag- techniek bevindt zich (met uitzondering van de amorfe siliciumzonnecellen, die je bijvoorbeeld in praktisch alle zakrekenmachines op zonne-energie vindt) nog in het teststadium. De met deze technieken bereikte rendementen zijn tot nu toe meestal kleiner dan de rendementen die met kristallijn silicium bereikt zijn. Afb. 70: in module ingebedde strengen


Afb. 71: zonnecel uit polikristallijn silicium (Deutsche Aerospace)


P8 Bepaling van het rendement van de zonnemodule De voorlopig laatste grootheid, die in samenhang met zonnecellen vaak gebruikt is, is het rendement. Men schrijft voor het rendement vaak de Griekse letter η (spreek uit als “eta”). Het rende-

39

ment η geeft aan, welk aandeel van het op de zonnecel vallende ingestraalde vermogen door de zonnecel wordt omgezet in elektrisch vermogen, als de zonnecel op het Maximum Power Point werkt: Elektrisch vermogen Rendement = --------------------------Ingestraald vermogen Of

η

P geproduceerd = --------------P ingestraald

Als het rendement • van een zonnecel gelijk zou zijn aan 1, dan zou het totale ingestraalde vermogen omgevormd worden tot elektrisch vermogen. In de werkelijkheid is η om natuurkundige en technische redenen steeds aanzienlijk kleiner dan 1, en bovendien afhankelijk van de belichting. P ingestraald

zonnecel η

P geproduceerd

Ingestraald vermogen geproduceerde vermogen (licht) (stroom) (zie pagina 47 Duitse handleiding) We willen nu nog één keer het rendement η van jouw zonnemodule berekenen bij de instraling die we voor de bepaling van de karakteristiek in experiment 7 gebruikt hebben. Daartoe hebben we twee grootheden nodig: het ingestraald vermogen en het elektrisch vermogen op het Maximum Power Point. Je kunt het ingestraalde vermogen bepalen doordat je uit de kortsluitstroom met de kalibreercurve uit experiment 4 de instraling berekent. Deze waarde (eenheid: W/m2) moet je nog vermenigvuldigen met het oppervlak van je module (in m2, 1 cm2 = 0,0001 m2!), om het ingestraalde vermogen (in W) te krijgen. Bedenk daarbij, dat je alleen de 12 blauwe vlakken op het zonnepaneel mee moet tellen. De tweede grootheid zit in de karakteristiek. Je kunt het MPP bepalen, door voor verschillende stroom- spanningparen het vermogen te berekenen en de maximale waarde te zoeken. Je hoeft dit niet heel precies te doen, we kunnen per slot van rekening toch niet zo heel precies meten! Als je beide waarden gevonden hebt, hoef je alleen nog maar de verhouding tussen deze beide waarden te berekenen, door de waarden volgens de vergelijking hierboven door elkaar te delen. Deze waarde kun je of zo aangeven als deze door de rekenmachine uitgespuugd wordt (dus 0, nog iets) of je kunt de waarde met 100 vermenigvuldigen en in procenten aangeven. Het rendement van je zonnemodule moet ergens tussen 8% en 16% liggen (dus tussen 0,08 en 0,16). De tot nu toe hoogste rendementen voor enkele zonnecellen werden tot nu toe bereikt door de universiteit van Nieuw- Zuid Wales in Sydney (Australië). Deze rendementen liggen ongeveer bij 25%. Aan dezelfde universiteit werden ook de tot nu toe hoogste modulerendementen bereikt, doordat de zonnecellen met de hoogste rendementen tot een module geschakeld werden. Het rendement van deze module ligt bij ongeveer 22% - dus duidelijk lager dan de rendementen van de enkele cellen. Vergeleken daarbij is het rendement van jouw zonnemodule toch eerder vrij laag. Maar als je bedenkt, dat je voor de energiewinning verder niets hoeft te doen dan een zonnecel in de zon te houden, en dat de zon ontelbare hoeveelheden energie elke dag gratis naar de aarde stuurt, is het toch een mooi iets, als men dagelijks een deel ervan in stroom kan omzetten (ook als het maar een klein gedeelte is). Meer over rendementen, ook van andere manieren van energiewinning, lees je in het laatste hoofdstuk van dit boek.

40

Celrendementen en modulerendementen Eén van de problemen bij het schakelen van zonnecellen tot zonnemodules is het feit, dat geen cel exact dezelfde eigenschappen heeft als de andere cellen. Als er nu zonnecellen in een module in serie geschakeld worden, levert dat verliezen op, omdat niet alle cellen hetzelfde Maximum Power Point bezitten. Deze verliezen noemt men “Aanpassingsverliezen” (in het Engels “Mismatch”). Om deze reden is het rendement van een zonnemodule in het algemeen kleiner dan de rendementen van de enkele zonnecellen. Afb. 72: een aan het net gekoppelde “photo-voltaïk”- installatie


Samenvatting Je hebt in de voorgaande acht experimenten de hoofdkenmerken van het opwekken van stroom met zonnecellen leren kennen. Je hebt begrippen als kortsluitstroom, nullastspanning, Maximum Power Point en rendement gebruikt, om de eigenschappen van zonnecellen en zonnemodules te beschrijven. En je kent de basiskenmerken van de manier waarop zonnecellen functioneren. Daarom ben je nu goed op de hoogte van de “photo- voltaïk” en ben je voorbereid om je zonnemodule in de volgende hoofdstukken van dit boek te gebruiken als stroombron. In deze experimenteerdoos heb je namelijk met opzet geen batterij of netvoeding gevonden, waarmee je de volgende proeven ook net zo goed had kunnen uitvoeren. Deze experimenteerdoos bevat een zonnemodule voor de stroomvoorziening, omdat de stroomvoorziening uit zonnecellen de basis vormt voor een auto- concept, dat het volledig kan doen zonder emissie (d.w.z. uitstoot van schadelijke stoffen): de stroom wordt (zonder het verbranden van kolen of gas en zonder kernenergie- centrales) met zonnecellen geproduceerd, en in de volgende proeven zul je zien, hoe deze energie opgeslagen en weer tot stroom omgevormd kan worden – eveneens zonder emissies.

Elektrolyse Veiligheidsaspecten • Beschermende kleding: Bij elk chemisch experiment moet degene die het experiment uitvoert – jij dus! – zich zo goed mogelijk beschermen tegen alle denkbare gevaren. Hoewel het bij jouw brandstofcel- experimenteerdoos in principe natuurlijk niet om een zeker veel gevaarlijkere chemie- doos gaat, vind je toch een veiligheidsbril, die je bij alle werkzaamheden op het gebied van de elektrolyse moet dragen! Opspattend zout water kan tot tranende oogirritaties leiden, reageerbuizen kunnen breken en rondvliegende glassplinters mogen natuurlijk in geen geval in je ogen terechtkomen. Om al deze redenen is een veiligheidsbril belangrijk! Overigens mag men een chemisch laboratorium bij wetenschappelijk onderzoek of in de industrie helemaal niet binnen, als je geen veiligheidsbril draagt. Als verdere beschermende kleding draagt de chemicus in het laboratorium steeds een stofjas, om te voorkomen dat door opspattende chemicaliën zijn of haar kleding of zelfs zijn huid schade toegebracht wordt. Weliswaar bestaat er bij geen van onze proeven een dergelijk gevaar, maar desondanks hoef je niet persé je zondagse kleren aan te doen als je oplossingen aanraakt of gassen onderzoekt. • Stroom en water: je hebt vast en zeker wel eens gezien in misdaadfilms, hoe gevaarlijk de combinatie van stroom en water kan zijn. Nu word je bij de proeven met elektrolyse uitgenodigd water met behulp van stroom te splitsen. Daarbij wordt echter steeds zeer zwakke gelijkstroom bedoeld, zoals die door je zonnemodule ter beschikking gesteld wordt. je moet in geen geval op het idee komen, hier de stroom uit het stopcontact te gebruiken. Dat zou in elk geval levensgevaarlijk zijn! • Gedestilleerd water: Je hebt gedestilleerd water nodig voor het vullen van de brandstofcel en alle daaraan verbonden onderdelen, zoals gastanks, waterreservoir en slangen. Gedestilleerd

41

•

water is in principe niets anders dan heel zuiver water zonder een of andere toevoeging. De toevoeging “gedestilleerd” geeft hier alleen maar aan hoe deze zuiverheid bereikt werd, namelijk door een zogenoemde destillatie. Hierdoor wordt het water gescheiden van de moeilijk te verdampen bestanddelen door het tot koken te brengen. De opstijgende waterdamp wordt weer opgevangen in een koeler, waarin dan het zuivere water in de vorm van kleine druppeltjes naar beneden loopt en in een heel schoon opvangreservoir opgevangen wordt. Op dezelfde manier wordt overigens alcohol van water gescheiden, omdat alcohol bij een veel lagere temperatuur dan bij water verdampt en zo bijvoorbeeld voor het produceren van cognac uit wijn in zeer geconcentreerde vorm gewonnen kan worden. De brandstofcel mag alleen met gedestilleerd water gevuld worden, omdat onderdelen van de daarin aanwezige membranen anders onbruikbaar zouden kunnen worden. Voor ons mensen ziet het er juist precies andersom uit. Weliswaar bevat ons lichaam een grote hoeveelheid water, maar daarin is een onvoorstelbare hoeveelheid mineralen opgelost, die voor ons van levensbelang zijn. Ook ons gewone drinkwater bevat vele mineralen. Je moet maar eens het etiket van een flesje mineraalwater bekijken, als je wilt weten wat er zo allemaal in drinkwater zit. Daar vind je namelijk altijd een analyse van een in zulke werkzaamheden gespecialiseerd laboratorium, dat alle bestanddelen van het mineraalwater exact bepaald heeft. Ook het water uit de kraan thuis bevat de meeste stoffen die ook in mineraalwater zitten, alleen geen koolzuur, anders zou het kraanwater borrelen! Als de mens nu grote hoeveelheden gedestilleerd water zou drinken, gebeurt er in het lichaam het volgende: mineralen worden uit de cellen en membranen losgemaakt, omdat het lichaam probeert het water de “juiste” concentratie van deze stoffen te geven. Dat kan leiden tot ernstige beschadigingen van de organen, zoals maag, lever en nieren en in extreme gevallen zelfs tot de dood leiden! Daarom geldt: drink nooit gedestilleerd water!! (Overigens koop je gedestilleerd water bij de apotheek of drogist. Je kunt het ook kopen bij tankstations, waar het als accuwater verkocht wordt, of aan de schei- of natuurkundeleraar op school vragen of hij je wat kan geven). Waterstofgas: Gasvormige waterstof is een niet giftig gas. Hoge concentraties kunnen echter, net als bij elk gas verstikking veroorzaken, als er voor het ademen niet meer voldoende zuurstof aanwezig is. Waterstof is een brandbaar, zeer licht ontplofbaar gas, dat met lucht een explosief mengsel kan vormen. Daartoe moet zich echter minstens 4% waterstof in de lucht bevinden. Boven 75% waterstof in de lucht is het mengsel evenmin explosief meer. Omdat waterstof extreem vluchtig is, is het praktisch onmogelijk in een goed geventileerde ruimte een explosief gasmengsel te produceren. Bij de bij het gebruik van de brandstofcel van je Kosmosdoos voor de elektrolyse geproduceerde hoeveelheden aan waterstofgas kan er in geen geval een explosief gasmengsel in een kamer gevormd worden. De ontstekingstemperatuur van waterstof bedraagt 560 °C, een ontsteking door vonken is mogelijk. De verbrandingsproducten van waterstof zijn net zo min giftig als het gas zelf. Waterstofgas is reukloos. In het algemeen dien je je te houden aan de volgende veiligheidsadviezen: reservoirs die waterstof bevatten, op een goed geventileerde plaats bewaren. Reservoirs ver verwijderd houden van ontstekingsbronnen, in de nabijheid niet roken. Passende maatregelen tegen een elektrostatische oplading van het reservoir nemen. De laatstgenoemde maatregel is de reden voor de zelfklevende waarschuwing (die op de watertank van je auto geplakt dient te worden), omdat door wrijven met droge doeken elektrostatische opladingen in principe mogelijk zijn. Maar tot slot van deze veiligheidsaanwijzingen nogmaals de verwijzing naar de extreem kleine hoeveelheid waterstofgas, die je onverdund in de tank van je experimenteerauto opslaat. Deze hoeveelheid kan met de lucht in de omgevende ruimte in geen geval een explosief mengsel vormen.

Uitleg van de begrippen: • Elektrochemie: De elektrochemie is het deelgebied van de chemie, dat zich bezighoudt met de directe omvorming van chemische in elektrische energie en het overeenkomstige omgekeerde

42

• •

• •

proces. Niet alleen vele grote technische procédés (b.v. het maken van metalen) en dingen uit het dagelijkse leven zoals batterijen berusten op elektrochemische reacties, maar ook centrale gebeurtenissen in het leven zoals de overdracht van zenuwimpulsen. Elektrode: de elektrode vormt de plek van overgang van een elektrische geleider (kabel) op een ionische geleider (vloeistof of gas). Als elektroden zijn bijvoorbeeld staven of platen uit goed geleidende materialen (b.v. van metaal) geschikt. Elektrolyse: chemische reacties in vloeistoffen of gassen kunnen door het toevoeren van stroom (via elektroden) gericht in gang gezet worden, dit proces noemen we elektrolyse. Technisch belangrijke toepassingen van de elektrolyse zijn het produceren van chloor (dit is een vaak in de chemische industrie benodigde grondstof, hetgeen weerspiegeld wordt in een wereldjaarproductie van 36,5 miljoen ton in het jaar 1992), edele metalen zoals goud, zilver, koper, lood, tin, nikkel, kobalt, cadmium, chroom, zink en mangaan alsmede verschillende speciale chemische stoffen zoals perboraat, permanganaat, bruinsteen, chroomzuur en elementair fluor. Reductie: als een chemische verbinding bij een elektrode (de kathode) één of meerdere elektronen opneemt, spreekt men van reductie. Er ontstaan hierbij in de regel nieuwe verbindingen met sterk veranderde eigenschappen. Oxidatie: als een chemische verbinding bij een elektrode (d.w.z. de anode) één of meerdere elektronen afgeeft, spreekt men van oxidatie. Er ontstaan hierbij in de regel nieuwe verbindingen met sterk veranderde eigenschappen.

P9 Splitsing van water door middel van elektrolyse Water is gelukkig een zeer stabiele chemische verbinding – tenslotte is het de basis van ons leven. In de nu volgende proeven zul je echter zien, dat het heel goed mogelijk is, ook dergelijke stabiele moleculen zoals water “open te breken”. Daartoe bouwen we ons eerste chemische experiment op. Uit de experimenteerdoos heb je hiervoor alleen de zonnemodule nodig, dat je in het eerste deel al uitvoerig hebt leren kennen. Alle andere voorwerpen, die je voor de succesvolle watersplitsing nodig hebt, kun je zonder problemen in de keuken of in je bureau vinden: een niet helemaal met water gevulde, niet al te vlakke bak (van glas, keramiek, kunststof), wat aluminiumfolie, waar de reageerbuis inpast, een paar theelepels zout en twee paperclips. Omdat het bij dit en de volgende proeven om chemische experimenten gaat, is het absoluut noodzakelijk dat je je aan de veiligheidsvoorschriften houdt en voor alles steeds bij het experimenteren de veiligheidsbril opzet en pas na afloop van het laatste dergelijke experiment weer afzet en goed opbergt. Afb. 73: zo vouw je uit een stuk aluminiumfolie je eigen elektrode


Je kunt dit en alle volgende experimenten het beste in de keuken uitvoeren, omdat het bij het hanteren van vloeistoffen zoals water altijd kan gebeuren dat er een beetje “er naast gaat”. In de eerste stap knutsel je uit de aluminiumfolie twee ongeveer even grote elektroden. Hoe dat precies moet is in afbeelding 73 weergegeven. Twee ongeveer even lange en brede stukken van de folie worden van de rol afgesneden, als een harmonica opgevouwen en aansluitend vast samengedrukt. Om in het bovenste gedeelte meer stabiliteit te krijgen, knik je daar een strip van ongeveer 1 cm breed om. Deze vouw dient tegelijkertijd ter bevestiging van de elektroden op de rand van de schaal of bak (om te verhinderen dat ze in de bak glijden of elkaar aanraken, wat tot kortsluiting zou leiden) en voor de elektrische aansluiting ervan. Om zeker te zijn van dit elektrische contact, bevestig je de stekkers van de van de stroombron (dat is je zonnemodule) komende snoeren met een paperclip aan het einde van de aluminium elektrode (zie afb. 74).

43

Afb. 74: voor een zekere bevestiging van de stekkers aan de elektroden gebruik je steeds een paperclip


Voor je de beide elektroden aan de rand van de bak bevestigt zoals afgebeeld in afb. 74, vul je de bak met zout water. Drie tot vier theelepels zout, opgelost in normaal leidingwater, zorgen in een grote koffiebeker (200 ml) voor een voor deze proef voldoende zoutconcentratie. Voor het oplossen van zout in koud water moet je een beetje geduld hebben en daarbij met een theelepeltje krachtig roeren. Als je de bak daarbij aanraakt, merk je dat deze steeds kouder wordt. Dat komt, omdat zout een zeer stabiele verbinding is, waarvoor voor het afbreken (het oplossen) energie nodig is, die in de vorm van warmte aan het water onttrokken wordt. Nu is de elektrolysecel klaar en deze moet nu aangesloten worden op een geschikte gelijkspannings- stroomvoorziening. Natuurlijk gebruik je hiervoor de jou reeds vertrouwde zonnemodule, waarvan de aansluitkabels met de beide elektroden verbonden worden (Het maakt bij deze proef in principe niet uit, hoe je deze verbinding aansluit, je moet alleen voor de latere uitwerking van het experiment onthouden welke elektrode met de plus- en welke met de minpool verbonden is) en de module voor het opwekken van de stroom met de bureaulamp of natuurlijk met de zon belicht. De principiële opstelling vindt je afgebeeld in afbeelding 74. Afb. 75: voor de waterelektrolyse verbind je de beide aansluitkabels van de zonnemodule met de elektroden


Vervolgens verbind je de beide elektroden met de zonnemodule en zorg je door het vastklemmen met de paperclips de duurzaamheid van de contacten. Dan begin je met het eigenlijke experiment, de waterelektrolyse. Door de belichting van de module met een lamp of, als je op het balkon of het terras werkt, met de zon produceer je stroom, die nu naar de beide in het water hangende elektroden geleid wordt. Als je alles goed hebt aangesloten en opgebouwd, zou er nu – zoals afgebeeld in afb. 74 – na een zeer korte tijdvertraging (de wetenschapper noemt dit “inductieperiode”) aan een van de beide elektroden een echt heftige gasontwikkeling moeten beginnen. Controleer met welke pool van de zonnemodule deze elektrode verbonden is. Wat zie je aan de andere elektrode? Afb. 76: als de zonnemodule belicht wordt, begint aan de met de zwarte kabel verbonden elektrode na korte tijd een heftige gasontwikkeling


Nu willen we eens nadenken wat er bij dit experiment allemaal gebeurd zou kunnen zijn. Je hebt eerst door de belichting van de zonnemodule een fotostroom geproduceerd en deze naar twee aluminiumelektroden geleid, die echter niet met elkaar verbonden zijn, maar mooi gescheiden van elkaar in een waterige zoutoplossing hangen. Je weet, dat stroom alleen kan vloeien – en daarmee iets kan bewerkstelligen – als een stroomcircuit gesloten wordt. Het geleidend vermogen van zuiver water is echter zeer klein, d.w.z. het bezit een aanzienlijke weerstand en laat daardoor geen hoge stroomvloed toe. Door het oplossen van zout in water wordt dit water echter geleidend. Het stroomtransport wordt hier niet zoals in koperen kabels verzorgd door elektronen, maar door zogenaamde ionen. In het geval van keukenzout (chemisch is dat natriumchloride) zijn dit natriumen chloorionen, die het water geleidend maken. Dus heb je het stroomcircuit gesloten, doordat je niet zoals gebruikelijk een gloeilamp of een radio maar de elektrolysecel als verbruiker er tussengevoegd hebt. Hier zie je aan de negatieve pool, de zogenaamde kathode, een heftige gasontwikkeling, aan de positieve pool, de anode, ontstaan maar heel weinig luchtbellen. Maar in plaats daarvan begint het aluminium daar langzaam uit elkaar te vallen en er brokkelen tenslotte hele stukjes vanaf. Deze

44

twee dingen die je ziet duiden op het aflopen van chemische omzettingen, waaraan natuurlijk alleen de gebruikte stoffen, dus water, aluminium en zout deel kunnen nemen. Zelfs uit deze weinige bestanddelen is in principe de vorming van verschillende gassen mogelijk: waterstof en zuurstof uit water, chloorgas uit de van het opgeloste zout afkomstige chloorionen. Daarom hebben we wat extra informatie nodig om de soort van gevormde gassen aan te kunnen geven. Omdat het gevormde gas reukloos is – of heb je wel iets geroken? – is de vorming van chloorgas uitgesloten: chloorgas heeft een bijtende geur, die je misschien uit het zwembad kent. Daar wordt deze substantie gebruikt om het water te desinfecteren. Omdat de gasontwikkeling bovendien aan de kathode plaatsvindt, is ook zuurstof als gevormd gas uitgesloten. Omdat – zoals we in de volgende proef nog uitvoerig zullen uitleggen – zuurstof een oxidatieproduct is van water, zou het alleen aan de anode gevormd kunnen worden. Daarom ligt het vermoeden voor de hand, dat het bij het hier gevormde gas om moleculaire waterstof gaat. Het ondubbelzinnige bewijs van de waterstofvorming wordt echter pas in de volgende proef geleverd. Iets makkelijker is de verklaring van wat er gebeurt aan de andere elektrode, de anode. Hier heb je namelijk het gedeeltelijk oplossen van het aluminium gezien. Nu weet men, dat metalen niet zo makkelijk – en helemaal niet in onveranderde vorm – in water opgelost kunnen worden. Als relatief onedel metaal kan men aluminium echter heel makkelijk oxideren. De daarbij gevormde aluminiumionen lossen goed en snel op in water. Ze zijn echter heel klein en daarom voor het oog volledig onzichtbaar. De kleine brokjes, die je in de elektrolysecel ziet ronddobberen, bestaan daarom met zekerheid uit metalliek aluminium. Ze konden losweken van de elektrode, omdat in de dieper daaronder liggende lagen aluminiumionen gevormd werden, die in het water zijn opgelost en zo het metaalverband gestoord hebben. Voor we nu het totale proces dat we op gang gebracht hebben door het aanleggen van de fotospanning van de zonnemodule aan de elektrolysecel, ook nog in een iets wetenschappelijkere vorm opschrijven, willen we het gevormde gas een beetje preciezer onder de loep – of beter gezegd in de reageerbuis – nemen. P10 Knalgastest voor het bewijzen van waterstof Raden kan bij menige TV- quiz tot snelle resultaten en misschien zelfs tot een heleboel geld leiden, voor de wetenschap is deze eigenschap echter absoluut niet geschikt. Nadat de wetenschapper op basis van zijn eerste overwegingen een idee heeft ontwikkeld wat er bij zijn proef gebeurd zou kunnen zijn, past hij zo simpel mogelijke maar tegelijkertijd ook ondubbelzinnige methodes toe, om zekerheid te verkrijgen over het exacte verloop van de door hem bekeken gebeurtenissen. Deze wetenschappelijke werkwijze willen wij bij het voorbeeld van het in de voorgaande proef aan de kathode (dus met de negatieve pool van de zonnemodule verbonden aluminiumelektrode) gevormde gas eens in de praktijk bekijken. Zoals je in de vorige proef hebt gezien, vindt de gasontwikkeling gelijkmatig plaats over het gehele in de oplossing gedompelde oppervlak van de elektrode, in de vorm van hele kleine belletjes. Omdat we echter voor onze volgende proef zoveel mogelijk gas in korte tijd willen opvangen, moet je de aluminium elektrode zoals weergegeven in afb. 74 omknikken, zodat deze daarna in het water spits toeloopt. Als de elektrode weer in het water hangt en je de elektrolyse door het inschakelen van de lamp resp. door de belichting van de zonnemodule door de zon opnieuw start, zouden de gaspareltjes nu veel meer gebundeld op moeten stijgen. Afb. 77: door een knik in de elektrode kun je de gasbelletjes bundelen, om ze beter op te vangen


Nu leg je de dingen klaar, die je voor de proef nodig hebt. De veiligheidsbril heb je natuurlijk bog op je neus! Van je ouders leen je een kaars of een theelichtje, dat je aansteekt en op de tafel voor je binnen bereik neerzet. Verder heb je een reageerbuis nodig.

45

Afb. 78: eerst wordt de reageerbuis helemaal met water gevuld


Afb. 79: Nu til je de volle reageerbuis op en trek je hem uit het water, zonder er luchtbellen in te laten


Afb. 80: Zo vang je de gasbelletjes op in de reageerbuis


Afb. 81 Zodra de reageerbus helemaal met gas gevuld is, beweeg je hem zonder omdraaien naar de vlam


En dan kan de proef beginnen. Eerst dompel je de reageerbuis zoals afgebeeld in afb. 88 langzaam in het water en vult hem daardoor volledig (!) met water. Dan kantel je de volle reageerbuis langzaam met het gesloten einde naar boven en trekt hem uit het water (afb. 79). Daarbij moet de opening van de reageerbuis steeds onder het wateroppervlak blijven, omdat er anders luchtbellen inkomen en je weer van voren af aan moet beginnen. Nu beweeg je de gekantelde reageerbuis langzaam met de opening naar de aluminiumkathode en probeert daar – zoals in afbeelding 80 te zien is – indien mogelijk alle gasbelletjes op te vangen. Deze zijn lichter dan water en stijgen in de reageerbuis naar boven, waar zich nu een steeds groter wordende gasbel vormt. Terwijl je de reageerbuis rustig boven de elektrode houdt, heb je de tijd om over een vraag na te denken: waarom blijft het water in de omgekeerde reageerbuis en vloeit het niet direct terug in de bak? (Hulpje: denk aan de luchtdruk). In de loop van de tijd wordt de reageerbuis met gas gevuld. Je hebt wat geduld nodig, maar dat is voor een wetenschapper altijd al een zeer belangrijke eigenschap! Als de buis helemaal met gas is gevuld, beginnen de gasbelletjes aan de buitenkant ervan naar boven te stijgen. Dat kan heel lang duren. Als de reageerbuis pas voor een derde met gas is gevuld, kun je de gasanalyse, de zogenaamde knalgastest, ook al uitvoeren. Je tilt daarvoor, zoals je in afb. 81 ziet, de reageerbuis uit de waterbak, waarbij de opening steeds naar beneden moet wijzen. Nu beweeg je de met glas gevulde buis vlug in de richting van de kaarsvlam en houdt hem met de opening vlak boven de vlam. Beschrijf wat je ziet! Nu haal je de reageerbuis weer weg en brengt hem opnieuw naar de vlam. Wat gebeurt er nu? Je hebt de eerste keer, dus toen je de reageerbuis met het door de elektrolyse gevormde gas gevuld was, een duidelijk “plop” gehoord. Bij de tweede keer gebeurde er niets. Deze “plop” is de knal van de knalgastest, waarmee waterstof bewezen wordt. Door de vlam wordt het waterstofgas, dat je in de reageerbuis had opgevangen en dat heel graag reageert, in één keer verbrand. Daarna is de reageerbuis weer met heel gewone lucht gevuld, die natuurlijk niet meer reageert. Nu wordt het langzaam aan tijd, de in beide voorgaande proeven gedane waarnemingen wetenschappelijk te verklaren: Je hebt met behulp van de belichte zonnemodule een elektrische stroom aangesloten op twee in een waterige zoutoplossing hangende aluminiumelektroden. Daardoor werd aan de met de negatieve pool van de zonnecel (de kathode) waterstofgas gevormd, wat door de knalgastest kwalitatief bewezen werd. Waterstofgas heeft chemisch de formule H2. Het kan uit water, chemisch H2O, door opname van elektronen (e-, het minteken bovenaan geeft de negatieve lading aan) gevormd worden. Deze procedure noemen we reductie en dit wordt uitgedrukt met een zogenaamde reactievergelijking: H2O + 2 e- --> H2 (↑) + 2 O2-

(1)

46

De pijl ↑ bij H2 geeft aan, dat het gevormde product een gas is, dat zich graag naar boven beweegt. Uit de eerste serie proeven bij het thema “Zonnemodule” weet je al, dat in een stroomcircuit geen elektronen verloren kunnen gaan. Daarom moeten de elektronen, die door de oplossing aan de kathode opgenomen werden, aan de anode weer aan het stroomcircuit teruggegeven worden. Daar heb je naast de vorming van een paar gasbelletjes vooral het oplossen van de aluminiumelektrode gezien. Omdat jouw oplossing behoorlijk veel zout bevat (chemische aanduiding NaCl voor natriumchloride) bevat, gaat het hier bij de gasvorming vermoedelijk om de oxidatie van chloorionen (Cl-) tot chloorgas (Cl2, waarvoor de chemicus de volgende reactievergelijking heeft: 2 Cl- --> Cl2 (↑) + 2 e-

(2)

De hoofdzakelijk opgetreden oplossing van metalliek aluminium (chemisch Al) onder vorming van in het water oplosbare aluminiumionen wordt qua formule als volgt uitgedrukt: Al --> Al3+ = 3e-

(3)

Door beide reacties worden er aan de anode elektronen afgegeven, waardoor zoals moet, het stroomcircuit gesloten wordt. Een dergelijke afgifte van elektronen noemt men oxidatie. Voor de experts onder jullie dient nog gezegd te worden dat er vanwege de vorming van steeds drie elektronen bij de overgang van metalliek aluminium tot de in het water oplosbare Al3+ -ionen natuurlijk steeds drie moleculen watergas gevormd worden, als twee Al3+ -ionen opgelost worden. Anders zou de elektronenbalans niet kloppen. Zo, nadat je in zo’n korte tijd heel veel nieuwe dingen hebt geleerd over de elektrochemie, mag je een pauze houden en opruimen, voor je verder gaat met de volgende proef. Nadat je de lamp hebt uitgedaan en de zonnemodule losgemaakt hebt van de elektroden, verwijder je de overgebleven stukken aluminium met het overige metaalafval in huis. Het zoute water bevat weliswaar nog een paar aluminiumionen, maar die zijn volkomen onschadelijk. Daarom kun je de hele zoutoplossing zonder bezwaar via de gootsteen weggieten en de bak of schaal weer in de keukenkast zetten, nadat je hem afgewassen en afgedroogd hebt. Vergeet niet de kaars weer uit te blazen! P11 Kalibrering (“uitliteren”) van de gastank Nu willen we eindelijk beginnen met het in elkaar zetten van de brandstofcel! Tenslotte is dit toch het hoofdthema van je Kosmos- experimenteerdoos en tot nu toe heb je op een of andere manier “alleen nog maar” proeven vooraf gedaan. De brandstofcel in zijn eigenlijke functie zullen we echter pas later gebruiken. Maar we hopen, dat je de hierna volgende experimenten minstens even interessant zult vinden, omdat ze een heel unieke eigenschap van je brandstofcel zullen openbaren: namelijk de reversibiliteit (d.w.z. de omkeerbaarheid) ervan. Maar daarover later meer, nu wordt er eerst gebouwd. Omdat we nauwelijks kunnen aannemen dat je al een volledige opleiding tot dokter of verpleger/ verpleegster achter de rug hebt, zullen we je eerst maar eens het juiste omgaan met de bijgevoegde injectiespuit leren. “Juist” betekent bij spuiten in het algemeen, dat je alle luchtbellen uitsluit en werkelijk alleen maar datgene inspuit wat je ook wilt hebben. In ons geval zal dat gedestilleerd water zijn. Om alle proeven zonder problemen uit te kunnen voeren, heb je minstens 250 ml gedestilleerd water nodig. Je kunt gedestilleerd water kopen bij drogist of apotheek. Je kunt het ook kopen bij tankstations, waar het als accuwater verkocht wordt, of aan je leraar schei- of natuurkunde op school vragen of hij je wat geeft. Lees daartoe

47

beslist de veiligheidsaanwijzingen, voor je met het gedestilleerde water werkt! je mag nooit gedestilleerd water drinken of het andere mensen of dieren te drinken geven! Afb. 82: de rode canule wordt met een stukje slang van ca. 6 cm op de spuit aangesloten


Afb. 83: het hele meegeleverde stuk slang wordt in goed passende stukken gesneden


Monteer vervolgens de canule op de spuit, zoals je dat ziet in afb. 82. Daartoe snij je een stuk van ca. 6 cm van de meegeleverde slang af. Om voor alle komende proeven steeds stukjes slang met voldoende lengte tot je beschikking te hebben, kun je het beste gelijk de hele slang in overeenkomstig lange stukken snijden: er zijn nog twee korte stukken van 5 cm nodig, het overgebleven stuk slang wordt precies in het midden doorgesneden, waarbij beide helften een lengte van 17 cm moeten hebben (vergelijk afb. 84). Om het eerste afgesneden stuk van 6 cm makkelijker op de canule resp. op de spuit te kunnen schuiven, moet je de beide uiteinden een poosje tussen je duim en wijsvinger kneden. Daardoor worden ze zachter en kunnen ze ook beter uitgerekt worden. Maar nu over het werken met de spuit zelf. Vul wat gedestilleerd water in een beker. Eerst druk je de stempel van de spuit helemaal naar beneden, om zoveel mogelijk lucht er uit te verwijderen. Dan dompel je het eind van de canule in de beker, houdt hem onder water en begint, de stempel van de spuit langzaam er uit te trekken (afb. 84). Uiterlijk als de stempel de 20 ml- markering bereikt heeft, houd je op met trekken. Als je nu precies kijkt, zie je dat er nog luchtbellen in de spuit zitten, die eerst in de slang resp. in de canule zaten. Om die definitief kwijt te raken, draai je de spuit om, zodat de opening naar boven wijst. Daardoor stijgt, zoals je in afb. 85 ziet, de luchtbel naar boven. Eventueel moet je daarbij door zacht tegen de spuit te tikken met je vinger een beetje helpen. Als de luchtbel bij de uitgangsopening van de spuit is gekomen, druk je hem er met de stempel langzaam naar buiten. (Als de luchtbel heel klein is, moet je de enigszins schuin gehouden spuit zo draaien, dat de aansluiting van de canule boven ligt. Je gaat met deze beweging langzaam (!) en meet veel gevoel zo lang door, tot de eerste waterdruppels uit de canule komen. Nu kun je er zeker van zijn, dat je zonder luchtbellen verder kunt werken. Het zal zeker een poosje duren, tot je het werken met de spuit zo gevoelvol beheerst, dat je het ook boven jullie woonkamertapijt kunt doen zonder te morsen. Maar laat het er liever niet op aankomen en blijf met het opbouwen van je proef in de keuken, de badkamer of buiten op het balkon of terras. Afb. 84: eerst vul je de spuit met gedestilleerd water


Afb. 85: nu verwijder je alle luchtbellen uit de omgedraaide spuit


Als volgende gebruik je de net aangeleerde vaardigheid in het omgaan met de spuit, om het volume van de beide gastanks te bepalen. In je experimenteerdoos zit een zelfklevend stuk folie, waar de voor de tanks bedoelde opschriften opstaan. Zoals er op het vel staat, knip je eerst alle drie etiketten uit en trekt er daarna de zelfklevende folie af en plakt ze zoals afgebeeld in afb. 86 zo exact mogelijk op de gastanks resp. de waarschuwing boven op de watertank. Je moet er daarbij op letten, dat je het “waterstof”- etiket op de grotere, het “zuurstof”- etiket op de kleinere tank plakt. Afb. 86: de zelfklevende etiketten worden uitgeknipt en op de beide gastanks en op de watertank van de auto geplakt (zie pagina 56 Duitse handleiding)

48

Nu bezitten beide tanks een verdeling, waarvan je de precisie in ieder geval moet controleren. Hiertoe sluit je eerst de kleine opening van de tank met een stuk plakband, en controleert dat dit geen water doorlaat, Aansluitend plaats je het geheel op een tafelblad (afb. 87). Vul dan je spuit (zonder bellen!) tot precies aan de 15 ml- markering met gedestilleerd water en spuit daarvan precies 3 ml in één van beide tanks. Noteer in de onderstaande tabel, tot aan welke markering op de tank het water staat. Om de waarde correct af te lezen, kijk je zo op de tank, dat je het wateroppervlak slechts als een streep ziet. Vuil nu nogmaals 3 ml water in de tank en schrijf wederom de waarde op de tank in de tabel. Ga door het de proef, tot de eerste tank volledig met water is gevuld en noteer ook de totale inhoud van de tank. Maak de tank leeg en voer een soortgelijke meetserie uit met de tweede tank. Afb. 87: je moet de precisie van de tankindeling in ieder geval controleren. Noteer de waarden in de bijbehorende tabel (zie pagina 56 Duitse handleiding)

Nu heb je de tankinhoud van beide tanks gekalibreerd (d.w.z. “naar de juiste maat gemeten”) en kun je later uit jouw tabel het exacte volume voor een bereikte vulhoogte in de tank aangeven. Water (ml)

H2

tankaanduiding

O2


P12 Opbouw en vullen van de brandstofcel In deze proef bereid je de brandstofcel voor op het eerste gebruik als elektrolysecel. De eigenlijke brandstofcel ligt voorgemonteerd in je Kosmos- experimenteerdoos. Dat heeft een goede reden: hij bestaat namelijk uit vele, voor een deel zeer gevoelige onderdelen, die in een precies voorgeschreven volgorde en met grote zorgvuldigheid samengevoegd moeten worden. Opdat zich geen ongewenste moeilijkheden voordoen, is dit al door goed geschoolde experts voor jou gedaan. Later zul je echter toch nog precies leren, uit welke aparte onderdelen de brandstofcel bestaat en of en hoe je ze uit elkaar kunt halen – maar vooral ook weer kunt samenbouwen. Voor de volgende experimenten gebruik je steeds de cel zoals je die in je bouwdoos vindt en probeer je in geen geval, de cel op een of andere manier uit elkaar te halen. Afb. 88: aan beide kanten van de brandstofcel worden de op maat gesneden stukken slang gemonteerd en aan het andere uiteinde voorzien van afsluitdoppen resp. buisjes


Als eerste neem je de beide 5 cm lange stukken slang, die je bij de vorige proef al opzij gelegd hebt, en schuift ze zoals je ziet in afb. 88 op de beide bovenste buisjes aan beide kanten van de brandstofcel. De beide vrije uiteinden sluit je af met een rode afsluitdop. De beide stukken slang van 17 cm worden steeds met de beide onderste buisjes van de brandstofcel verbonden en aan het andere eind voorzien van een doorzichtige afsluitdop. Nu plaats je de brandstofcel zoals te zien in afb. 89 in de gleuf in het midden van de auto. Om latere verwisselingen te voorkomen, is het belangrijk dat de kant die rood gemarkeerd is in de rijrichting (de tank zit bij de auto achter, de zonnemodule voor) aan de rechterkant van de auto geplaatst wordt.

In de tekening is om te zien hoe de aansluitingenverlopen het zonnepaneel er afgehaald Afb. 89: Nu wordt de brandstofcel op de wagen in de gleuf geplaatst, waarbij de rood gemarkeerde kant in de rijrichting rechts geplaatst is (zie pagina 58 Duitse handleiding)

49

Als volgende stap verbind je alle elektrische aansluitingen, die je voor het gebruik van de brandstofcel voor de waterelektrolyse nodig hebt. Aan de waterstofkant (in de rijrichting rechts, vergelijk afb. 89) worden alle rode aansluitingen geplaatst: de kabel van de pluspool van de zonnemodule, de rode kabel naar de brandstofcel alsmede de rode kabel van de externe meetaansluiting worden op één van de stekkerstrips aan de rechterkant van de auto gestoken zoals je ziet in afb. 89. Op dezelfde manier doe je het met de zwarte kabels aan de andere kant van de brandstofcel. In geen geval mogen rode en zwarte kabels zich na de elektrische aansluiting op dezelfde strip bevinden! Nu komt het laatste en belangrijkste gedeelte van de aansluiting: de cel vullen met gedestilleerd water. Daartoe vul je eerst maar eens wat gedestilleerd water in een vlakke schaal of bak, waarin de reageerbuis past, en hangt het vrije uiteinde van de lange slang aan een van beide kanten van de brandstofcel er in (zie afb. 90). Dan open je de rode afsluitkap, die je op het korte bovenste stuk slang aan dezelfde kant van de brandstofcel zit en sluit daar de capillaire buis van de spuit op aan. Afb. 90: zo vul je beide kanten van de brandstofcel zonder luchtbellen met gedestilleerd water


Nu trek je, zoals je ziet in afb. 90, met de spuit eerst alle lucht uit slangen en brandstofcel tot het hele systeem gevuld is met water. Dat het vol is, merk je natuurlijk, omdat je spuit zich nu langzaam met water vult. Nadat je de spuit van de korte slang afgetrokken hebt, sluit je de slang snel met de rode afsluitdop. Daardoor vermijd je, dat het water weer terugvloeit in de schaal. Je kunt het beste de slang met duim en wijsvinger afklemmen, voor je de spuit er aftrekt. Hetzelfde doe je aan de andere kant van de brandstofcel, terwijl de uiteinden van de lange stukken slang zich steeds onder het wateroppervlak moeten bevinden. Let er op, dat de waterstand in de schaal voldoende is en bevestig de slangen met een stukje plakband aan de rand van de bak (afb. 91). Zo kun je voorkomen, dat je met de spuit lucht aanzuigt. En tot slot nog één keer de waarschuwing: Vul de brandstofcel alleen met gedestilleerd water! Gebruik geen leidingwater! Afb. 91: zo zou je proefopstelling voor het spitsen van water in de brandstofcel er uit moeten zien


P13 Het splitsen van water in de brandstofcel Bij het kopje boven deze proef denk je beslist, dat je nu proef 9 gewoon weer moet herhalen. Maar je zult al gauw merken, dat jouw brandstofcel een veel betere elektrolyseur is, dan de zelf in elkaar geknutselde aluminiumelektroden in de zoutoplossing ooit zouden kunnen zijn. In de vorige proef heb je al de opbouw van de proef voorbereid, waarmee je nu de elektrolyse van water zult beginnen. De brandstofcel is zonder luchtbellen gevuld met water, alle noodzakelijke elektrische kabels heb je al aangesloten (afb. 89). De uiteinden van de beide lange slangen, die van de brandstofcel komen, bevinden zich onder het wateroppervlak in de bak, die je nog van de vorige proef op tafel hebt staan. Nu hoef je allen nog maar te zorgen voor voldoende belichting van de zonnemodule, om te beginnen met de elektrolyse. De totale opbouw is voor alle zekerheid nogmaals weergegeven in afb. 91. Zodra je de lamp inschakelt, moet het eigenlijk beginnen: de eerste gasbelletjes worstelen zich aan beide kanten van de brandstofcel door de nauwe slangen, verdringen langzaam het water in de lange slangen en bereiken uiteindelijk de bak, waar ze langzaam naar boven parelen. Bedenk maar eens, welke wezenlijke verschillen je in vergelijking met de elektrolyse in de zoutoplossing (proef 9) kunt zien!

50

P14 Kwalitatieve gasanalyses: knalgastest voor het bewijzen van waterstof, glimproef voor het bewijzen van zuurstof Hoe je waterstof kunt aantonen heb je al geleerd. In deze proef zul je bovendien ervaren, hoe zuivere zuurstof het simpelste bewezen kan worden. Maar eerst willen we met het bewijzen van waterstof beginnen. Daartoe moet je natuurlijk eerst overleggen, aan welke kant van de brandstofcel eigenlijk het waterstofgas gevormd wordt. In tegenstelling tot de elektrolyse van de waterige zoutoplossing worden ditmaal aan beide kanten van de brandstofcel gassen gevormd en je ziet, tot je geluk, geen uit elkaar val- verschijningen aan de elektroden. Op grond van je evaluatie van de proeven 9 en 10 weet je echter, dat waterstofgas gevormd wordt via het opnemen van elektronen van het water aan de kathode van een elektrochemische cel (reactie (1) uit het groene gedeelte op pagina 54). Ter herinnering: de kathode is de elektrode, die met de negatieve pool van de zonnecel verbonden is. Als je nu goed kijkt naar de opbouw van proef 13 en de elektrische verbindingen volgt, zul je zien, dat de negatieve pool van de zonnecel (d.w.z. de zwarte kabel) weliswaar van de linkerkant van de auto komt, maar door de stekker éénmaal door de brandstofcel geleid wordt. Het ligt daarom voor de hand te vermoeden dat het aan de rechterkant van de auto gevormde gas waterstof is (in de techniek worden gasflessen die waterstof bevatten, steeds door een rode kleur gekenmerkt. Om dezelfde reden is ook de waterstofgas producerende kant van de brandstofcel rood gemarkeerd!). Als je overigens nog eens goed kijkt, zul je vaststellen dat aan deze kant ook aanzienlijk meer gas geproduceerd wordt. (Hoe snel de gasontwikkeling gaat, zullen we in de volgende proef exact vaststellen.) Om te controleren of het bij het zich aan de rechterkant gevormde gas daadwerkelijk om waterstofgas gaat, zul je de al uit proef 10 bekende knalgastest uitvoeren met dit gas. Je kunt bij elk van beide gasanalyses het beste steeds de andere slang uit de waterbak halen. Daardoor vermijd je de onnodige verwisselingen. De technische uitvoering van de knalgastest hebben we al in de afbeeldingen 78 t/m 81 beschreven. Je brandende kaars heb je vanzelfsprekend al van tevoren klaargezet. Ook voor de rest ken je het verdere verloop van de proef al uit proef 10. Nadat je nu geanalyseerd hebt, dat het aan de rechterkant van de brandstofcel gevormde gas waterstofgas is, voer je dezelfde test ook uit met het aan de andere kant van de brandstofcel gevormde gas. Wat is het resultaat van deze tweede analyse? Natuurlijk, zul je zeggen, hoe kan er ook aan beide kanten hetzelfde gas gevormd worden? Dus is er een nieuwe test nodig. In tegenstelling tot de elektrolyse uit proef 9/10 breng je immers in de brandstofcel heel zuiver (gedestilleerd) water in, zodat een oxidatie van opgeloste ionen net zo als bij reactie (2) van de chloorionen (groene box, blz. 54) niet mogelijk is. Ook het oplossen van de elektroden kun je niet zien, zodat een procedure zoals beschreven in reactie (3) (groene box, pag. 54) beschreven, niet mogelijk is. Wat blijven er dan eigenlijk aan mogelijkheden over? Nou, net zo als je water kunt reduceren en daarbij waterstof kunt produceren, kan men het natuurlijk ook oxideren. En daarbij ontstaat het bekendste oxidatieproduct van water, de zuurstof, waarvan er gelukkig genoeg in de lucht om ons heen zit om te ademen. En natuurlijk is er ook een simpele maar tegelijk overduidelijke test om zuurstof aan te tonen: de glimproef. Voor het uitvoeren van de glimproef heb je naast de tot nu toe gebruikte gereedschappen (reageerbuis en kaars) alleen nog een houtspaander nodig (of een zeer dikke en lange lucifer). Terwijl je nu het gas, dat uit de kleinere tank naar boven parelt, met de reageerbuis opvangt, breng je de punt van de houtspaander tot gloeien (afb. 92). Zodra de reageerbuis helemaal met het gas gevuld is, til je hem omhoog, zonder hem daarbij te draaien. Dan breng je van onderen de nog zwak gloeiende houtspaander in de reageerbuis. Wat zie je? Zuurstof is zoals bekend een zogenaamd brandbevorderend gas, zonder zuurstof moeten alle vlammen doven. Als men nu anderzijds in plaats van lucht, die voor ongeveer 21% uit zuurstof bestaat, zuivere zuurstof tot zijn beschikking heeft, lukt het om vlammen, die al bijna gedoofd zijn, weer tot branden te brengen. Dat is het prin-

51

cipe van de glimproef, die je net hebt leren kennen en met succes uitgevoerd hebt. Toe maar! Je moet er daarbij alleen op letten, dat je reageerbuis werkelijk helemaal met zuurstof gevuld is. Dat zal wat langer dan een half uur duren. En wat gebeurt er dan met de gloeiende houtspaander? Nou ja, we hebben eigenlijk alles al gezegd: “zonder zuurstof moeten alle vlammen doven”. Maar proberen gaat zoals bekend boven studeren. (zie pagina 56 Duitse handleiding) Afb. 92: voor het uitvoeren van de glimproef heb je een zwak gloeiende houtspaander nodig, die je van onderen in de met gas gevulde reageerbuis houdt.


Nu is het natuurlijk weer tijd, om de resultaten van de proef uit te drukken in de formuletaal van de scheikundigen. Door de glimproef heb je immers aangetoond dat er aan de met de positieve pool van de zonnecel verbonden elektrode (de anode) gasvormige zuurstof gevormd wordt. Zuurstof heeft de chemische formule O2. Het kan gevormd worden uit water, chemisch H2O gevormd worden dor afgifte van elektronen e-. Zoals je al weet, wordt deze procedure aangeduid als oxidatie en wordt het chemisch uitgedrukt door de formule: H2O → ½ O2 (↑) + 2 H+ + 2 e-

(4)

De pijl • bij O2 geeft weer aan, dat het gevormde product als gas uit de oplossing ontsnapt. Opdat je niet steeds terug hoeft te bladeren, zullen we hier voor de overzichtelijkheid nogmaals de reactievergelijking van de aan de kathode aflopende reductie van water opschrijven: H2O + 2e- → H2 (↑) + O2-

(1)

De reacties (1) en (4) vinden dus gelijktijdig plaats op verschillende plaatsen in onze brandstofcel. (Waar precies zul je in een later hoofdstuk nog te weten komen) Onze elektronenbalans klopt voorlopig weer uitstekend: de beide aan de anode door een watermolecuul afgegeven elektronen worden aan de kathode door een ander watermolecuul weer opgenomen. Het stroomcircuit is daardoor gesloten. Maar we kunnen onze elektronenbalans nog verder doorvoeren: Aan de anode worden twee H+ - ionen gevormd, die samen met een O2- - ion, dat aan de kathode geproduceerd wordt, direct weer een watermolecuul vormen, als men ze bij elkaar laat komen. En natuurlijk is onze brandstofcel zo gebouwd, dat de beide ionen elkaar weer op een zogenaamd ionen- uitwisselingsmembraan vinden en het watermolecuul kunnen vormen. Nu blijft er van onze beide vergelijkingen werkelijk niet veel meer over: in totaal hebben we maar één watermolecuul gebruikt en daaruit één molecuul waterstof en een half molecuul zuurstof geproduceerd. Om deze hele procedure mogelijk te maken, hoeven er alleen maar twee elektronen door het stroomcircuit te vloeien. Het overblijvende totaal uit beide reactievergelijkingen (1) en (4) willen we nog een keer samen opschrijven: H2O → H2 (↑) + ½ O2 H2 (↑)

(5)

Vergelijking (5) is de zogenoemde totaalformule van de watersplitsing. Dit is een wezenlijk proces, om ook in de toekomst brandstoffen die opgeslagen kunnen worden beschikbaar te kunnen stellen. Door de combinatie van een zonnemodule, die uit zonne-energie stroom kan produceren en een brandstofcel, die deze stroom kan benutten voor de waterelektrolyse, staat ons hier blijkbaar een zeer elegante manier tot onze beschikking om dit belangrijke proces te realiseren. Hoe efficient deze combinatie functioneert, kun je in de nu volgende experimenten direct meten en berekenen.

52

P15 Kwantitatieve metingen van de hoeveelheden gasvorming Nadat we voor de beide gasstromen die bij de waterelektrolyse gevormd worden, de vraag naar het “wat” duidelijk beantwoord hebben, zullen we ons nu wenden tot het “hoeveel?”, de zogenoemde kwantitatieve (de hoeveelheid betreffende) analyse van de gevormde gassen. Voor het meten van de gevormde gashoeveelheden dienen de beide tanks, die je al uit proef 11 hebt leren kennen. Nu kun je de tanks op je auto monteren en met de brandstofcel verbinden. Afb. 93: voor de montage van de gastanks op de auto moet je de van de brandstofcel losgemaakte stukken slang van 17 cm van binnen door de bovenste openingen steken


Eerst trek je daarvoor de beide langere stukken slang voorzichtig weer van de brandstofcel. Dan worden de slangen van binnen door de beide bovenste tankopeningen gestoken (afb. 93) tot de met de afsluitdoppen voorziene uiteinden voelbaar inklikken. Tenslotte wordt de totale tankeenheid in het lege waterbassin op het achterste gedeelte van de auto geschoven, waarbij de grotere waterstoftank aan de rechter, de kleinere zuurstoftank aan de linkerkant van de auto geplaatst wordt (afb. 94). Dat kan een beetje lastig gaan, wat vanwege de later gewenste gasdichtheid echter niet anders mogelijk is. Je moet echter in geen geval geweld gebruiken en er steeds op letten, dat de tanks niet gekanteld zijn. Ter afsluiting verbind je de beide vrije uiteinden van de slangen weer met de juiste buisjes aan beide kanten van de brandstofcel. Nu vul je de brandstofcel weer met gedestilleerd water. Daartoe schenk je eerst maar eens zoveel gedestilleerd water in de achter op de auto aangebrachte voorraadtank, dat deze net niet overloopt. Dan trek je, zoals beschreven in proef 12, aan beide kanten van de brandstofcel met de spuit eerst alle lucht uit de gastank, slangen en brandstof tot tenslotte het hele systeem met water gevuld is. (Vanwege het grote gasvolume, dat zich oorspronkelijk in het systeem bevindt, is het onder omstandigheden nodig, de spuit meer dan één keer te gebruiken, voor het systeem met water gevuld is.) Let er steeds op, dat de vulstand in het watervoorraadvat voldoende is, voor je met de spuit zuigt, omdat je anders eventueel weer nieuwe lucht aanzuigt. Eventueel moet je nog water in de tank bijvullen. En tot slot nogmaals de waarschuwing: vul de brandstofcel alleen met gedestilleerd water! Gebruik geen leidingwater! De juiste aansluitingen van de gas- en elektro- leidingen voor deze proef zijn afgebeeld in afb. 95. Vergelijk de opbouw nogmaals precies met deze tekening, voor je met de meting begint. Je hebt nog een stopwatch of op zijn minst een horloge of een wekker met een secondewijzer nodig. Afb. 94: nu schuif je de gastanks in het waterreservoir, zonder ze daarbij te kantelen


In de tekening is om te zien hoe de aansluitingenverlopen het zonnepaneel er afgehaald Afb. 95: Controleer svp precies, of je ook werkelijk alle gas- en elektro- leidingen juist aangesloten hebt, voor je met de waterelektrolyse begint

(zie pagina 62 Duitse handleiding) Tijdsduur (s)

gevormd Tijdsduur gevormd Tijdsduur gasvolume (ml) (s) gasvolume (ml) (s)

Afb. 96: In deze tabel kun je het bij de elektrolyse vullen van gevormde volume waterstofgas invullen

gevormd gasvolume (ml)

tijdsduur gevormd (s) gasvolume (ml)

Afb. 97: Deze tabel gebruik je voor het inhet gevormde zuurstofgasvolume

53

Afb. 98: zo zou het de ingevulde gashoeveelheid er in afhankelijkheid van de tijd uit moeten zien


Nu begin je met de eigenlijke proef, door de zonnemodule te belichten met de lamp en zo de elektrolyse in gang zet. Omdat de meetwaarden van de proeven 15 en 16 bij proef 17 gebruikt worden om het rendement van de elektrolyse te berekenen, is het bijzondere belangrijk dat je bij al (!) deze proeven steeds vergelijkbare bestralingscondities hebt. Dit bereik je, door de opstelling van lamp en zonnemodule bij alle proeven gelijk te laten en noch de auto noch de lamp verschuift! Maak daarom de zonnemodule weer los van het chassis en plak het vast met plakband. Afb. 99: in deze grafiek kun je jouw meetwaarden uit de tabellen 96 en 97 invullen


Je maakt nu de beslissing bij welke tank je eerst wilt meten en kijkt daar dan heel nauwkeurig naar. Zodra de eerste gasbelletjes de bovenste gasinlaat van de tank bereiken, begin je met de tijdmeting. Na 15 seconden neem je de eerste meetwaarde op, door af te lezen tot aan welke markering de tank nu gevuld is en deze waarde vul je in in de tweede kolom van tabel 96 resp. 97. Elke 15 sec neem je nu een dergelijke meetwaarde op en schrijft die in de tabel. Als de tank helemaal met gas gevuld is, beëindig je de eerste meting. Nu moet je nog met de tabel, die je in proef 11 bij het kalibreren van de tank opgenomen hebt, de gemeten volumewaarde corrigeren, voor zover je geconstateerd hebt dat de schaalverdeling niet helemaal correct is. No beëindig je de elektrolyse heel eenvoudig, door de lamp uit te schakelen. Dan vul je de tanks en de brandstofcel weer volledig en start een tweede elektrolyse, waarbij je nu de volumemeting aan de andere tank uitvoert. Aan het eind van deze tweede meting moet je weer beslissen of je de gemeten volumewaarden nog moet corrigeren. Daarna voer je een zogenoemde grafische evaluatie uit van de zonet door jou gemeten data. Dat betekent: je brengt, zoals aangegeven in afb. 98, de meetwaarden uit de tabellenkolom 1 resp. 3 (tijdsduur van de proef) over op de x- as en 2 resp. 4 (gevormd gasvolume, dat je eventueel gecorrigeerd hebt) op de y- as. Als je alle meetwaarden in afb. 99 ingevoerd hebt, teken je (zoals getoond in afb. 98), een zogenaamde afvlakkingsrechte, die door zo veel mogelijk meetpunten en natuurlijk ook door het nulpunt moet gaan en waarbij de afwijkende meetpunten zo mogelijk gelijk verdeeld boven en onder deze rechte lijn zouden moeten liggen. Dezelfde evaluatie voer je uit met de data van de tweede gasmeting, waarbij je dezelfde grafiek kunt gebruiken. We willen deze grafiek gebruiken, om voor elk gas de snelheid van de vorming ervan te bepalen. In de wetenschap duidt met de snelheid meestal aan als “rate” en spreekt men daarom van gasvormingsrate. Net als bij een auto de snelheid in de eenheid meter per seconde (m/s) of kilometer per uur (km/h) gemeten wordt, gebruikt men voor de gasvorming milliliter per seconde (ml/s) of liter per uur (l/h). Wiskundig gezien is de snelheid niets anders dan de stijging van de rechte lijn, die je in jouw afbeeldingen ingetekend hebt. Men bepaalt deze stijging heel eenvoudig door een zogenaamde stijgingsdriehoek, zoals deze in kleur in afb. 98 ingetekend is. Om het eenvoudig te houden beginnen we met de stijgingsdriehoek precies in het nulpunt van de afbeelding. Zoals je ziet, werd er in het getekende voorbeeld na 100 sec ongeveer 2,7 ml gas gevormd. De gasvormingsrate bedraagt dus 2,7 ml per 100 s oftewel 0,027 ml/s. Uit de beide rechte lijnen in afbeelding 99 bepaal je een vormingssnelheid voor zuurstof en voor waterstof. Hoe verhouden deze beide waarden zich ten opzichte van elkaar? Probeer de verschillende snelheden te verklaren! Aanwijzing: hierbij zou vergelijking (5) je moeten kunnen helpen, die we uit de vorige proef afgeleid hebben. In de tekening is om te zien hoe de aansluitingen verlopen het zonnepaneel er afgehaald

54

Afb. 100: met deze opbouw van de proef bepaal je de elektrolysespanning (zie pagina 64 Duitse handlei-

ding)

In de tekening is om te zien hoe de aansluitingen verlopen het zonnepaneel er afgehaald

Afb. 101: zo moet je de schakeling veranderen, om de elektrolysestroom te meten


P16 Elektrische metingen voor de elektrolyse: bepaling van stroom en spanning Een van de belangrijkste vragen bij de omzetting van een procédé in een technisch proces is het rendement ervan. Onder het rendement verstaat men bij de elektrolyse het aandeel van de in de cel gestoken energie, die uiteindelijk omgezet wordt in de brandstof waterstofgas. Omdat, zoals je al weet, de elektrische energie die afkomstig is van de zonnecel, bepaald wordt door de aangelegde spanning en de daarbij vloeiende stroom, willen we deze beide grootheden in het volgende experiment voor de elektrolyse meten. Je bereidt weer alles voor zoals bij proef 15. Met de spuit trek je zo lang water door de beide tanks en de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder luchtbellen met het gedestilleerde water gevuld zijn. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als in afb. 95. Voor de zekerheid willen we op deze plek nogmaals onze aanwijzing van het laatste experiment herhalen: Omdat je de meetwaarden van de proeven 15 en 16 bij proef 17 zult gebruiken om het rendement van de elektrolyse te berekenen, is het heel belangrijk dat je bij al (!) deze proeven steeds vergelijkbare bestralingsomstandigheden hebt. Dat bereik je, door de opstelling van lamp en zonnemodule bij alle proeven gelijk te laten. De spanningsmeting gaat heel simpel: zoals je al weet, meet men een spanning door de meter parallel met het stroomcircuit aan te sluiten. Daartoe kun je de op het chassis van de auto aangebrachte meetpunten gebruiken, die je zoals in afb. 100 aangegeven met de multimeter verbindt (let op de juiste poling!). Je begint de elektrolyse opnieuw door het inschakelen van de lamp. Je wacht af, tot je de eerste gasbellen in de tanks ziet en leest dan de waarde voor de elektrolysespanning af. Schrijf deze waarde op, omdat je die bij de volgende proef beslist nodig hebt voor de berekening. Volg de elektrolyse nog een paar minuten en controleer op regelmatige afstanden de aangegeven spanningswaarde. Wat stel je vast? Vergelijk de waarde van de elektrolysespanning met de spanningswaarde die de zonnemodule bij nullast resp. op het MPP levert. Waarom zijn deze waarden verschillend? Je kunt de stroommeting gelijk in aansluiting op de spanningsmeting uitvoeren. Schakel de lamp kort uit, om de elektrolyse en daarmee het vloeien van de stroom door de brandstofcel te onderbreken. Voor de stroommeting moet je de multimeter in serie met de andere componenten van het stroomcircuit schakelen. Eén van de mogelijkheden om dit te doen zie je in afb. 101. Nadat je alle elektrische verbindingen correct veranderd hebt, schakel je eerst de multimeter en dan de lamp weer in. Je wacht even tot de elektrolysesnelheid weer heel gelijkmatig verschijnt en leest dan de elektrolysestroom af op de multimeter en noteert ook deze waarde. Volg de elektrolyse nog een paar minuten en lees de stroomwaarde op regelmatige afstanden af. Wat zie je? Vergelijk de waarde van de elektrolysestroom net de stroomwaarde die de zonnemodule bij nullast resp. op het MPP levert. Waarom zijn deze waarden verschillend? P17 Het rendement van de waterelektrolyse We hebben in de beide laatste proeven alle grootheden bepaald die we nodig hebben, om het rendement van de brandstofcel voor de waterstofelektrolyse te berekenen. Voor we echter werke-

55

lijk van start kunnen gaan met het gereken, moeten we eerst nog eens nadenken, omdat het er allemaal op het eerste gezicht misschien nogal gecompliceerd uitziet. Je zult echter in de loop van dit experiment merken, dat het allemaal eigenlijk heel eenvoudig is, als je het principe eenmaal begrijpt. In het algemeen wordt het rendement van een installatie of machine bepaald via de capaciteit (maar ook bij jouw rendement speelt de capaciteit een belangrijke rol: als je maar heel weinig geleerd hebt voor een proefwerk en desondanks een tien haalt, was het rendement heel groot. Als je daarentegen hard geleerd hebt en je haalt desondanks een slecht resultaat, dan was het rendement wel heel er laag!). Om een installatie (hier is het jouw als elektrolyseur werkende brandstofcel) te laten werken, heb je een bepaalde capaciteit nodig. Deze voer je in jouw geval door de in de belichte zonnemodule geproduceerde elektriciteit in de elektrolyseur. Later wil je uit de installatie weer een capaciteit halen. Deze capaciteitsreserve zit in de bij de elektrolyse gevormde brandstof, dus in het waterstofgas. Nu, en het rendement is precies de verhouding (wiskundig uitgedrukt: het quotiënt) van capaciteitsreserve en ingevoerde capaciteit. Deze verhouding kan hoogstens de waarde “1”aannemen, omdat men nooit meer capaciteit uit een installatie kan halen dan men er ingestoken heeft. En als men er helemaal geen capaciteit uit kan halen, bedraagt het rendement “0”, de installatie is in dit geval blijkbaar ondeugdelijk. Afb. 102: het is wel een beetje priegelwerk, om het rendement te berekenen


Bij de elektrolyse heeft de brandstofcel de door de zonnemodule opgewekte capaciteit gebruikt voor de gasproductie. Zoals je al in proef 7 geleerd hebt, is het elektrische vermogen P het product van de aangelegde spanning U en de stroomsterkte I. Met de eenvoudige formule P [W] = U [V] x I [A] (6) kun je dus direct uit de in proef 16 bepaalde waarden de bij de elektrolyse ingevoerde capaciteit uitrekenen en krijg je het resultaat ook nog gelijk in de juiste eenheid Watt [W], voorzover je de spanning in Volt [V] en de stroom in Ampère [A] gemeten hebt. Het bepalen van de bruikbare capaciteit is een beetje gecompliceerder. Zoals gezegd, deze capaciteit steekt in het waterstofgas, dat men in een simpele omkering van de vergelijking (5) (groene box pag. 61) weer tot water kan verbranden: H2 + ½ O2 → H2O

(7)

Dat deze reactie het beste in de brandstofcel zelf uitgevoerd kan worden, zul je in het derde hoofdstuk van deze experimenteerdoos nog uitgebreid kunnen lezen. Hier willen we voorlopig alleen een beetje “spelen” met de getallen. Het vermogen P is heel algemeen de verhouding van de geleverde arbeid resp. energie E tot de daarvoor benodigde tijd t. in formuletaal uitgedrukt is dat P [W] = E [J] / t [s] (8) waarbij de energie E in de eenheid Joule [J] en de tijd t in de eenheid seconde [s] gemeten wordt. Door zeer uitvoerige metingen hebben de chemici uitgevonden, hoeveel arbeid maximaal bij de verbranding van watergas volgens de formule (7) geleverd kan worden. Omdat jij je zeker kunt voorstellen, dat de arbeid die bij de verbranding van een enkel molecuul H2 geleverd kan worden zeer, zeer klein is, heeft in de chemie deze arbeid steeds betrekking op een “mol”. Een mol van een willekeurige stof bevat het onvoorstelbaar grote aantal van 600 quadriljard (dat is een getal met 23 nullen) moleculen van deze stof. Deze vele moleculen nemen bij een gas als waterstof bij een temperatuur van 25 °C en een luchtdruk van 100 kpA (onze normale luchtdruk) een volume van 24 liter (l) in. Als men nu een dergelijke mol waterstof verbrandt, kan men in tabellen, waarin alle desbetreffende data van de chemici staan, voor de daarbij maximale arbeid/ energie een

56

waarde van 237.000 J vinden. Men zegt daarom “maximaal”, omdat men natuurlijk ook ineffectief kan werken en daarbij een groot gedeelte van de mogelijke arbeid als warmte kan verliezen. Afb. 103: nou, zie je wel, het is allemaal best heel simpel te begrijpen, of niet dan?!


Zo, nu hebben we eindelijk alle gegevens bij elkaar, om ook het nuttige rendement te berekenen uit de data, die je in proef 15 bepaald hebt. Daar had je de vormingssnelheid van waterstofgas berekend. Omdat deze waarde berekend werd in “ml/s”, moet je die eerst omrekenen in “mol”. Laten we bijvoorbeeld aannemen, dat de waarde 0,027 ml/s bedroeg, dan zijn dit 0,027/24.000 mol/s (omdat 1 ml overeenkomt met 1/24.000 mol) oftewel 0,000.001.13 mol/s. Per mol bedraagt de maximale energie, die het systeem kan leveren, 237.000 J. Uit de H2- vormingssnelheid van 0,000.001.13 mol/s krijgen we daardoor een geleidingscapaciteit van het systeem van Pout = 0,000.001.13 mol/s x 237.000 J/mol = 0,267 J/s = 0,267 W (9) Het rendement η van onze elektrolysecel is het quotiënt van capaciteitsvermogen en ingevoerde energie (η = Pout / Pin. laten we bijvoorbeeld aannemen, wat we bij onze proef bij de elektrolyse de volgende waarden gemeten hebben: I = 0,22 A en U = 1,62 V. Volgens vergelijking (6) betekent dit, dat we Pin = 0,356 W aan vermogen in de elektrolyse gestoken hebben. In dit geval berekenen we voor η = 0,267 W / 0,356 W = 0,75. Dat betekent, dat 75% van de er ingestoken energie in de brandstof waterstofgas is opgeslagen. Deze energiehoeveelheid kan later weer benut worden, als het waterstofgas bijvoorbeeld in een brandstofcel tot stroom omgevormd wordt. P18 Invloed van licht en schaduw op de splitsing van water Nadat het vorige hoofdstuk zeer zeker nogal moeilijk was, willen we de volgende proef zo inrichten, dat je lekker kunt uitrusten. Daartoe heb je de opbouw nodig, waarmee je al bij proef 15 gewerkt hebt. Vergeet niet, ook hier weer een stopwatch en een potlood en papier klaar te leggen. Je bereidt alles weer net zo voor als bij proef 15 gedaan hebt: met de spuit trek je zolang water door de beide tanks en de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk vrij van luchtbellen met gedestilleerd water zijn gevuld. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als in afb. 95. Nu begin je met de eigenlijke proef, door de zonnemodule te belichten met de lamp en zo de elektrolyse op gang te brengen. Je wacht af, tot de eerste gasbelletjes de tank bereiken, en meet en noteert de tijd die nodig is voor het vormen van 6 ml waterstof nodig is. Dan plaats je de lamp op een twee keer zo grote afstand van de module en noteert weer de tijd, die nodig is voor de vorming van de volgende 6 ml waterstof (zie afb. 104). Daarna zet je de lamp zo dicht mogelijk bij de zonnemodule (denk er aan dat de lamp niet dichter dan 15 cm van de zonnemodule komt, omdat dat tot het smelten van de kunststofverzegeling van de zonnecellen kan leiden) en bepaalt opnieuw de vormingssnelheid van het waterstofgas. Verklaar wat je ziet aan de hand van wat je al weet van de zonnemodule! Afb. 104 (zie pagina 68 Duitse handleiding)

Extra opgave voor de knutselaar: In experiment 4 heb je geleerd, de lampintensiteit te meten met de zonnemodule en de multimeter. Bepaal nu de lichtintensiteit voor alle drie posities van de lamp, die je in deze proef gebruikt hebt. De waarden voor de intensiteit en gasvormingsnelheid vul je in de tabel (afb. 105) in. Dan vul je in een grafiek de desbetreffende vormingsnelheid van waterstof ten opzichte van de lichtintensiteit in (zie afb. 6). Verklaar de samenhang die je ziet tussen deze beide grootheden!

57

Lichtintensiteit 2 (W/m )

vormingssnelheid van waterstof (ml/s)

Afb. 105: In deze tabel kun je de desbetreffende vormingsnelheden van waterstofgas bij verschillende lichtintensiteit (verschillende afstanden tussen lamp en zonnemodule) invullen


Aan het begin van het tweede gedeelte van deze proef vul je de brandstofcel weer volledig met gedestilleerd water en begint de elektrolyse met de lamp in de middelste positie. Zodra de gastanks weer met gelijkmatige snelheid gevuld worden, neem je een blad papier en schaduwt daarmee, zoals je kunt zien in afb. 107, een deel van de zonnemodule af. Zodra je minimaal één zonnecel van de module helemaal afgedekt hebt, zul je merken dat de gasvorming tot stilstand komt. Hoe kun je wat je hier ziet verklaren? Wat zal men in de praktijk doen, om te voorkomen dat het uitvallen van een enkele foto- voltaïsche cel tot het volledig afbreken van de elektrolyse leidt? De antwoorden op deze vragen vind je vind je bij de beschrijving van proef 2 in de groene box op pagina 19. Afb. 106: in deze grafiek kun je waarde- paren invullen uit afb. 105, om de samenhang tussen gasvormingsnelheid en lichtintensiteit te bepalen


Tot slot nog een klein nadenkexperiment. De bij deze experimenteerdoos meegeleverde zonnemodule levert een nullastspanning van ongeveer 3 V. Voor de elektrolytische watersplitsing is een celspanning van minimaal 1,23 V noodzakelijk. Het zou dus theoretisch mogelijk zijn, een zonnemodule met een half zo grote nullastspanning te gebruiken voor deze elektrolyse. Als je dus de zonnemodule uit elkaar zou halen en uit steeds 3 foto- voltaïsche cellen een enkele zonnemodule zou bouwen, zou je de mogelijkheid hebben met elk van deze modules apart de waterelektrolyse te bewerkstelligen. Als je dan de beide modules parallel met elkaar schakelt, en zo voor de stroomvoorziening van de elektrolysecel zou kunnen gebruiken, zou je rustig op één van deze twee modules één of twee zonnecellen kunnen afdekken, zonder de waterstofvorming te onderbreken. Waarom? Afb. 107: wat gebeurt er met de waterelektrolyse, als je één van de zonnecellen van de module volledig uitschakelt? (zie pagina 69 Duitse handleiding)

P 19 Een geduldspelletje: volledige splitsing van al het water in de brandstofcel Het volgende experiment duurt weliswaar heel lang, maar het vraagt niet steeds al je aandacht, zodat je het er gewoon bij kunt doen. Misschien moet je sowieso nog een paar andere dingen doen, terwijl het experiment gewoon doorloopt. Opdat je echter met de resultaten van je bemoeienissen ook wat kunt doen, is het belangrijk de opbouw van de proef alles goed te doen en hierbij – zoals altijd – met volledige concentratie aan het werk te zijn. Je bereidt weer alles voor, zoals bij proef 15: met de spuit trek je zolang water door beide tanks en de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder luchtbellen met het gedestilleerde water gevuld zijn. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als bij afb. 95. Voor deze proef heb je bovendien nog de multimeter, een stopwatch en natuurlijk weer papier en potlood nodig. Je meet de elektrolysespanning, door net zo als in afb. 100 de meter parallel aan het stroomcircuit aansluit op de meetpunten op het voertuigchassis (let op de juiste poling!). Nu begin je met de eigenlijke proef, door de waterelektrolyse te laten beginnen door de belichting van de zonnemodule met de lamp en de tijd alsmede de elektrolysespanning noteert. Dan wacht je af tot de eerste gasbellen de tank bereiken, en noteert de tijd. Om de gasvormingsnelheid te bepalen,

58

meet je nu ook de tijd, die nodig is voor de vorming van 6 ml, 12 ml, 18 ml en 24 ml waterstof en je bepaalt de vormingsnelheid zoals afgebeeld in afb. 98/99. Afb. 108: ja, het duurt een tijdje, tot al het water uit de brandstofcel is verbruikt voor de gasvorming


Je bekijkt de proef in ieder geval net zo lang, tot beide gastanks volledig met waterstof en zuurstof gevuld zijn en de eerste gasbellen in de voorraadtank omhoog borrelen. Nu kun je je rustig terugtrekken en wat anders gaan doen. Je moet echter ongeveer elke 15 tot 20 minuten naar het verloop van het experiment blijven kijken. Zolang de gasbellen bij beide tanks met gelijkmatige snelheid naar boven blijven borrelen en de waarde van de elektrolysespanning praktisch onveranderd blijft, laat je de proef gewoon doorlopen. Zodra je echter bij een controle merkt, dat de snelheid van de gasvorming (aantal belletjes per tijd) duidelijk lager geworden is en gelijktijdig de waarde van de elektrolysespanning eveneens duidelijk gestegen is, is het tijd de proef te beëindigen. Dan is al het water in de brandstofcel verbruikt resp. in waterstof en zuurstof omgezet. Tot aan dat moment kan het wel een halve dag duren. Voor de berekening in de volgende proef is het belangrijk, de tijd van het einde van de proef op te schrijven en de totale tijd van de elektrolyse te berekenen. Afb. 109: het is gewoon verbazingwekkend, welke hoeveelheid gas er uit een enkele druppel water gevormd kan worden (zie pagina 71 Duitse handleiding)

P20 Nog een rekensommetje: hoeveel water zat er eigenlijk in de brandstofcel? Je hebt nu gemerkt, dat de elektrolyse lang doorgaat, zonder dat je ook maar één keer water in de cel nagevuld hebt. Omdat er natuurlijk alleen maar gas gevormd kan worden als er van tevoren ook water in de brandstofcel zat, rijst natuurlijk de terechte vraag: hoeveel water zat er dan eigenlijk in de brandstofcel? Na jouw uitvoerige berekeningen uit proef 17 zou je deze vraag eigenlijk al haast zonder hulp kunnen beantwoorden. Maar hier is desondanks een kleine suggestie: In proef 19 heb je alle benodigde meetwaarden bepaald: gasvormingsnelheid rgas [ml/s] en totale elektrolysetijd ttotaal [s]. Daaruit kun je eerst de totale hoeveelheid gevormd gas Vgas [ml] uitrekenen (om het simpel te houden nemen we aan, dat de gasvorming tijdens de totale tijd van de proef even snel is verlopen): Vgas [ml] = rgas [ml/s] x ttotaal [s] (10) Zoals je nog weet uit proef 17, bevat 1 ml waterstofgas 1/24.000 mol H2. Door eenvoudig met deze factor te vermenigvuldigen bereken je dus, hoeveel mol waterstofgas er gevormd is. De elektrolysevergelijking (5) (pag. 61) geeft aan, dat uit elke molecuul water precies één molecuul waterstofgas wordt gevormd. Dus is de molaire hoeveelheid water, die bij de elektrolyse verbruikt werd, precies evenveel als de molaire hoeveelheid aan gevormd waterstof. Nu ontbreekt er nog één gegeven: 1 mol water komt overeen met 18 ml water. Door te vermenigvuldigen met “18” krijg je dus de hoeveelheid water, die zich in de brandstofcel bevond voor de gasproductie begon. Aan de hand van ons al verschillende keren gebruikte rekenvoorbeeld willen we de berekening nog eens samen uitvoeren: Met een vormingssnelheid van 0,027 ml/s hebben we 4 uur (dat zijn 4.60.60 = 14.400 s) lang waterstof gevormd, dus in totaal 0,027 . 14.400 = 389 ml H2. Dat is 389/24.000 = 0,016 mol waterstof. Daarmee werd dus ook 0,016 mol water omgezet, en dat is 0,016 . 18 = 0,29 ml water, dat zich oorspronkelijk in de brandstofcel bevond.

59

En ben je niet verbaasd, uit hoe weinig water de elektrolyse zoveel waterstofgas kan maken? Overleg maar eens, welke technische consequenties deze zeer grote hoeveelheid waterstof heeft, wanneer je dit onderbrengt in auto’s. Hoe kun je zo’n probleem oplossen? P21 De solaire watersplitsing: beter dan met een lamp? Tot nu toe hebben we alle proeven met elektrolyse uitgevoerd met kunstlicht, wat op onze breedtegraad vaak wel zo eenvoudig is, omdat de zon tenslotte niet elke dag zo mooi schijnt als ons lief is. Je wacht met deze proef tot je op een mooie zonnige dag genoeg tijd hebt een paar proeven uit te voeren met solaire elektrolyse van water. Tja, en wat je dan moet doen, weet je nog heel goed uit de proeven 15 en 16. Het enige verschil bestaat er nu uit, dat er geen lamp is die de zonnemodule belicht. Hier zet je nu de auto zo in de zon, dat die precies loodrecht op de zonnemodule schijnt. Nu vul je de brandstofcel weer zo veel mogelijk zonder luchtbellen met gedestilleerd water, sluit alle elektrische leidingen correct aan en meet eerst de gasvormingsnelheden zoals beschreven in proef 15. Dan haal je de multimeter en meet de elektrolysespanning en de bijbehorende stroom precies zo als je dat al bij proef 16 gedaan hebt. Dan laat je de auto gewoon in de zon staan, om net als in proef 19 de tijd te bepalen die de zon nodig heeft om al het water in de brandstofcel om te vormen tot waterstof en zuurstof. Intussen heb je natuurlijk genoeg tijd om net als in proef 17 ook het rendement van de solaire waterelektrolyse te berekenen. Natuurlijk neem je hiervoor nu de waarden voor gasvormingsnelheid, spanning en stroom, die je net bepaald hebt. Je zult deze keer vast wel veel sneller klaar zijn met deze berekening en je kunt je weer om je langdurige experiment te bekommeren. Omdat de zon langzaam langs de hemel beweegt, moet je de auto steeds een beetje bijsturen, om er zeker van te zijn dat de zonnemodule nog steeds loodrecht door de zon beschenen wordt en niet al een beetje in de schaduw staat. Tenslotte vergelijk je de gasvormingsnelheden en de totale elektrolysetijd van de beide experimenten met kunstlicht en solaire belichting met elkaar. Welke stralingsbron was er nu intensiever? Zijn de snelheden en totaaltijden in gelijke verhouding hoger of lager geworden? En komt deze verhouding overeen met de verhouding van de lichtintensiteit die je al bij proef 4 bepaald hebt? Afb. 110: Bij de waterelektrolyse met zonlicht moet je er op letten, dat de auto steeds naar de zon toegekeerd staat, om optimale elektrolyseresultaten te krijgen


P22 Hoe lang blijft het gas in de tank? Je hebt het waterstofgas leren kennen als een zeer nuttige brandstof, die je door waterelektrolyse kunt opwekken en daarbij in tanks kunt opvangen – en in het volgende hoofdstuk zul je dan ook eindelijk zien, hoe je uit dit gas in de brandstofcel weer stroom kunt winnen. Hier willen we ons echter tot slot nog bezighouden met de vraag, of de kunststoftanks van onze auto eigenlijk wel geschikt zijn als langdurige opslag voor de beide gassen zuurstof en waterstof. Je bereidt weer alles voor als bij proef 15: met de spuit trek je zo lang water door beide tanks en de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder bellen gevuld zijn met gedestilleerd water. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als in afb. 95. Nu begin je met de eigenlijke proef, doordat je de zonnemodule met de lamp belicht en zo de waterelektrolyse laat beginnen. Ditmaal belicht je de zonnemodule net lang genoeg, dat beide gastanks volledig met gas gevuld zijn en aan beide kanten de eerste gasbellen omhoog borrelen. Nu doe je de lamp uit en verwijder je ook de stroomverbinding van zonnemodule naar brandstofcel.

60

Je noteert de tijd, waarop je de elektrolyse beëindigd hebt. Ongeveer 2 uur later ga je weer naar je experimenteerauto, leest op beide gastanks de exacte vulstand af en noteert deze in een geschikte tabel (afb. 11a). Hetzelfde herhaal je nog een of twee keer met dezelfde tijdsinterval en laat dan de opbouw onveranderd de hele nacht staan. De volgende ochtend lees je voor de laatste keer de vulstand van beide tanks af. Uit de tabel, die steeds de tijd en de vulhoogte van beide tanks bevat, maak je zoals je in afb. 111b ziet een grafiek, om de meetwaarden beter te kunnen overzien. Een schema daarvoor vind je hieronder. Probeer wat je ziet te verklaren! Waar naartoe is het gas het meest waarschijnlijk verdwenen? Wat zou er volgens jou veranderd moeten worden, als men van jouw experimenteerauto een technisch product zou willen maken? Afb. 111a: je noteert de desbetreffende vulhoogte van de tanks in bovenstaande tabel


Afb. 111b: Noteer je meetwaarden uit proef 22 in een grafiek (afb. 112)


Afb. 111: nadat beide gastanks volledig gevuld zijn, beëindig je de elektrolyse en kijk je naar de verandering van de vulhoogte in de volgende uren


Afb. 112: Ontwerp van de grafische evaluatie van proef 22


Tot slot nog enige algemene informatie over de huidige technische toepassing van de waterelektrolyse. Hoewel het bij het elektrochemisch winnen van waterstof en zuurstof uit water om een al heel oud technisch procédé gaat, werd in de afgelopen jaren de groeiende behoefte aan waterstof hoofdzakelijk gedekt door de omvorming van aardolie of kolen, omdat dat op het ogenblik goedkoper is. De mogelijkheden van het elektrochemische procédé van de directe waterelektrolyse om te concurreren zijn alleen mogelijk bij zeer lage stroomprijzen. Daarom vind je Bijvoorbeeld grote elektrolyse- installaties alleen in de buurt van waterkrachtcentrales. De grootste installatie bij de Aswan- stuwdam in Egypte bezit een productiecapaciteit van 40.000 m3 waterstof per uur. Je ziet de klassieke brandstofcel voor de technische waterelektrolyse in afb. 113. De schematische opbouw van een zogenoemde bipolaire vind je in afb. 114. Om redenen, die na je experimenten met de waterelektrolyse zeker goed zult begrijpen, vindt de verdere verwerking en het transport steeds onder druk plaats. Deze druk kan al in de elektrolysecel zelf geproduceerd worden. Op dit moment is echter het produceren van drukken boven 50 bar in de brandstofcel nog niet bevredigend opgelost, zodat het gas in de regel naverdicht moet worden. het is te voorzien dat waterstof als energiedrager van een toekomstige energie- economie, die in toenemende mate regeneratieve procédé’s als wind- en zonne-energie een steeds belangrijkere rol zal spelen! Samenvatting In de loop van de achter ons liggende experimenten heb je een heel bijzondere eigenschap van de brandstofcel leren kennen. Deze cel is in staat, vloeibaar water te splitsen in de gasvormige delen waterstofgas en zuurstof. Om deze waterelektrolyse voor elkaar te krijgen, is het alleen maar noodzakelijk een geringe spanning van buitenaf op de brandstofcel aan te leggen. Deze wordt in ons geval door de zonnemodule aan de brandstofcel geleverd. De beide gassen worden aan verschillende kanten van de brandstofcel geproduceerd en kunnen daarom zonder problemen in gescheiden tanks verzameld worden. Je hebt gezien, met welke methoden het kwalitatief bewijzen van de beide gassen mogelijk is (knalgas- en gloeiproef). Door het meten van de gasvormingsnelheid en de daarbij vloeiende elektrolysestroom alsmede van de bijbehorende spanning is het heel simpel het rendement • van

61

de waterelektrolyse te bepalen. Als je de zon gebruikt in plaats van je bureaulamp, stel je vast dat de gasvormingsnelheid duidelijk hoger is. De zeer eenvoudige tanks van jouw experimeenteerauto zijn helaas niet geschikt voor langdurige opslag van de gassen. In het volgende hoofdstuk zul je ervaren, hoe de geproduceerde gassen weer gebruikt kunnen worden voor het prfroduceren van stroom. Afb. 113: Al meer dan 100 jaar geleden voerde prof. Hofmann de eerste onderzoekingen betreffende de elektrochemische splitsing van water uit en gebruikte daarvoor het bovenstaande apparaat. Onze cel is gelukkig veel compacter!


Afb. 114: principe- opbouw van een bipolaire waterelektrolysecel, 1 – 3 zijn de elektroden, 4 is het diafragma voor het scheiden van de gasruimten


Brandstofcel Veiligheidsaanwijzingen Bij het omgaan met de brandstofcel moet je op het volgende letten: Waterstof kan onder bepaalde omstandigheden explosieve gasmengsels vormen. Weliswaar zijn de in dit boek weergegeven experimenten zo ontworpen dat de uitvoering ervan op de beschreven manier ongevaarlijk is, maar toch moet er op de volgende aanwijzingen gelet worden: • De brandstofcel mag niet zonder toezicht gebruikt worden. • Waterstof (H2) is veel lichter dan lucht en stijgt daarom snel op. In combinatie met zuurstof kan er een knalgasmengsel ontstaan, dat kan ontploffen. Een explosief knalgasmengsel ontstaat bij volume- aandelen van 4,0 tot 77,0 % in de lucht. Daarom geldt: • De brandstofcel mag alleen in de openlucht of in voldoende geventileerde ruimtes gebruikt worden. • Zuurstof (O2) is een sterk oxiderend gas. Bij contact met organische substanties (b.v. olie, vetten) kan dat al bij kamertemperatuur tot een verbranding komen. Veiligheid van waterstof: vergelijking met andere energiedragers Waterstof is een brandbaar gas, dat kan exploderen, dat weliswaar in vergelijking met aardgas qua veiligheid andere veiligheidseigenschappen heeft, maar in totaal echter qua gevarenpotentie in dezelfde risicoklasse valt. Zo kan waterstof onder druk vergeleken worden met aardgas onder druk en vloeibare waterstof met vloeibaar aardgas. De risico’s liggen eerder (onafhankelijk van het gebruikte gas) in de drukniveaus. Terwijl bijvoorbeeld het parkeren van auto’s met vloeibaar gas (of het nou waterstofgas of aardgas is) in parkeergarages verboden is, is dat voor auto’s met aandrijving door gas onder druk (of het nou om aardgas of waterstofgas gaat) toegestaan. Interessant is het feit, dat bij waterstof de onderste ontbrandingsgrens bij 4 volumeprocent en de detonatiegrens bij 18 volumeprocent, en daardoor bij sterk verschillende mengsels liggen en anderzijds de minimale ontstekingsenergie met 0,02 mJ zeer klein is. Zo neigt waterstofgas er toe voor het bereiken van een ontplofbaar mengsel af te branden. Een ongeluk, dat een treurige beroemdheid kreeg, was het ongeval met de met waterstof gevulde zeppelin hindenburg in het jaar 1937. De zeppelin hindenburg was in het Amerikaanse Lakehurst bij onweersachtige weersomstandigheden in brand gevlogen, waarschijnlijk door het overspringen van elektriciteit tussen een di-elektrische lak en de metalen steunconstructie. Het waterstof brandde bij een lage temperatuur. Gelijktijdig zakte de zeppelin naar de grond.

62

De passagiers die er niet in paniek uitgesprongen waren, konden vluchten. Als het luchtschip geexplodeerd was, waren er waarschijnlijk noch overlevenden noch filmopnamen van de catastrofe geweest. In tegenstelling tot waterstof ontwikkelt elke koolstof- en zwavelhoudende energiedrager bij de verbranding een sterke hittestraling, alsmede een sterke roetontwikkeling. Afb. 115: Zeppelin – luchtschip (zie pagina 76 Duitse handleiding)

P23 Het beweegt! Je hebrt nu al een hele serie experimenten uitgevoerd, die je laten zien hoe stroom met behulp van zonnelucht geproduceerd wordt door zonnecellen en hoe de brandstofcel water kan splitsen in de bestanddelen zuurstof en waterstof. Daarbij heeft de brandstofcel steeds als elektrolyseur gewerkt. In de volgende proeven wordt de brandstofcel zijn andere kracht laten zien: Laad eerst de waterstof- en de zuurstoftank vol en maak dan de aansluitingen van de zonnemodule los. Houd de auto dan zo, dat de voorwielen geen contact met de grond hebben en sluit de motor aan op de brandstofcel, zoals je dat ziet in de volgende afbeelding: Afb. 116: motor, aangesloten op brandstofcel (zie pagina 76 Duitse handleiding) Afb. 117: opbouw voor de schakeling uit afb. 116 (zie pagina 77 Duitse handleiding)

Wat gebeurt er? De motor begint te lopen. Nu kun je de auto voorzichtig neerzetten en laten rijden. Je hebt dus net eden auto gebouwd met brandstofcel- aandrijving! Hoe komt het dat de motor loopt? De motor heeft toch stroom nodig, om te lopen. Als hij begint te lopen nadat je de brandstofcel aangesloten hebt, dan betekent dat dus, dat de brandstofcel de stroom produceert. Maar waar komt die stroom vandaan? Om dat beter te begrijpen, kijk je eens precies naar de beide gastanks. Terwijl de auto rijdt, gaat dat natuurlijk niet zo goed. Je kunt de vooras eenvoudig op een bok zetten, om de tanks in alle rust te bekijken. Afb. 118 Afb. 119: auto op bok

(zie pagina 77 Duitse handleiding) Als je precies kijkt, dan zie je dat het water in de tanks langzaam maar onophoudelijk in de tanks omhoog stijgt. Dat is echter alleen mogelijk, als de gasvoorraad afneemt. We herinneren ons: bij de elektrolyse (proef 15) was het precies omgekeerd. Gas verdrong het water in de tanks. Om gas te produceren, moest de zonnemodule als stroombron aangesloten worden. Nu is het omgekeerd: de gassen waterstof en zuurstof stromen uit de tanks in de brandstofcel terug, en daar worden ze weer tot water omgevormd. Bij dit procédé wordt stroom geproduceerd! Brandstofcel I: Hoe functioneert de brandstofcel? Jouw brandstofcel is een reversible PEM- brandstofcel. De afkorting PEM heeft betrekking op het membraan, dat de zuurstofkant scheidt van de waterstofkant. De letters PEM staan voor ProtonExchange- Membrane (Engels; in het Nederlands: protonenuitwisselingsmembraan). Als membraan voor jouw brandstofcel wordt een folie uit de polymeer nafion gebruikt. Er zijn ook andere procédé’s om waterstof- en zuurstofkant van elkaar te scheiden (zie box “Brandstofcel II”).

63

Reversibel betekent, dat de processen die zich daarin afspelen, in beide richtingen mogelijk zijn, dus dat de cel zowel als brandstofcel en als elektrolyseur kan werken. De elektrische contactplaten (elektroden) in jouw brandstofcel hebben verschillende namen, tenslotte gebeurt er ook iets verschillends: de elektrode aan de waterstofkant wordt als anode aangeduid, de elektrode aan de zuurstof als kathode. Aan de anode worden elektrisch neutrale waterstofmoleculen (die in de watertank opgeslagen worden0 onder afgifte van elektronen geoxideerd tot waterstofionen. De daardoor positief geladen waterstofionen ‘wandelen’ door het polymeerelektrolyt- membraan heen naar de negatief geladen kathode. Het membraan is zo gemaakt, dat de waterstofionen, die ook aangeduid worden als protonen, er doorheen kunnen, de grotere zuurstofionen echter niet (daarom de naam protonenuitwisselingsmembraan). Aan de kathode reageren de waterstofionen met de daar aanwezige zuurstof en de elektronen, die via de elektrische kabel toegevoerd worden, tot water. De waterstofionen en zuurstofionen worden in zekere zin weer tot watermoleculen samengevoegd. Waar het bij de elektrolyse nodig was energie in de scheiding van de watermoleculen te steken, krijgen we nu bij het samenvoegen van de ionen tot water weer energie terug. Op deze manier komt het tot een elektrische spanning, die op de brandstofcel aanligt. Als nu op de anode en kathode weer een elektrische verbruiker wordt aangesloten, b.v. een elektromotor, dan vloeien de elektronen van de anode naar de kathode, er vloeit dus een elektrische stroom en de motor loopt. De elektronen zelf worden bij de plaatsvindende reacties niet veranderd, omdat de omzetting van zuurstof en waterstof katalytisch afloopt. Men spreekt van een “koude verbranding”, want er ontstaat geen vlam. Er wordt bij de reactie echter wel warmte afgegeven. Misschien kun je voelen dat de brandstofcel warmer wordt. Chemisch verlopen de volgende procedures aan de elektroden van de brandstofcel als volgt: Anode: 2H2 → 4 H+ + 4 eElektronenafgifte (oxidatie) Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O Elektronenopname (reductie) Totale reactie: 2 H2 + 2 O2 → 2 H2O De vorming van het water aan de kathode (zuurstofkant) kun je overigens heel mooi bekijken. Let er maar eens op, hoe de brandstofcel stroom produceert. Hoe sterker de stroom is die er vloeit, des te sneller wordt het water uit de gassen waterstof en zuurstof teruggevormd (zie ook proef 32). Afb. 120: waterstof- en zuurstofmoleculen worden met elkaar verbonden tot water (weergave)


Brandstofcel II: verschillende types brandstofcellen Naast jouw brandstofcel bestaan er ook nog andere types brandstofcellen (in het Engels: Fuel Cell, FC). Ze verschillen in de elektrolyten en ingezette gassen, waardoor er weer verschillende werktemperaturen ontstaan. Tot de brandstofcellen met lage temperaturen horen de alkalische brandstofcel (AFC), jouw membraanbrandstofcel (PEMFC), de direct- methanol- brandstofcel en de fosforzuurbrandstofcel (PAFC). Ze werken met waterstof, die b.v. via elektrolyse van water of omzetting van aardgas, biogas (methaan) of methanol geproduceerd wordt.

64

Tot de brandstofcellen met hoge temperaturen horen de carbonaatsmelt- brandstofcel (MCFC) en de oxide- keramische brandstofcel (SOFC), die ook geschikt zijn voor directe toepassing van koolgas. In het overzicht zie je de verschillende types brandstofcellen in de tabel rechts: Mischien kun je nog iets vaststellen: voel de temperatuur van je brandstofcel maar eens. Is die hoger of lager dan voor het gebruik? De cel is warmer geworden. Bij de omvorming van de gassen is er niet alleen stroom geproduceerd, maar ook warmte. Verdere uitleg daarover vind je bij proef 33. Laten we alles eens samenvatten. Als de motor aangesloten wordt op de brandstofcel (de gastanks moeten natuurlijk met zuurstof en watersof gevuld zijn), dan • begint de motor te draaien en • de gasvoorraden worden kleiner. En waarom dat zo is, weten we nu ook! Afb. 121: William Grove

(zie pagina 79 Duitse handleiding) Brandstofcel III: historische ontwikkeling In het jaar 1794 begon de Italiaanse natuurkundige Allessandro Volta (1745 – 1827) met experimenten voor de elektrochemische stroomopwekking, nadat hij eerst plaatcondensatoren had ontwikkeld. Hij dompelde een zink- en een koperstaaf in verdund zwavelzuur en produceerde zo een elektrische spanning, die ongeveer 1 V bedroeg. Te zijner eer wordt de elektrische spanning in Volt aangegeven. De Engelse natuurkundige Sir William Robert Grove (1811 – 1896) geldt als de ontdekker van de brandstofcel. Al in 1839 toonde hij in zijn laboratorium het principe van de werkwijze. Hij onderkende, dat er bij de splitsing van water in zuurstof en waterstof een chemische reactie plaatsvond, die hij beschreef als “koude verbranding”. In zijn “gasketen”, een opstelling bestaande uit meerdere platina- elektroden in zwavelzuur, die door waterstof en zuurstof omspoeld werden, produceerde hij een spanning van ca. één Volt. Hij vond ook uit, dat deze reactie herhaalbaar (reversibel) was. Afb. 123a) : brandstofcel (1839) en b? gasketen (1842)

(zie pagina 79 Duitse handleiding) Benaming

Elektrolyt

Anodegas

Kathodegas

Werktemp.

Stand

AFC Alkaline Fuel Cell

kaliloog

waterstof

zuurstof

onder 80 °C

commercieel ontwikkeling

PEMFC Proton Exchange membrane Fuel Cell

polymeermembraan

waterstof (direct zuurstof of of uit omzetting luchtzuurstof van methaan of methanol

tot 120 °C

ontwikkeling

DMFC Direct methanol Fuel Cell

polymeer-

methanol

90 – 120 °C

ontwikkeling

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell

fosforzuur

waterstof (direct luchtzuurstof uit omzetting van methaan)

200 °C

ontwikkeling

luchtzuurstof

65

MCFC

gesmolten alkalicarbonaat

waterstof methaan koolgas

luchtzuurstof

650 °C

ontwikkeling

SOFC

oxide-keramisch waterstof elektrolyt methaan koolgas

luchtzuurstof

900 – 1000 °C

ontwikkeling

Afb. 122: verschillende brandstofceltypes (voor de Nederlandse benamingen zie de box Brandstofcel II)

Door technische problemen, vooral ontbrekende stabiliteit van de gebruikte materialen, alsmede vanwege de ontwikkeling van draaistroomgeneratoren raakten de brandstofcellen in de vergetelheid. Daaraan veranderde ook het feit niets, dat al aan het eind van de 19e eeuw Wilhelm Ostwald (1853 – 1932) bewees, dat brandstofcellen ten opzichte van warmte- kracht- machines een aanzienlijk hoger rendement hadden. Pas voor de toepassing in ruimtevaartuigen en onderzeeboten werd de brandstofcel herontdekt. Zijn eigenschap energie zeer effectief om te vormen, maakt hem juist ook vanwege het aspect van de milieubescherming interessant. Afb. 124: waterstof-zuurstofcel voor toepassing in de Apollo- ruimtecapsules


P24 De motor op gang brengen Als de auto stopt omdat er opnieuw getankt moet worden, dan weet je wat je moet doen: de elektrische verbinding van de brandstofcel met de motor wordt onderbroken en de zonnecellen worden weer op de brandstofcel aangesloten. De zon zorgt voor de rest. Om natuurkundige redenen wordt het presteren van de brandstofcel bij iedere doorloop beter. Het loont dus de moeite, de elektrolyse meerdere keren uit te voeren. Het kan zijn dat pas dan de auto rijdt tot de hele tank leeg is. Ook als je de auto langere tijd niet gebruikt of alleen maar ’s nachts laat staan, is het zinvol de elektrolyse meerdere keren te laten plaatsvinden, of het water te vervangen. Dat helpt altijd! Maar wacht daar nog een ogenblik mee. Zo lang de waterstof- en zuurstofvoorraad nog opgebruikt, de tanks dus “leeg” zijn, kunnen we eerst nog wat anders uitproberen! Wanneer er namelijk een spanningsbron nodig is om de motor aan het draaien te krijgen – hoe gaat het dan als je de motor draait? Wordt er dan spanning opgewekt? Dat proberen we gelijk uit. Doe motor moet gierbij voorlopig nog niet op de brandstofcel aangesloten zijn. Afb. 125: motor alleen (zie pagina 80 Duitse handleiding)

Draai nu voorzichtig de wielen, die via de aandrijving met de motor verbonden zijn. met een stift in de spaken kun je wielen goed laten draaien. Maar voorzichtig: begin niet meteen te hard te draaien, omdat anders de wielas in de behuizing zou kunnen glijden – er zou dan geen kracht op de motor overgebracht kunne worden. Afb. 126: draaien met stift in de spaken (zie pagina 80 Duitse handleiding)

Eventueel moet je met de andere hand de aandrijving zo vasthouden, dat deze bij het draaien van de wielen niet heen en weer wiebelt. Na een paar omdraaiingen haal je de stift er weer uit en kijk je precies, hoe lang de wielen nog doorlopen en hoe makkelijk of moeilijk het was, de wielen aan het draaien te krijgen. Als je in ver-

66

gelijking daarmee de achterwielen laat draaien, zul je merken dat die veel langer blijven draaien. Blijkbaar remt de aandrijving af. P25 De andere draai Herhaal nu de proef (nog steeds met lege tank), ditmaal echter met aangesloten brandstofcel, zoals weergegeven in afb. 128. Afb. 127: motor aangesloten op brandstofcel (zie pagina 81 Duitse handleiding)

Breng de motor met de stift zoals hiervoor weer op gang en haal de stift er dan weer uit. Wat gebeurt er nu? Kun je het verschil met de vorige variant vaststellen? Zo ja, welk verschil is er? In tegenstelling tot de eerste keer (proef 24) stoppen de wielen niet gelijk met draaien, maar ze blijven nog even doordraaien. Ze kunnen alleen wat moeilijker in beweging gebracht worden. Hoe zijn deze verschillen te verklaren? Door het draaien van de motor wordt er een spanning opgewekt. Als de motor op de brandstofcel is aangesloten, dan ligt de spanning ook aan op de brandstofcel, waarin onmiddellijk water in waterstof en zuurstof gesplitst wordt. De gashoeveelheden, die in de korte tijd van de omdraaiingen opgewekt worden, zijn weliswaar zo gering dat je ze niet als opstijgende belletjes kunt zien, maar de gassen zijn toch aanwezig. Als je nu stopt met draaien, levert de motor geen spanning meer. De zonet geproduceerde kleine hoeveelheden waterstof en zuurstof worden echter in de brandstofcel gelijk weer tot water omgevormd, waarbij weer een spanning opgewekt wordt. En deze spanning brengt de motor, die nog op de brandstofcel is aangesloten, weer aan het draaien. Daarom loopt de motor nog even door en houdt niet direct weer op zoals dat in de vorige proef 24 het geval was. De weerstand ervan en de daaraan afvallende spanning zorgen ervoor, dat de motor moeilijker aangedraaid kan worden. In plaats van een van de wielen met een stift aan te draaien, kun je de auto ook in zijn geheel op de grond aanschuiven: eenmaal zonder en eenmaal met aangesloten brandstofcel. Ook dan zou je een verschil in het nalopen moeten kunnen vaststellen. het verschil is echter duidelijker te zien bij de stiftvariant. Afb. 128: opbouw voor de schakeling van afb. 129; spanningsbereik 2000 mV=


P28 Metingen aan de dynamo Dat er in de motor daadwerkelijk een spanning opgewerkt wordt, kan ook op de volgende manier aangetoond worden. Sluit daartoe de multimeter aan op de motor (de motor moet nu weer losgekoppeld zijn van de brandstofcel, zoals je in afb. 128 en 129 ziet. Draai de wielen zoals hiervoor. Wat geeft de multimeter aan? Hoe sneller je de motor draait, hoe hoger is de spanning die opgewekt wordt en op de digitale meter aangegeven wordt. Komt je dat met de opwekking van spanning door een draaiende motor misschien bekend voor? Natuurlijk! Er gebeurt niets anders dan wanneer je fietst en de dynamo ingeschakeld hebt. Onze motor werkt dus als een dynamo. Afb. 129: spanningmeter aan de motor (zie pagina 82 Duitse handleiding)

Als op de dynamo een elektrische verbruiker aangesloten wordt (of dat nu de brandstofcel is of de verlichting van je fiets), dan leidt de elektrische weerstand ervan en de daarop afvallende spanning tot het remmen van de dynamo, die daardoor moeilijker loopt.

67

Meet nu nog de spanning, als je de wielen draait, terwijl de motor (dynamo) op de brandstofcel aangesloten is (afb. 130 en 131). Afb. 130: spanningsmeting op motor + brandstofcel (zie pagina 82 Duitse handleiding)

Ook dan wordt er weer een spanning opgewekt. Is deze spanning lager of hoger dan in het geval met de niet aangesloten brandstofcel? Probeer het verschil te verklaren. Laten we het samenvatten. Onze motor werkt als dynamo, de brandstofcel als elektrolyseur en opslag. En als de motor niet met de hand verder gedraaid wordt, dan wordt hij door de cel, die nu als spanningsbron dient, van stroom voorzien en aangedreven. Overigens: Dit effect maakt het bij elektro- auto’s die aangedreven worden door batterijen mogelijk bewegingsenergie op te slaan in de accu! En ook de trein gebruikt hetzelfde principe. Als een trein geremd wordt, dan wordt de bewegingsenergie in de nu als dynamo werkende elektromotoren omgezet in een spanning, die gevoed wordt aan de bovenleiding en op deze manier aan andere treinen ter beschikking gesteld wordt. In waterkrachtcentrales wordt de bewegingsenergie van het naar beneden vallende water gebruikt, om stroom op te wekken. Het vallende water drijft via reusachtige turbines dynamo’s aan (ook wel generatoren genoemd) en produceert op deze milieuvriendelijke manier stroom. Afb. 131: opbouw voor de schakeling van afb. 130 (zie pagina 82 Duitse handleiding)

P29 Bereik van de auto laten we eens kijken hoe ver en hoe snel je auto kan rijden, als hij volgetankt is. Laad de auto op, tot de tanks met waterstof resp. zuurstof gevuld zijn. Dan kan het beginnen resp. vertrekken. Een traject is het makkelijkst te meten als het lijnrecht is. Dat hoef je dan alleen nog maar met een centimeter op te meten. Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Want het is helemaal niet zo gemakkelijk de auto ervan te overtuigen echt rechtuit te rijden. En zelfs als dat gebeurt, moet het traject nog vrij zijn van obstakels. Daarom behelpen we ons met een trucje. We laten de auto gewoon in een cirkel rijden. Dan hoeven we alleen maar het aantal rondjes te tellen die de auto aflegt en te overleggen hoe lang een rondje is… En als je de tijd opneemt die de auto voor de hele rit nodig heeft, kun je ook nog de snelheid ervan berekenen. Zet voorlopig de wielen maar in de richting van een bocht. De bocht moet natuurlijk zo uitgezet zijn, dat de auto nergens tegenaan kan stoten. Aan de andere kant mag de bocht niet te krap zijn, omdat anders de achterwielen tamelijk hard zouden slepen. Eventueel moet je de schroef, waarmee motor, aandrijving en voorwielen aan de carrosserie bevestigd zijn, met een schroevendraaier vastdraaien (voorzichtig, niet te vast aandraaien!), zodat de ingestelde straal niet verandert. Markeer de startpositie en daar gaan we. De auto zal heel wat rondjes rijden. Tel de ronden. Let er daarbij ook op of de cirkel waarop de auto rijdt niet enigszins verloopt. Je kunt een paar punten van de cirkel b.v. met krijt of met plakband markeren. Het komt er daarbij ook niet heel precies op aan dat de auto exact op dezelfde lijn van de cirkel rijdt. Waarschijnlijk zullen de cirekels een beetje verschuiven. Afb. 132: markeren van de cirkel (zie pagina 83 Duitse handleiding)

Hoeveel rondjes heeft de auto gereden? Aantal ronden = ………….. Hoelang heeft de auto daarover gedaan?

68

Tijd = ……………. s (Aanduiding in seconden) Bepaal nu de diameter van de cirkel. Daartoe moet je twee tegenover elkaar liggende punten nemen. Afb. 133: diameter van de cirkel (zie pagina 83 Duitse handleiding)

Noteer de diameter van de cirkel gelijk in meters (b.v. 120 cm = 1,2 m) Diameter = …………. M De afstand die je auto bij het ronddraaien afgelegd heeft, dus de omvang van de cirkel, wordt dan als volgt berekend: Omvang = π . diameter De Griekse letter π (spreek uit als “pi”) staat voor de getalwaarde 3,1415926…Misschien zit π ook op je rekenmachine. Reeds de Griekse wis- en natuurkundige Archimedes (ca. 287 – 212 v. Chr.) kende het getal π met vele cijfers achter de komma. Voor onze resultaten is het voldoende de door jou gemeten diameter te vermenigvuldigen met 3,14, dan heb je zo ongeveer de omvang van de cirkel. Omvang = π . diameter = 3,14 x ………. m (jouw waarde) = ………. m (jouw resultaat) Nu vermenigvuldig je de op deze manier bepaalde omvang met het aantal rondes en dan weet je, welke afstand de auto afgelegd heeft. Afstand = aantal rondes . omvang = ……… . ……… (jouw waarden) = ……… m

(jouw resultaat)

Als de cirkel b.v. een diameter had van 1,2 m, en de auto heeft 53 ½ ronden afgelegd, dan heeft hij: afstand = 53,5 x π . 1,2 m = 201,6 m dus ruim 200 m, gereden. En hoe snel heeft hij (gemiddeld) gereden? Daartoe hoef je alleen maar de gemeten resp. berekende waarden in de volgende formule in te vullen: Snelheid = afstand / tijd = ……..m / ……… s (jouw waarden) = …….. m/s (jouw resultaat) Afb. 134: onderbreking van de zuurstoftoevoer


69

P28 Een luchtige aangelegenheid V oor de werking van de brandstofcel zijn waterstof en zuurstof nodig, en die krijg je uit de splitsing van water. Goed, waterstof kun je nu eenmaal niet zo maar in de supermarkt kopen (tenminste op dit moment nog niet). Maar zuurstof is toch overal! Tenslotte bestaat de lucht die we inademen, voor ongeveer 20% uit zuurstof. Zou de brandstof dan ook met de zuurstof uit de lucht kunnen werken? Laten we dat eens uitproberen! Laad de tanks zoals gebruikelijk op. Als ze vol zijn, onderbreek je de gastoevoer van de zuurstoftank naar de brandstofcel door de slang te knikken en met de metalen gleuf vast te zetten (afb. 134). Daarna trek je de zo gesloten lange slang en ook het korte stuk slang van 5 cm behoedzaam van de brandstofcel af. Nu kan er door beide openingen lucht in de brandstofcel komen. Afb. 135: vrijgemaakte openingen (zie pagina 84 Duitse handleiding)

Nu kun je de “luchtige“ proef starten door de motor aan te sluiten. En, wat gebeurt er? De auto rijdt ook met luchtvoorziening. Om te vergelijken of de auto zich qua duur gelijk of anders verhoudt, kun je de auto het beste weer met dezelfde bochtinstelling in een cirkel laten rijden als bij proef 27. Tel weer het aantal ronden die de auto rijdt. Wat kun je vaststellen? Probeer wat je ziet te verklaren. Voor je verder gaat met de volgende proef, maak je de slangverbinding tussen brandstoftank en brandstofcel weer in orde, verwijder je de metalen keep en sluit je ook het korte stuk slang voor het doortrekken van het water weer aan. P29 Een lift met waterstofaandrijving je hebt vast al wel de rode draadrol en de draad gezien bij de accessoires, en misschien kun je zelf al wel bedenken waarvoor ze gebruikt zullen worden. in de volgende proeven zullen ze gebruikt worden. Het chassis van de auto is zo geconstrueerd, dat hij ook tot lift omgebouwd kan worden. Daarmee kun je bijvoorbeeld een gewicht omhoogtrekken: van vloer op de kast, van de tuin op het balkon…en daarnaast kunnen we ook het vermogen van de lift bepalen. Afb. 136: bevestiging van de draad met behulp van een stukje plakband


Voor de montage verwijder je eerst het zonnepaneel. Als volgende komt de vooras aan de beurt. Maak de schroef waarmee de aandrijving op het chassis bevestigd is, los. Verwijder de aandrijving behoedzaam de aandrijving met de motor en op zijn minst het wiel dat zich aan de kant van de motor bevindt, zodat je de draadrol zoals afgebeeld op de as kunt schuiven. Dat vraagt een beetje geduld, omdat de draadrol maar moeilijk verschoven kan worden. Dat moet echter ook zo zijn, hij moet tenslotte ook vast op de as zitten en niet wegglijden. Plaats dan de aandrijfunit, zoals afgebeeld in afb. 138, in het chassis. Bevestig de draad, zoals afgebeeld in afb. 136, met een stukje plakband op de draadrol. Daarna plaats je het zonnepaneel weer. Afb. 137: In elkaar zetten in de nieuwe positie


Is er weer water door de tank en door de brandstofcel getrokken? Als de tanks weer gevuld zijn met waterstof en zuurstof, kan de lift beginnen met zijn werk. Hij kan net zo in- en uitgeschakeld worden als de auto.

70

Let er op, dat de lift niet door een te zwaar gewicht gaat kantelen. Je kunt het chassis extra stabiliseren met een klosje van passende hoogte onder de houder van de motor/ aandrijving (zie afb. 139). Afb. 138: paperclip als haak voor het gewicht


Afb. 139: klosje als oplegvlak voor het opstaande chassisdeel

(zie pagina 86 Duitse handleiding) Afb. 140:


P30 Welk vermogen levert de lift? Wat presteert de lift, dus welk vermogen heeft hij? Daartoe roep je kort in herinnering, hoe het vermogen berekend wordt (zie ook proef 5): Vermogen is energie per tijd, of om met de gebruikelijke afkortingen te werken: E P = -t Als de energie een gewicht omhoogtilt, is daar een bepaalde energie voor nodig. Hoe korter de tijd is, die de lift nodig heeft om het gewicht omhoog te tillen, hoe groter is het vermogen waarmee hij dat voor elkaar krijgt. Welke energie wordt hier eigenlijk bedoeld? Als een voorwerp b.v. van de vloer naar de hoogte van de tafel getild wordt, dan wordt de plaats- energie van dit voorwerp groter, want de (hoogte-) plaats van het voorwerp is verhoogd. Deze plaats- energie wordt overigens ook aangeduid als “potentiële” energie, afgekort met Epot. Hoe groter het hoogteverschil is, hoe groter is ook de potentiële energie van het voorwerp. (als er een voorwerp op onze voet valt, dan doet dat in het algemeen zeer. (Als datzelfde voorwerp van een nog grotere hoogte op de voet, dan is dat duidelijk onaangenamer). Voor de berekening van de potentiële energie kunnen we de volgende formule gebruiken: Epot = m x g x h Daarbij hebben de gebruikte aanduidingen de volgende betekenissen: Epot potentiële energie, berekend in J (Joule) m massa van het opgetrokken voorwerp, gemeten in kg (kilogram) g aardversnellingconstante; op onze breedtegraad ongeveer 9,81 m/s2 h hoogteverschil, gemeten in m (meter) Als de lift bijvoorbeeld een gewicht met eden massa van 100 g (dus 0,1 kg) twee meter omhoog moet trekken, dan bedraagt de daarvoor benodigde energie Epot = m x g x h = 0,1 kg x 9,81 m/s2 x 2 m = 2,0 Nm = 2,0 J

71

En als de lift dat in , laten we zeggen, 35 seconden doet, dan is het vermogen P 2J P = --- = 0,057 W 35 s Nu beginnen we echter met de meting: je hebt nog een weegschaal, een meetlint en een stopwatch nodig. Kies een passend gewicht uit. Het moet niet te licht maar ook niet te zwaar zijn. (Als het te zwaar is, dan slipt de draadrol op de as of de as in de aandrijving. Bovendien zou de hele opstelling kunnen kantelen) met een gewicht met een massa van 100 g kun je goede resultaten behalen. Het gaat b.v. heel goed met een plak chocolade, die zijn er namelijk met een gewicht van 100 g (maar niet gelijk opeten!). Breng de lift in positie. Vraag je vader of moeder om assistentie: laat hen de auto op een hoge plek, b.v. boven op een kast of op een vensterbank zo neerzetten, dat de draad loodrecht naar on deren kan hangen en de hoogte van de auto niet meer verandert. Wikkel dan zoveel draad op, dat deze precies spant. Afb. 141 (zie pagina 87 Duitse handleiding)

Start dan de motor en meet de tijd, die nodig is voor het omhoog trekken. De draad wordt op de draadrol opgewikkeld en trekt zo het gewicht omhoog. Schakel de motor weer uit, als het boven aangekomen is. Nu hoef je alleen nog maar de waarden die je gekregen hebt, in bovenstaande formule ingevuld te worden. Meet daarvoor de hoogte, die het gewicht (in dit geval de chocolade) omhooggetrokken werd. Voer de waarden gelijk in de passende eenheden in de formule (dus b.v. 0,1 kg en niet 100 g). Dan krijg je de beschreven nuttige energie ook in de aangegeven eenheid: t = …………… s h = ………….. m m = …………. kg

benodigde tijd om het omhoog te trekken hoogteverschil massa van het gewicht

Epot = m

g

= ……kg

x x

x

h

9,81 m/s2 x …… m

= ……. J De voor de energie berekende waarde gebruik je in de volgende formule en deelt die door de tijd: P= = =

Epot ……… J ……… W

/ t / ……… s

P31 Lift: geleverde energie Hoeveel energie steekt er dan praktisch in de tank? De theoretische energiehoeveelheid (maximaal presterende energie/ arbeid) die in de vorm van waterstof opgeslagen is, kunnen we op basis van de data uit proef 17 berekenen. Deze bedraagt 237 J bij een aangenomen volume van 24 ml waterstof. Laten we nu eens kijken naar de in totaal in mechanische arbeid omzetbare, daadwerkelijk nuttige

72

hoeveelheid energie, die naar de verliesrijke omvorming van de motor van elektrische naar mechanische energie overblijft. De energie voor het één keer omhoogtrekken heb je in de vorige proef berekend. Als we tellen, hoe vaak het gewicht met één tanklading omhooggetrokken kan worden, dan kunnen we de totaal opgewekte mechanische arbeid berekenen. Tel dus, hoe vaak je het gewicht met één tankvulling omhoog kunt laten trekken. Het elke keer naar beneden laten tussendoor vraagt wat geduld. Je moet steeds de motor uitschakelen en het gewicht voorzichtig naar beneden trekken. Als het gewicht b.v. tien keer omhooggetrokken kan worden, dan bedraagt de in mechanische arbeid omgezette energie bij onze voorbeeldwaarden uit proef 30 in totaal E

= 2 J x 10 = 20 J

E

= …….. J . ………

(jouw waarden)

= ……. J

(jouw resultaat)

Als je de meting beëindigd hebt en het gewicht net omhooggetrokken is, probeer dan eens het volgende: Laat het gewicht de draad bij een op de brandstof aangesloten motor afwikkelen. Je moet het gewicht mogelijkerwijs nog iets vergroten en iets bij de chocolade er aanhangen. De dan in werking gezette motor werkt weer als generator zoals in proef 25 en 26, en misschien stel je zelfs een gasontwikkeling vast. (Voor verdere proeven is de chocolade niet meer nodig…) Afb. 142 (zie pagina 88 Duitse handleiding)

P32 Het meten van nullastspanning, werkspanning en kortsluitstroom van de brandstofcel Net als bij de zonnemodule kunnen we ook bij de brandstofcel een paar capaciteitsdata bepalen, bijvoorbeeld de nullastspanning en kortsluitstroom (vergelijk proef 3). Op dezelfde manier kan ook de karakteristiek van de brandstofcel opgenomen worden (vergelijk proef 7). De tanks moeten weer met waterstof resp. met zuurstof gevuld zijn. Stel de multimeter voor het meten van de nullastspanning in op het bereik 2000 mV gelijkspanning en sluit hem aansluitend direct aan op de brandstofcel, zoals weergegeven in het onderstaande schema: Afb. 143: meten van de nullastspanning (zie pagina 88 Duitse handleiding)

Gemeten nullastspanning UOC: ……… mV Nadat je de op de brandstofcel aanwezige spanning gemeten hebt, als er geen verbruiker (dus b.v. de motor) aangesloten is, bepaal je nu de spanning die ingesteld wordt als er een elektrische verbruiker aangesloten is. Deze spanning wordt ook wel “werkspanning” genoemd. Gebruik daarvoor de elektrische schakeling zoals beschreven in proef 26 (afb. 145 en 146): Afb. 144: opbouw voor de schakeling afb. 143


Afb. 145: opbouw voor de schakeling afb. 146


Afb. 146: meten van de werkspanning


73

Kijk naar de spanning: welke waarde wordt er ingesteld? Eerst heeft de werkspanning een hoge waarde, maar valt al heel snel af naar een lagere waarde. Tenslotte wordt er een spanning ingesteld, die gedurende langere tijd ongeveer gelijk blijft. Die moet ongeveer in de buurt van de 800 mV liggen. Gemeten werkspanning UG = …….. mV Vergelijk de werkspanning en de nullastspanning: waarom zijn ze verschillend? De waarde van de werkspanning heb je zo meteen nodig bij proef 33 voor een berekening van het rendement. Koppel de multimeter voor het meten van de kortsluitstroom eerst los van de brandstofcel en stel hem in op het bereik van 10 Ampère. Sluit de kabels op de multimeter en de brandstofcel aan, zoals afgebeeld in de beide volgende afbeeldingen: Afb. 147: meten van de kortsluitstroom


Afb. 148: opbouw voor de schakeling van afb. 147


Gemeten kortsluitstroom: ………. A Vergelijk de kortsluitstroom met de stroom die bij de elektrolyse vloeit. Zijn er verschillen? Waarom? Nu is er een goede gelegenheid, de vorming van het water te volgen. Want bij de meting van de kortsluitstroom vloeit de in de brandstofcel de grootst mogelijke stroom. Waterstof en zuurstof worden dus bijzonder snel weer tot water samengevoegd (uitleg daarover in de box “brandstofcel I”). Kijk dus, terwijl je de brandstofcel met kortsluitstroom laat werken, precies naar de waterfilm aan de zuurstofkant. Wat stel je vast? Afb. 149: waterfilm aan de zuurstofkant


P33 Rendement van de brandstofcel In tijden van toenemende krapheid aan de tot nu toe gebruikelijke energiedragers (kolen, gas, uranium) en vanwege de schade aan het milieu, is het van groot belang energie zo efficiënt mogelijk om te vormen en te gebruiken. Een maat voor de efficiëntie van de omvorming is het rendement. Wat een rendement is, heb je al bij de zonnecellen gezien (proef 8). In het algemeen geeft het rendement aan, welke verhouding er bestaat tussen bruikbare energie en in totaal ingezette energie. Laten we bijvoorbeeld eens kijken naar eden gebruikelijke gloeilamp. Deze heeft de taak licht te leveren. Daartoe heeft de lamp energie nodig, die hij krijgt in de vorm van elektrische stroom. Als de totale energie zonder verliezen in licht omgevormd zou worden, dan zou de lamp 100% van de energie omzetten in de gewenste nuttige energie – het rendement zou dus 100% bedragen. In werkelijkheid bedraagt het rendement van een gloeilamp echter slechts 10%, dus maar 10% van de toegevoerde energie wordt in het gewenste licht omgevormd, de rest wordt omgezet in warmte. Hoe ziet het er nu uit met jouw brandstofcel? Hoe hoog is daar het rendement? Daartoe moeten we de energie, die we kunnen benutten, weer in verhouding brengen tot de ingebrachte energie. We hebben in de brandstofcel meerdere fases van energie- omzetting, namelijk

74

•

Omvorming van de elektrische energie uit de zonnemodule door de waterelektrolyse in waterstof/ zuurstof

•

Omvorming van waterstof/ zuurstof door de brandstofcel in elektrische energie.

De rendementen van deze aparte fases worden gekoppeld tot een totaalrendement. Dat kan gebeuren volgens de volgende formule (strikt genomen is de formule niet helemaal volledig, maar om ongeveer een voorstelling te krijgen van de grootte van het rendement, is deze formule ruimschoots voldoende). Hier kun je waarden invullen, die je al gemeten hebt: η brandstofcel =

werkspanning v.d. brandstofcel -------------------------------------------elektrolysespanning

Als je bijvoorbeeld een werkspanning (proef 32) van de brandstofcel van 0,8 V alsmede een elektrolysespanning (proef 16) van 1,62 V hebt gemeten, dan kan het rendement van je brandstofcel als volgt berekend worden: η brandstofcel =

0,8 V ----------- = 0,49 1,62 V

Dat is 49%. Het verschil tot 100%, in dit voorbeeld 51%, wordt in warmte omgezet, de brandstofcel wordt dus tijdens het gebruik opgewarmd. Afb. 150: efficiëntie van het energieverbruik: rendementen van verschillende technieken met elkaar vergeleken


Blokverwarmingcentrales Vaak wordt de afvalwarmte bij het opwekken van stroom niet gebruikt. Bij blokverwarmingcentrales wordt er echter van de nood een deugd gemaakt en gebruikt men de bij de stroomproductie toch al vrijkomende warmte voor verwarming. Daardoor wordt het aandeel van de in totaal gebruikte energie groter: het rendement van het totale systeem wordt groter. Vul nu jouw waarden in: η brandstofcel = ……. V / …….. V = ………. Het rendement van brandstofcellen ligt hoger dan bij b.v. de gebruikelijke auto’s. In de bovenstaande afbeelding zijn een paar rendementen weergegeven. Er wordt op het ogenblik van uitgegaan, dat zelfs een rendement van 75% mogelijk is, maar tot deze waarde ook in de praktijk bereikt wordt, moet er nog veel onderzoek gedaan en ontwikkeld worden. Het theoretische rendement van een auto- verbrandingsmotor (let op het verschil tussen een diesel- en een benzinemotor) ligt met maximaal 40% veel lager – een duidelijke plus voor de brandstofcel. Verminderd vermogen van de brandstofcel Als het vermogen van de brandstofcel minder wordt, dat merk je aan de ontbrekende trekkracht van de motor, moet je het gedestilleerde water vervangen en met de spuit vers water doortrekken.

75

Dat geldt vooral als de brandstofcel langere tijd niet gebruikt is. Meerdere achter elkaar uitgevoerde laad- en ontlaadprocedures verbeteren het prestatievermogen van de brandstofcel weer. Daartoe is het zinvol, de motorleidingen er af te halen en de ontlading van de brandstofcel alleen uit te voeren via de meter (10 A- bereik). Een vermindering van de capaciteit kan ook veroorzaakt worden door een verminderde aandruk binnen de brandstofcel. Met een 8 mm zeskantige sleutel kunnen de moeren voorzichtig aangetrokken worden (voor een hogere druk naar rechts draaien). Let op! je moet de moeren maar heel voorzichtig natrekken, opdat de draad niet beschadigd wordt! Afb. 151: explosietekening van de brandstofcel


Opbouw van de brandstofcel Nu heb je een groot aantal experimenten met de brandstofcel uitgevoerd. De opbouw van de polymeermembraan- brandstofcel werd in principe al bij proef 23 (pag. 78) beschreven. Hoe is de brandstof nou echter concreet opgebouwd? Je kunt natuurlijk in principe de brandstof uit elkaar halen en weer in elkaar zetten. Maar hierbij een waarschuwing: Overleg goed, of je het niet liever laat bij het bekijken van de tekening, want het uit elkaar nemen van de brandstofcel kan leiden tot beschadiging van de nafion- folie. Dit zou dan je laatste experiment zijn, je zou de experimenten met de brandstofcel niet meer kunnen herhalen! De cel zou niet meer kunnen functioneren! Voor het geval dat je de cel toch uit elkaar wilt halen, kunnen wij geen garantie geven dat het in elkaar zetten weer tot een brandstofcel leidt die goed functioneert. De brandstofcel mag alleen in absoluut droge toestand uit elkaar gehaald worden. Anders rolt de nafion- folie op. Het is dan praktisch uitgesloten hem weer glad te leggen. De cel zou dan geruïneerd zijn! Afb. 152: opbouw voor de schakeling afb. 153


P34 Zonne- waterstof- hybride auto Tot nu toe heb je de auto of met de zonnecellen of met de brandstofcel als stroombron laten rijden. Maar wat gebeurt er, als de zonnecellen en de brandstofcel op de auto aangesloten zijn? Gebruik daarvoor de volgende parallelschakeling (afb. 152 en 153): Afb. 153: Motor met brandstofcel en zonnemodule parallel geschakeld


Bovendien moeten de gasvoorraden in de tanks helemaal opgebruikt zijn. Zo, we hopen dat de zon ook schijnt. Anders neem je maar een lamp, die op de zonnemodule schijnt. Het beste is een sterke zaklantaarn, zodat je het licht ook kunt “bijsturen”. De auto begint te rijden, zodra het licht voldoende is. Nadat hij een tijdje gereden heeft, beschaduw je de zonnecellen (of je schakelt de lamp uit), zodat er geen of nog maar weinig licht op de zonnecellen valt. Wat nu? De auto rijdt gewoon door? Maar dat is toch duidelijk, nietwaar? De zonnecellen produceren stroom, zodra ze met voldoende licht beschenen worden: de motor kan beginnen… Dat ken je al uit proef 1. Terwijl daar alleen de motor van stroom voorzien werd, kreeg echter ook de brandstofcel stroom van de zonnemodule, want zonemodule, motor en brandstofcel zijn parallel ge-

76

schakeld. Als de spanning op de brandstofcel minimaal 1,5 V bedraagt, dan werkt deze als elektrolyseur en produceert waterstof en zuurstof. De gassen worden weer in de tanks opgeslagen… en ook dat ken je inmiddels. Deze procedure noemen we het laden. Afb. 154 (zie pagina 93 Duitse handleiding)

Wanneer nu echter de zonnecellen beschaduwd worden, dan valt de spanning op de als elektrolyseur werkende brandstofcel af, en als deze spanning onder een bepaalde waarde afgevallen is (ongeveer 1,0 V), dan produceert de brandstofcel weer stroom uit de kort daarvoor nog in de tanks opgeslagen gasvoorraden – hij rijdt in opslagwerking. Werken bij laden en opslag kunnen elkaar steeds afwisselen. En het beste: je hoeft daarvoor helemaal geen aansluitingen te veranderen, want op grond van de op dat moment aanliggende spanning “merkt” de brandstof enigszins, wanneer welke manier van werken nodig is. Natuurlijk moet er tussendoor steeds weer genoeg licht aanwezig zijn, om de voorraden op te frissen, maar in principe heb je nu een auto die onafhankelijk van andere stroomvoorzieningsbronnen zoals b.v. een benzinepomp kan rijden. En dat met geen enkele vorm van uitlaatgassen. Want gas en water worden in een gesloten circuit in elkaar omgevormd. Je hebt een nul- emissie- auto. Fantastisch! Vooruitzichten Aan de hand van de experimenten heb je een indruk kunnen krijgen hoe brandstofcellen functioneren en hoe ze toegepast kunnen worden. Misschien heb je zelf ook ideeën ontwikkeld, hoe jouw brandstofcel nog meer toegepast zou kunnen worden. Inderdaad zijn er vele toepassingsgebieden. En hoewel het idee van de brandstofcel al in het midden van de 19e eeuw ontdekt werd, kan het deze nog verder ontwikkeld en verbeterd worden. Juist vanwege de steeds groter wordende milieuproblemen wordt de toepassing steeds interessanter en belangrijker. Want vanwege het hoge rendement, vergeleken met de gebruikelijke energie- omvormers, zoals b.v. verbrandingsmotoren (zie afb. 150), hebben brandstofcellen ecologische voordelen (energiebesparing, vermindering van de CO2 – uitstoot). Er moeten echter nog problemen opgelost worden op het gebied van de efficiënte opslag van de energiedrager waterstof. Overeenkomstig groot zijn de inspanningen op het gebied van onderzoek en verdere ontwikkeling van de benodigde componenten en systeemtechniek. Niet in de laatste plaats tekent zich met de hier beschreven techniek ook een winst belovende markt af. Door de modulaire bouwwijze zijn brandstofcellen van batterij voor apparaten tot aan krachtcentrale universeel toepasbaar. Vooral in de volgende bereiken is de toepassing van brandstofcellen veelbelovend: brandstofcel- blokverwarming als “privé- krachtcentrales”: gelijktijdige productie van warmte en stroom b.v. voor flats en eengezinswoningen, decentrale stroomproductie, dus toepassingen zoals bij gebruikelijke batterijen en accu’s (b.v. diskman, modelbouw, mobieltjes, hobbyelektronica, laptop) en, zoals weergegeven in onze experimenten, in het verkeer. In de grootschalige techniek komt de waterstof voor de brandstofcellen nog hoofdzakelijk uit de omvorming van aardgas. Omdat daarbij CO2 vrijkomt, wordt via deze omweg het broeikaseffect versterkt, net zoals door een benzine- of dieselauto. Zodra er echter regeneratieve stroombronnen voor de productie van H2 toegepast worden, krijgen we een ingrijpende verandering: schadelijke uitstoot wordt uitgesloten of op zijn minst drastisch gereduceerd. Je hebt nu een auto, die bij gebruik geen emissies produceert; water wordt met behulp van het zonlicht via de zonnemodule en de brandstofcel gesplitst in waterstof en zuurstof en weer in de brandstofcel onder afgifte van energie tot water teruggevormd, waar het opnieuw gesplitst kan worden – een waterstofcircuit. Heel gauw zou dat op grote schaal mogelijk kunnen zijn.

77

We blijven hopen dat de toepassing van de brandstofcellen in toenemende mate verder ontwikkeld en ook door de maatschappij, dus door ons allemaal, gedragen wordt. Met jouw experimenteerdoos heb jij in ieder geval een naar de toekomst wijzend concept in handen. Afkortingsregister Symbool Al Cl e E

Betekenis Eenheid, waarde Relaties aluminium chloor elektron Energie, arbeid, warmte J (Joule, spreek uit “zjoel”) 1 J = 1 Ws (Wattseconde) Nm (Newtonmeter) 1 kW = 3.600.000 Ws

Emax

maximaal te leveren energie/ arbeid per mol

Epot

V

potentiële energie, opslagenergie aardversnellingconstante waterstof waterstofgas water intensiteit stroomsterkte Stroom op Maximum Power Point kortsluitstroom (shortcut) massa zuurstof gasvormige zuurstof vermogen elektrische lading tijd gasvormingsnelheid spanning Werkspanning spanning op Maximum Power Point nullastspanning “open circuit”) volume

η

rendement

g H H2 H2O I I Impp Isc m O O2 P Q t rgas U UB Umpp Uoc

J/ mol

1 Nm = 1 J Emax = 237 kJ/mol

J 9,81 m/s2 (op onze breedtegraad)

W/m2 A (Ampère)

1 A = 1 C/s

A A kg W (Watt) C (Coulomb) s, min, h ml/s, mol/s V (Volt) V V

1 W = 1 J/s = 1 VA= 1 VC/s 1 h = 60 min = 3.600 s

V m3, cm3 l (liter), ml (milliliter)

1 m3 = 1,000 l 1 l = 1000 ml

78

De auteurs Dr. Detlef Bahnemann (geb. 1953) is afgestudeerd chemicus. Hij werkt als afdelingsleider van de afdeling “fotochemie en Dunne laag – techniek” aan het Instituut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH) (Duitsland) op de locatie Hannover (Sokelantstrasse 5, D-30165 Hannover, BRD) De zwaartepunten van deze afdeling liggen bij het produceren en beproeven van nieuwe soorten dunne lagen zonnecellen alsmede solaire water- en luchtreiniging. Christopher Berge (geb. 1972) is afgestudeerd natuurkundige. Hij schreef zijn proefschrift in de afdeling “Foto- Voltaik” aan het Instituut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH) (Duitsland). Het doel van deze afdeling is het ontwikkelen van zeer efficiënte silicium zonnecellen tegen een economisch verantwoorde prijs. Op dit moment (begin 2000) werkt de heer Berge met een EU- beurs bij het “Ente per le Nuove Tecnologie, lÉnergia e lÄmbiente” ENEA) in Rome op het gebied “Karakterisering van dunne lagen”. Francisco Pujiula- Krüger is afgestudeerd natuurkundige. Het zwaartepunt van zijn werk ligt op het gebied van regeneratieve energietechnieken. Hij was lange tijd werkzaam bij het volwassenen- onderwijs en kwam in het kader van een door hem ontwikkeld concept naar de voortgezette lerarenopleiding naar het Instituut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH) (Duitsland). Als wetenschappelijk medewerker werkt hij daar op het ogenblik aan een onderzoeksproject voor de ontwikkeling van een Input/ Output controle- procedure voor zonne-installaties.

79

Geheimen op het spoor. KOSMOS brandstofcel. Bestnr Experimenteerhandleiding

Recommend Documents