Lesbrief over energiebeheer (zonne-energie) Project Topstages www.ontdektechniek.nu
Deel A: Voorbereiding Inleiding Het bestuur van de scholengroep heeft jullie gevraagd om onderzoek te doen naar de mogelijkheden van zonnepanelen voor onze school. Om een goed onderzoek en advies uit te brengen moet je als projectgroep over voldoende kennis en vaardigheden beschikken. • • • • • • •
We gaan leren een goed onderzoeksplan uit te voeren. Werken aan interviewtechnieken Rekenvaardigheden met Excel Presentatietechnieken Een goed practicum inrichten. Uitvoeren praktijkopdracht Bedrijfsbezoek
Eindopdracht Je gaat een advies schrijven aan de school. In je advies staan overzichtelijk de verschillende voor- en nadelen van zonnepanelen en een duidelijke motivatie waarom onze school hiermee voorzien zou moeten worden. Dit advies ga je aan het eind van dit project presenteren aan de rest van de klas.
Werkwijze Bij de opdrachten werken jullie in groepjes van 4. Binnen de groepjes hebben we een voorzitter die de vergadering voorzit en een notulist die verantwoordelijk is voor de verslaglegging. De deelnemers nemen een actieve rol in en leggen de week in beeldvorm vast. Lever de uitwerking van de opdrachten die je op school gemaakt hebt aan het einde van de week in bij je docent. Ook ga je twee keer op bedrijfsbezoek om in de praktijk meer te leren over zonne-energie. Deze informatie verwerk je in je uiteindelijke advies.
Wat moet je inleveren? • • • •
Onderzoekgegevens Interviewvragen Advies / eindverslag Powerpoint presentatie
1
Deel B: Uitvoering Opdracht 1: Reken met meetgegevens Theorie: Hoe kan ik mijn meterstanden aflezen?
Elektriciteitsmeter 1 telwerk Dit is een elektriciteitsmeter met één telwerk. Staat er een cijfer achter de komma? Dan hoeft u deze niet door te geven.
Elektriciteitsmeter 2 telwerken Dit is een elektriciteitsmeter met twee telwerken. Elektriciteit I (T1) is het bovenste of het linker telwerk. Elektriciteit II (T2) is het onderste of het rechter telwerk. Staat er een cijfer achter de komma? Dan hoeft u deze niet door te geven.
Elektriciteitsmeter met elektronisch telwerk Dit is een elektriciteitsmeter met een elektronisch telwerk. U ziet achtereenvolgens telwerken I (T1) tot en met IV (T4). Vult u voor Elektriciteit I de meterstand in die u ziet bij T1. Voor Elektriciteit II vult u de meterstand van T2 in. De meterstanden van T3 en T4 hoeft u niet door te geven. Deze zijn bedoeld voor teruglevering van elektriciteit. Theorie: Wat kost een kilowatt stroom? Verschil in prijs berekenen tussen energieleveranciers Om te berekenen hoeveel u kunt besparen kunt u de volgende rekensommen gebruiken. 1. Neem uw verbruik per jaar in kilowattuur (KWh), het gemiddelde voor huishoudens in Nederland is 3500 KWh. 2. Doe dit getal x de prijs van de leverancier (bijvoorbeeld: 0,20), dan krijgen we 3500 x 0,20 = 700 euro 3. Neem de maandelijkse vastrecht kosten en doe deze x 12 (bijvoorbeeld 2,95), dan krijgen we 12 x 2,95 = 35,40 euro 4. De totale leverancier-afhankelijke kosten zijn: 735,40 euro per jaar 5. Let op: deze tarieven zijn zonder leveringstarieven en eventuele opslag, maar deze zijn voor elke leverancier gelijk. U kunt dus het resultaat van uw berekening altijd gebruiken om tussen energieleveranciers te vergelijken De tabellen zijn opgesteld op basis van een gemiddeld energie verbruik van 3500 kWH. De tarieven zijn vergeleken op basis van de leveringskosten inclusief belasting. Dit is het gedeelte dat per energieleverancier verschilt. Overige kosten als meterhuur en netwerkkosten zijn voor alle leveranciers gelijk en zijn dan ook niet meegenomen. http://www.watkosteenkilowattstroom.nl/ 2
Opdracht 2: De oneindige bron: zonne-energie Theorie over zonne-energie Passieve zonne-energie Een soort zonne-energie zal je al snel kunnen bedenken en dat is passieve zonne-energie. Passieve zonne-energie is energie waar je niets voor hoeft te doen. Bijvoorbeeld lekker in de zon zitten, de was aan de lijn te drogen hangen, de zonnewarmte door het raam naar binnen laten schijnen die binnen de betonnen muur of vloer opwarmt. De muur en de vloer zullen dan als het tegen de avond kouder wordt hun warmte in de kamer afstaan. Dus blijft het langer warm binnen. De zon schijnt zo vaak dat voor elke inwoner in Nederland zo ongeveer 200.000 watt (200kWatt) aan zonne-energie ter beschikking is. Tenminste, als we slim genoeg zijn om dat op te vangen en om te zetten in warmte of elektriciteit. Fotovoltaische zonne-energie Elk jaar valt op de Nederlandse bodem ongeveer 50 keer zoveel zonne-energie dan wij jaarlijks gebruiken. Je kunt je afvragen waarom er niet meer op de aarde terecht komt. De figuur hiernaast laat zien hoe dit komt. Allereerst wordt zonlicht tegen gehouden door de wolken, de waterdamp en niet te vergeten de vervuiling in de lucht. Zonlicht dat op de aarde valt kunnen we opvangen en omzetten in elektriciteit of we gebruiken de warmte. Met gebruik van fotovoltaische zonne-panelen kunnen we zonnelicht omzetten in elektriciteit. Deze toepassing wordt ook wel PV genoemd. PV is afgeleid van het Engelse Photo Voltaic. Hoe werkt nu zo’n PV paneel? Er zijn tegenwoordig verschillende soorten PV panelen, zoals je in de figuur hiernaast kunt zien. Zand is de belangrijkste ruwe grondstof voor het maken van PV panelen. Ook wel kwarts, siliciumdioxide of afgekort SiO2 genoemd. Bekijk maar eens een PV-paneeltje onder een vergrootglas. Bij sommige soorten PV-panelen zie je dat ze zijn gevormd uit hele dunne plakken siliciumdioxide. De plakken in ruwe vorm worden ook wel “wafers” genoemd. Het woord is afgeleid van het Engelse woord wafer wat wafel betekent. De wafers bestaan weer uit aan elkaar verkleefde kristallen en hebben een grauwe grijze kleur. Als de wafers zijn behandeld, netjes naast elkaar zijn gelegd en met elkaar zijn verbonden noemen we ze PV-cellen. Waarschijnlijk heb je al gezien dat sommige pv- panelen een blauwe kleur hebben. Waarom? Daar komen we straks nog op terug.
3
Maar hoe wordt er nu elektriciteit gemaakt van zonlicht? Zonlicht deeltjes vallen op het silicium. Je weet nog wel dat atomen bestaan. Een zonnecel van silicium bestaat uit erg veel atomen. De zonnedeeltjes bombarderen de atomen van het silicium waar elektrisch geladen deeltjes in zitten. Deze elektrisch geladen deeltjes, ook wel elektronen genoemd, worden losgeslagen. De zonnecel moet zo worden behandeld dat de elektronen maar in één richting kunnen gaan. Net zoals bij een batterij. (Je weet vast wel dat een batterij twee contacten heeft ook wel plus en min genoemd). 1. 2. 3. 4. 5. 6.
licht (zonnedeeltjes of fotonen) voorcontact negatieve laag scheidingslaag positieve laag achtercontact
Meer of minder energie opbrengst Je weet nu dat PV panelen elektrische energie leveren als er zonlicht op valt. Wat zou er gebeuren als de zon weg gaat? Ja, dat is duidelijk. We krijgen dan minder elektriciteit om te gebruiken. Je weet ook dat de zon in de morgen in het oosten opkomt en in het westen ondergaat. Dus waar moet je voor zorgen als je PV-panelen op het dak of in de tuin wil plaatsen? Natuurlijk zorg je er voor dat je PV-panelen niet in de schaduw van een boom of schoorsteen geplaatst worden. Want dan valt er minder licht op het PV-paneel. Terugkaatsen van het zonlicht Zoals je al hebt gelezen hebben PV-panelen vaak een blauwe kleur. De blauwe kleur is doelbewust op de PV-cellen aangebracht. Je weet dat als je een spiegel in de zon houdt kun je een mooie felle licht bundel maken en die in alle richtingen laten gaan door de spiegel te bewegen. Dit weerkaatsen van het zonlicht heet reflectie. Het glas van het PV- paneel kaatst zonlicht terug maar PV cellen reflecteren ook zonlicht. Dat wil ook zeggen dat je minder energie uit je PV paneel krijgt dan je zou willen. Om dit nu te verminderen brengen ze een dunne blauwe doorzichtige laag op de PV cellen. Die blauwe laag vermindert de reflectie en dus dringen meer fotonen in de PV-cel. Hoe en waar plaats je een PV paneel? Je weet de zon komt op in het oosten. De zon draait via het zuiden naar het westen en gaat daar onder. Omstreeks 12 uur middags staat de zon in het zuiden en op het hoogst. In figuur 6 kun je aflezen hoe veel licht op je PV paneel of warmtecollector valt als de zon precies op het zuiden staat.
4
Autonoom Autonoom is weer een nieuw woord dat nog al eens bij duurzame energie wordt gebruikt. Autonoom = onafhankelijk. Eigenlijk is elke elektrische installatie die niet op het lichtnet is aangesloten een autonome installatie. Kijk maar naar de afbeeldingen hieronder:
Zomer en winter stand van de zon Zomers staat de zon hoger aan de hemel dan in de winter. De zon schijnt dan ook langer. Omdat de het langer licht is zal de geproduceerde elektrische energie hoger zijn dan in de winter. Je begrijpt uit de tekeningen nu ook dat je eigenlijk de schuine verticale stand wil aan passen om meer opbrengst te hebben.
Hybride energie systemen Ook worden PV-panelen samen met kleine windturbines gebruikt. Het voordeel is dat je dan als er geen zon is en wel wind toch de accu wordt opgeladen. Als het nachts donker en de pv-panelen niet werken, kan het zijn dat er vaak wel wind is. Dus krijg je de hele dag duurzame energie door verschillende energie opwekkers te koppelen. Een installatie waar zowel PV-panelen als een windturbine wordt gebruikt wordt ook wel “hybridesysteem” genoemd. Hybride betekent kruising.
5
2. Vragen over zonne-energie 1. Schrijf 5 zinnetjes op waar voorbeelden van passieve energie in voorkomen 1. 2. 3. 4. 5. 2. Op hoeveel manieren kan het zonlicht teruggekaatst worden voordat het omgezet wordt in elektrische energie?
3. Waarom denk je dat als de zon ondergaat en het buiten kouder wordt een steen nog warm aanvoelt?
4. Waarom denk je dat je een kat op de motorkap van een stilstaande auto ziet zitten?
5. Waarom plaats je nooit een PV paneel naast een schoorsteen?
6. Als de zon op het zuiden staat zoals in figuur 4 wordt aangegeven waarom heb je maar 74% zonlicht op je PV paneel?
6
7. Als je een PV paneel thuis wil gaan gebruiken hoe zou je deze dan plaatsen? Denk aan de kompasroos: Noord, Zuid, Oost en West.
8. We hebben 16,3 miljoen mensen in Nederland. Iedere inwoner heeft bijna 2500 kWh aan zonne-energie per jaar ter beschikking. We hebben c.a 6 miljoen gezinnen hoeveel energie heeft een gezin ter beschikking?
9. Iedere inwoner heeft in Nederland 2,5 m2 grond voor zichzelf ter beschikking om zonne-energie op te vangen. 1 PV paneel van 100 watt heeft een lengte van 1,2 m en is 0,85 m breed. Hoeveel panelen kan ik plaatsen? Houd er rekening mee die 1 m2 grond niet precies vierkant moet zijn.
10. Ook al valt er ongeveer 1000 kWh zonne-energie per jaar op 1 m2 grond wil nog niet zeggen dat het paneel net zoveel energie kan omzetten. Een PV paneel heeft ongeveer 15% rendement . Kun je vertellen hoeveel energie per paneel van 1 m2 per jaar wordt opgewekt?
11. Als jullie thuis ongeveer 3000 kWh per jaar aan elektriciteit gebruiken. Hoeveel panelen heb je nodig voor 1 gezin?
7
Taak 3: Practicum Opdracht 3.1: Stroom uit Bakpoeder
Bekijk onderstaande website. Voer onder leiding van je docent het practicum uit. Je docent vertelt je wat je nodig hebt. http://www.rug.nl/sciencelinx/proefjes/afleveringenoverzicht/aflevering076 Knip de draad in twee stukken van vijftien centimeter, strip de isolatie eraf en maak de stukken roodgloeiend in een gasvlam zodat aan de buitenkant een laagje koperoxide ontstaat. Dit worden de polen. Knutsel vervolgens een manier om één van de polen straks uit het licht te houden; een stukje plastic buis met een gaatje of een kokertje van stevig zwart papier. Vul het glas met kraanwater en een schep bakpoeder, hang beide polen in de oplossing en sluit een voltmeter aan. De bakpoederzonnecel werkt door het zogeheten foto-elektrisch effect, in 1905 beschreven door Albert Einstein. Simpel gezegd: als een ‘deeltje’ licht op een metalen plaat valt, dan duwt het een elektron van z’n plek. Dat gaat vervolgens aan de wandel door het metaal. Normaal zou dat proces vanzelf ophouden, maar in de zonnecel wandelt het elektron vanzelf richting de verduisterde pool. Omdat bakpoederoplossing (Na+ en HCO3 – in H2O) elektrische stroom geleidt, heb je een gesloten circuit waarin een elektrisch stroompje vloeit.
8
Opdracht 3.2: Zelf een zonnecel maken Zo maakt u zelf een zonnecel "De kringloop van energie en grondstoffen bestaat al miljarden jaren lang op onze aarde. In een tijdsbestek van enkele eeuwen is de mens een groot aantal natuurlijke energiebronnen en grondstofvoorraden gaan beheersen en exploiteren. Onze speurtocht naar kunstmatige fotosynthese is daarom niet alleen een onderzoek naar alternatieve energiebronnen voor onze maatschappij, maar ook een speurtocht naar onze plaats hier op aarde."
Stap 1 – Het kleuren van de titaniumdioxide met een natuurlijke verfstof Kleur de witte zijde van een glasplaat die bedekt is met een laag titaniumdioxide (TiO ). Deze glasplaat is vooraf bedekt met een transparante geleidende laag (SnO ) en een poreuze TiO film. Neem verse (of ingevroren) bramen of frambozen, wrijf deze fijn en voeg er een eetlepel water aan toe. (U kunt ook granaatappelpitjes gebruiken, of rode Hibiscus thee.) Leg de film vijf minuten in deze vloeistof zodat hij een diepe paarsrode kleur krijgt. Als beide zijden van de film nog niet egaal gekleurd zijn, leg de plaat dan nog vijf minuten in het sap. Was daarna de film in alcohol en maak hem voorzichtig droog met wat keukenpapier.
Stap 2 - De 'tegengestelde' elektrode een laagje geven: De zonnecel heeft zowel een positieve als een negatieve plaat nodig om te kunnen functioneren. De positieve elektrode wordt de 'tegengestelde' elektrode genoemd en wordt gevormd door een 'geleidende', met SnO bedekte glasplaat. U kunt een Volt-Ohm meter gebruiken om er achter te komen welke kant van de glasplaat geleidend is. U kunt het ook met uw nagels proberen: als u er op krast, dan is de ruwe zijde van de plaat de geleidende kant. De 'niet-geleidende' kant wordt gemerkt met een "+".
Gebruik een potloodstift om een dunne laag grafiet (katalytische koolstof) aan te brengen op de geleidende kant van de plaat.
9
Stap 3 en stap 4 - Voeg het elektrolyt toe en zet de voltooide zonnecel in elkaar De jodium oplossing wordt gebruikt als elektrolyt in de zonnecel om de kringloop te sluiten en om de kleurstof te regenereren. Leg de gekleurde plaat op tafel met de filmlaag naar boven en breng één tot twee druppeltjes van de jodium/jodine elektrolyt oplossing aan op het gekleurde deel van de film. Plaats dan de tegengestelde elektrode bovenop de gekleurde film zodanig dat de geleidende zijde van de tegengestelde elektrode bovenop de film zit. Verschuif de glasplaatjes zodat de hoeken van elke plaat vrijkomen. Deze punten zullen dienen als kontaktpunten voor de negatieve en positieve elektroden, waarlangs elektriciteit wordt onttrokken en waarmee u de zonnecel kunt testen. Gebruik de twee klemmetjes om de twee elektroden bij elkaar te houden aan de rand van de glasplaatjes De opbrengst is ongeveer 0.43 V en 1 mA/cm2 als de TiO zijde van de cel in het volle zonlicht wordt geplaatst
10
Opdracht 4: Bouw je eigen solar-auto
In deze opdracht gaan we een eigen solar-auto bouwen. De werktekening is te downloaden van de website van Opitec. Op deze website staat ook uitgelegd hoe je de solar-auto kunt maken. Je docent zal hierbij helpen. http://nbg-web01.opitec.com/img/208/246/208246bn.pdf
11
Opdracht 5: Het bedrijfsbezoek Afgelopen week zijn jullie in opdracht van de school een onderzoek gestart naar de mogelijkheden van zonnepanelen voor je school. Tijdens dit proces hebben jullie zowel praktisch als theoretisch kennisgemaakt met de wereld van de zonne-energie. Wellicht heb je al een aantal antwoorden gevonden bij de deelvragen van je onderzoek, maar het zou ook zomaar kunnen dat er nieuwe vragen zijn ontstaan. Daarom gaan jullie een tweetal bedrijven bezoeken. Om aan aanvullende informatie te komen voor jullie onderzoek is het de bedoeling om een aantal interviewvragen op papier te zetten. Je gaat met je groepje tien interviewvragen formuleren, maak gebruik van de interviewtechnieken van taak 3.
Kennismaken met het bedrijf en met beroepsbeoefenaars Tijdens het bedrijfsbezoek maak je natuurlijk ook kennis met het bedrijf en met de mensen die er werken. Je zult een rondleiding krijgen en je gaat een interview houden met één of meerdere mensen die er werken. Om je hier goed op voor te bereiden hebben we 2 opdrachten gemaakt: - Kennismaken met het bedrijf - Kennismaken met beroepsbeoefenaars Lees deze opdrachten door en ga met je groepje aan de slag met het voorbereiden van deze opdrachten. De opdrachten helpen je om interviewvragen op te stellen, het interview voor te bereiden en je alvast te verdiepen in het bedrijf. Vergeet deze opdrachten niet mee te nemen als je op bedrijfsbezoek gaat!
Meer leren over energiebeheer (zonne-energie) Tijdens het bedrijfsbezoek ga je ook meer leren over eneregiebeheer (zonne-energie). Het is de bedoeling dat je na het bedrijfsbezoek het advies verder af kan maken. Bedenk met je groepje welke vragen je aan het bedrijf gaat stellen om het advies te kunnen schrijven. Schrijf de vragen die je wil stellen op en neem deze mee naar het bedrijfsbezoek.
12
13
Deel C: Eindopdracht In deze opdracht ga je met je groepje werken aan de verslaglegging, het verwerken van de interviewvragen en het schrijven van het advies. Maak afspraken wie zich bezig gaat houden met de presentatie en wie het advies gaat uitwerken. Zorg wel dat de taken binnen het groepje evenredig zijn verdeeld. Het advies Heb je genoeg informatie verzameld, dan kun je beginnen met schrijven. Je gaat nu proberen van de verzamelde informatie een samenhangend verhaal te maken. Zorg ervoor dat ook het uiterlijk van je verslag goed verzorgd is, en denk erom, de hoeveelheid woorden doet er niet zo veel toe, helder en bondig formuleren is vaak beter. En nogmaals het gaat om de kwaliteit, niet om de hoeveelheid! In je advies staan overzichtelijk de verschillende voor en nadelen van zonnepanelen en een duidelijke motivatie waarom onze school hiermee voorzien zou moeten worden. Presenteren Dit advies ga je aan het eind van dit project presenteren aan de rest van de klas presenteren. Het is daarbij belangrijk dat ieder groepslid ook een deel van de presentatie voor zijn rekening neemt. Bereid met je groepje de presentatie voor. Dit kan aan de hand van een powerpoint. Maak een taakverdeling met je groepje: Wie doet wat? Vertel in ieder geval iets over de volgende punten in je presentatie: - het bedrijfsbezoek (waar ben je geweest, hoe vond je het, wat heb je geleerd) - de voor- en nadelen van de onderzochte materialen - Je advies aan de architect Stappen: 1. Wat is je doelgroep? 2. Bedenk de vorm van je presentatie 3. Bereid je verhaal goed voor door het te oefenen 4. Maak een goede taakverdeling voor tijdens de presentatie 5. Ga na of je verhaal duidelijk is overgekomen Tips: • • • • • Tip:
Houd een heldere inleiding Gebruik een spiekbriefje Gebruik leuke voorbeelden voor een aantrekkelijke presentatie Zet de presentatie op een USB-stick Zet de presentatie op je mailaccount Het is leuk om de foto’s die je tijdens het bedrijfsbezoek gemaakt hebt te laten zien in de presentatie!
14
Evaluatie We zijn erg benieuwd wat je van de projectweek vond. Ook het bedrijf wil graag weten hoe je het bedrijfsbezoek vond. Zij horen graag je tips. Beantwoord daarom individueel de volgende vragen. 1.
Wat was je beeld over de techniek voordat je aan de oriëntatie begon? En wat is je beeld nu?
2a.
Welk beroep/functie sprak je het meeste aan en waarom?
2b.
Welke opleiding moet je volgen om dit beroep te kunnen doen?
3a.
Hoe vond je de projectweek? Licht je antwoord kort toe.
3b.
Hoe vond je het om bij bedrijven langs te gaan? Licht je mening kort toe.
3c.
Wat sprak je het meeste aan bij het bedrijfsbezoek?
3d.
Wat sprak je het minste aan bij het bedrijfsbezoek?
15
3e.
Welke verbeterpunten heb je voor de bedrijfsbezoeken en de projectweek die volgend jaar plaatsvinden?
4.
Hoe verliep de samenwerking in de groep? Licht je antwoord kort toe.
5.
Wil je nog iets anders kwijt?
16
