Maak je eigen solar power station een natuurkundeopdracht voor 4 havo en 3/4 vwo docentenhandleiding Helmut Zahn Philips Applied Technologies, Eindhoven
Meer deelbare lessen Andere deelbare lessen van Philips zijn: Bouw je eigen game een informaticaopdracht voor 1/2 havo/vwo De elektronische dobbelsteen een techniek/science-opdracht voor 2 havo/vwo Straatverlichting wat kost dat? een wiskundeopdracht voor 4 havo en 3/4 vwo Kijk voor meer informatie over deze en andere deelbare lessen op www.jet-net.nl/lesmateriaal. Colofon Auteur: Adviezen: Helmut Zahn Philips Applied Technologies, Eindhoven Annemieke Vennix Christiaan Huygens College, Eindhoven Paul Cramer Scholengemeenschap Augustinianum, Eindhoven Eindredactie: Betty Majoor In Profiel Tekstontwerp, Eindhoven Dit is een uitgave van: Philips Human Resources Benelux / Jet-Net Gebouw VB-12 Postbus 80003 5600 JZ Eindhoven Uitgave: versie 1.0, maart 2010 Koninklijke Philips N.V. 2010, All rights reserved.
Inhoud 1. Opbouw project... 4 2. De uitvoering van het project... 6 3. Het solderen... 6 4. De beoordeling van het project... 6 5. Dekking... 7 6. Correctievoorschrift voor de meet- en rekenopdracht... 8 7. Hulp bij het vinden van fouten... 10 3
1. Opbouw project Deze gastles is bedoeld voor klassen vwo 3 of 4 of havo 4. Opbouw van de les De gastles met als thema het bouwen van een batterij oplader op basis van zonne-energie bestaat uit vijf algemene onderdelen: A1. Introductie over het doel van de les; A2. Meet- en rekenopdracht met zonnecel (practicum 1); A3. Het bouwen van de batterij oplader (practicum 2); A4. Het testen van de batterij oplader (practicum 3). De vier algemene onderdelen zullen samen ongeveer drie lesuren duren: één lesuur voor A1 en A2, en twee lesuren voor de onderdelen A3 en A4. NB. De opdracht voor het meten van de zonnecel A2 kan zowel aan de losse cel als aan de ingebouwde zonnecel worden uitgevoerd. In verband met de hoeveelheid tijd die deze opdracht vraagt, verdient het aanbeveling om met name deze opdracht zo in te plannen dat alle leerlingen aan bod komen. De opdrachten A3 en A4 kunnen dan worden uitgevoerd in de tijd die leerlingen niet aan opdracht A2 besteden. Naast deze algemene onderdelen bestaat er de mogelijkheid voor verdere verdieping door één of meerdere van de volgende keuzemodules: K1. Uitleg van het elektrische schema en de onderdelen; K2. Werking van een zonnecel; K3. Techniek van het solderen van componenten op een printplaat; K4. Verder bouwen rond de solar batterij oplader. NB. Het bouwen van een behuizing (werkstuk) voor de solar batterij oplader opdracht K4 zou ook goed gedaan kunnen worden met de leerlingen van een brugklas. In dit geval kunnen de leerlingen van havo/vwo 3,4 hun printje niet meenemen naar huis maar moeten de printjes op school doorgegeven worden naar de brugklassen. Voor de keuzemodules zou extra tijd beschikbaar gemaakt moeten worden. Omdat het techniekonderwijs op scholen nogal kan verschillen, zal niet elk keuzemodule even goed passen voor elke klas. De docent van de klas kan zelf beslissen welke verdieping goed aansluit bij zijn eigen lessen en of de verdieping gewenst is of niet. Indeling werkboek Elke leerling ontvangt een werkboek voor de algemene delen en per groep van 2 leerlingen is er een boekje met extra theorie ten behoeve van de keuzemodules. 4
In deel 1 van het werkboek wordt het bouwen van een solar power station beschreven. Dit vraagt van de leerlingen dat zij het uitgelegde elektrische schema kunnen lezen en de onderdelen en hun polariteit kunnen herkennen; en zij moeten kunnen of leren - solderen. Het stappenplan is zo opgebouwd dat het de docent de mogelijkheid biedt om voorafgaande aan elke bouwstap de kennis van de leerlingen te toetsen middels een vraag die bij de betreffende stap hoort. Het verdient aanbeveling om leerlingen hun antwoorden eerst af te laten tekenen alvorens ze toestemming te geven door te gaan met de volgende stap. Naar keuze van de docent is het mogelijk om dieper in te gaan op het elektrische schema en de werking van de verschillende componenten die zijn gebruikt (keuzemodule 1) en/of de techniek van het solderen (keuzemodule 3). In deel 2 van het werkboek testen de leerlingen de verschillende functies van hun batterijoplader. Er is een goede kans dat niet alles meteen goed werkt. De leerlingen oefenen dan in dit gedeelte het zoeken naar fouten. De meet- en rekenopdracht van deel 3 vraagt van de leerlingen experimentele en wiskundige vaardigheden. Ze moeten de stroom spanningskarakteristiek van de zonnecel meten en op basis van de meetwaarden grafieken maken. Ze moeten kunnen extrapoleren en data uit een grafiek kunnen extraheren. Voor dit deel bestaat er de mogelijkheid om dieper in te gaan op de werking van een zonnecel (keuzemodule 2). De uitleg is een uitstapje in de wereld van de halfgeleiderfysica en er komen begrippen zoals elektrische lading, elektrisch veld en kristalbinding aan bod. Keuzemogelijkheden ontwerpen Als de elektronica van het solar power station in elkaar zit, kan hij worden doorgegeven aan leerlingen uit de brugklas om hem in te bouwen in een werkstuk (keuzemodule 4). Zij kunnen het power station optimaliseren door bijvoorbeeld de volgende functies te ontwerpen en bouwen (let wel op dat de batterij makkelijk uitwisselbaar blijft): 1. Het beschermen van de elektronica tegen regenwater. 2. Het monteren van de zonnecel onder een hoek van 45º ten opzichte van het aardoppervlak voor een optimale efficiëntie. 3. Het beschermen van de batterij tegen direct zonlicht om een opwarming van de batterij boven 45ºC (sterke degradatie) te voorkomen. Bovendien biedt het werkstuk veel ruimte voor persoonlijke creativiteit. Voor het ontwerpproces kunt u gebruik maken van de ontwerpmethode die op uw school gangbaar is of van de hand-out Ontwerpen leer je al doende die op de cd meegeleverd is. Zie ook bijlage F in de achtergrondinformatie. 5
2. De uitvoering van het project De oplaadbare batterij wordt niet meegeleverd met het bouwpakket. De batterij moet door de leerlingen zelf worden gekocht. De batterij moet van het type AA zijn. Belangrijk is dat de batterij oplaadbaar is. Als alle leerlingen gelijktijdig met het bouwen van het solar power station beginnen, moeten er voldoende soldeerstations aanwezig zijn. Ook zijn er meerdere multimeters, lampen ( onze zon ) en luxmeters nodig. Het verdient aanbeveling om de planning en organisatie van de werkzaamheden af te leiden van de indeling van de groepen voor de meet- en rekenopdracht rondom de zonnecel. Deze opdracht vraagt relatief veel tijd en het aantal meetstations hiervoor is vaak beperkt. Het is dus handig als sommige groepen beginnen met bouwen terwijl andere beginnen met de meet- en rekenopdracht. Soldeerstations, multimeters en lampen moeten op de school aanwezig zijn. De luxmeters kunnen via Philips Jet-Net apart besteld worden. 3. Het solderen Het is aan te raden de leerlingen in een eerdere les kennis te laten maken met de techniek van het solderen voor zij aan het bouwen van het solar power station beginnen. De volgende zaken zijn van belang voor een goed verloop van het solderen: Zorg voor afzuiging van vrijkomende soldeerdampen; Gebruik soldeerbouten van 25 Watt met een spitse punt; Gebruik harskernsoldeertin met een diameter van 0.7 mm; Gebruik een derde handje om printplaat of elektronische onderdelen vast te houden; Gebruik een tinzuiger om overtollig tin op te zuigen en gaatjes opnieuw open te zuigen; Gebruik kleine zijkniptangetjes voor het afknippen van te lange pootjes. 4. De beoordeling van het project Het grootste gedeelte van dit project is het practicumgedeelte: het bouwen van de solar power station, het testen om de verschillende functies te waarborgen en eventueel een werkstuk. Aan de hand van de vervaardigde werkstukken kan de docent van de klas het praktische werk van de leerling beoordelen. 6
Tevens is er een meet- en rekenopdracht. Voor de beoordeling van dit gedeelte vindt u een correctievoorschrift in deze handleiding. U bepaalt zelf hoe het practicumgedeelte en de meet- en rekenopdracht voor het uiteindelijke cijfer voor dit project worden gewogen. 5. Dekking Uitgaande van het Voorstel voor nieuwe kerndoelen onderbouw VO, bijlage 2 bij het eindrapport Beweging in de onderbouw (juni 2004) van de Taakgroep Vernieuwing Basisvorming, levert dit project een bijdrage aan het volgende kerndoel: 33. De leerling leert door middel van onderzoek kennis te verwerven over voor hem relevante technische producten en systemen, leert deze kennis naar waarde te schatten en op planmatige wijze een technisch product te ontwerpen en te maken. Uitgaande van de kerndoelen basisvorming 1998-2003, levert het project een bijdrage aan de volgende algemene onderwijsdoelen van de basisvorming: 2.3 Informatie in verschillende gegevensbestanden opzoeken, selecteren, verzamelen en ordenen; 2.6 Doelmatig en veilig omgaan met materialen, gereedschappen en apparatuur. Daarnaast dekt het project de volgende kerndoelen: Domein B: Technische producten en systemen De leerlingen kunnen van technische producten en systemen de gebruikte materialen en de materiaaleigenschappen onderscheiden en een relatie leggen tussen functionaliteit, bewerking en vormgeving. Domein C: Ontwerpen en maken van producten 16. De leerlingen kunnen een product volgens een eigen ontwerp bouwen; 17. De leerlingen kunnen metingen uitvoeren en gegevens van werktekeningen overbrengen op materialen; 18. De leerlingen kunnen handelingen correct, veilig en milieubewust uitvoeren op het gebied van verspanen, vervormen, verbinden en samenstellen, waarbij van hout en/of kunststof en/of textiel en/of metaal gebruik wordt gemaakt. 7
6. Correctievoorschrift voor de meet- en rekenopdracht Opdracht 1 de afhankelijkheid tussen elektrische spanning en lichtniveau De spanningskarakteristiek van de zonnecel moet onderstaande grafiek tonen, met een snelle stijging van de spanning bij lage lichtflux en een langzame stijging voor grotere waarden tot een verzadiging rond de 2V. 3 Spanningskarakteristiek van de zonnecel elektrische spanning [V] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 lichtniveau [lx] Spanningskarakteristiek van de zonnecel Omdat de zonnecel en de luxmeter in de meetopstelling niet precies op dezelfde plek liggen (om de meetprocedure te vereenvoudigen) en het spectrum van de lamp/beamer niet hetzelfde is als het spectrum van de zon kan er een zekere spreiding op de meetwaarden zitten, waardoor de meetpunten zich kunnen bevinden rond de curve in bovenstaande grafiek en de curve verschoven kan zijn. Voor het antwoord op de vraag hoe hoog het lichtniveau voor het opladen van de batterij ten minste moet zijn, is daarom elk antwoord dat met de grafiek overeenstemt juist. 8
Opdracht 2 de afhankelijkheid tussen oplaadstroom en lichtniveau De stroomkarakteristiek van de zonnecel moet een lineair verloop tonen zoals in onderstaande grafiek. Ook hier is een zekere spreiding van de meetpunten en een variatie van de helling van de curve mogelijk. 160 Stroomkarakteristiek van de zonnecel 140 oplaadstroom [ma] 120 100 80 60 40 20 0 0 20000 40000 60000 80000 100000 lichtniveau [lx] Grafiek van de meetpunten lichtniveau en de bijbehorende oplaadstroom De lineaire extrapolatie tot een lichtniveau van 100.000 lx zou in de grafiek getekend moeten zijn. De waarde voor de bijbehorende stroom zou boven de 50 ma moeten liggen. Als I S de oplaadstroom in milliampère is bij 100.000 lx, dan wordt de tijd t (in uren) voor het volledig opladen van de batterij berekend door capaciteit van de batterij (bijvoorbeeld 1200mAh) te delen door de oplaadstroom I S bij 100.000 Lux. 9
7. Hulp bij het vinden van fouten Algemeen Controleer aan de achterkant van het printje of alle soldeerverbindingen goed zijn. Let op! Soms lijkt een verbinding op het oog goed omdat er een druppel soldeertin aan het pootje van een component hangt, maar is de verbinding naar het soldeereiland op het printje toch onvoldoende. Zekerheid geeft het meten van de ohmsche weerstand tussen pootje en soldeereiland: die moet zeer laag zijn of de multimeter moet gaan piepen (kortsluiting). Controleer of er niet te veel soldeertin tussen de soldeereilandjes zit, hierdoor kan kortsluiting ontstaan. Indien er componenten vervangen moeten worden, bestaat er voor het plaatsen van nieuwe componenten het probleem dat de gaten in de soldeereilandjes waarschijnlijk verstopt zijn. In dit geval kunnen de onderdelen op de voorkant van het printje worden gesoldeerd. Test 1 Wekt de zonnecel voldoende elektrische spanning op? Controleer de volgende punten als er tussen de aansluitdraden niet voldoende elektrische spanning wordt gemeten: Is de jumper open? Valt er voldoende licht op de zonnecel? Zijn de draden goed aangesloten en stevig gesoldeerd? De spanning van de zonnecel kan ook direct tussen de aansluitpunten van de zonnecel op de achterkant van de cel worden gemeten. Test 2 Loopt er een oplaadstroom naar de batterij? Valt er voldoende licht op de zonnecel? Zit de batterij in de goede stand in de houder? Zijn de plus- en de min-kant van de batterijhouder in de goede richting aangesloten? Zijn de plus- en de min- kant van de zonnecel in de goede richting aangesloten? Zit de diode er in de goede richting in: met de zwarte streep aan de kant van de batterij? Is de ohmsche weerstand tussen S- en de spiraal van de batterijhouder zeer laag (met multimeter meten)? Is de ohmsche weerstand tussen S+ en het pootje van de diode aan de kant zonder streep zeer laag (met multimeter meten), en ook tussen het andere pootje van de diode en het eerste pootje van de jumper en tussen het andere pootje van de jumper en de plusaansluiting van de batterijhouder? Als de jumper open is, moet met een multimeter een diodespanning van 0,2 V 0,4 V over de diode gemeten worden. 10
Test 3 Brandt de LED? De spanning over de LED is alleen vanaf een bepaald lichtniveau voldoende om de LED te laten oplichten. Valt er voldoende licht op de zonnecel? Natuurlijk moet de schakelaar zijn ingedrukt. Klopt de oriëntatie van de LED, zie figuur 18 in de achtergrondinformatie voor de leerlingen. Zijn de ohmsche weerstanden tussen de pootjes van de LED en de aansluitpunten S+ en S- zeer laag (met multimeter meten)? Is de zonnecel goed aangesloten: met plus bij S+ en min bij S-? Werkt de LED nog? Meet met een multimeter de spanning tussen de pootjes van de LED (met de plus-ingang van de multimeter aan de plus-kant van de LED). Deze spanning moet rond de 1,6 V zijn. Test 4 Afregelen van de luidspreker voor de batterijtest Als de luidspreker niet piept: draai de potmeter tegen de klok in tot aan de aanslag en druk de schakelaar in. Piept de luidspreker nu? De ohmsche weerstand tussen B- en de basis van de transistor moet bij deze stand van de potmeter > 5 kohm zijn, anders klopt er iets niet met de potmeter. Is de spanningsbron goed aangesloten: de minpool aan de spiraal van de batterijhouder en de pluspool aan de andere kant van de batterijhouder, en is de spanning 1,3 V. Voor de test moet de goede schakelaar worden ingedrukt. Is de transistor met de ronde kant naar de potmeter aangesloten? Werkt de luidspreker en is hij met de goede oriëntatie aangesloten? Om dit te testen wordt de 1,3 V direct in contact gebracht met de pootjes van de luidspreker - met de negatieve pool aan de kant van transistor. De luidspreker moet nu beginnen te piepen, anders is er iets niet goed met de luidspreker. Als de spanningsbron weer op de batterijhouder aangesloten is: Is de spanning van 1,3 V dan te meten tussen de soldeereilandjes B+ en B- Met ingedrukte schakelaar moet de ohmsche weerstand tussen B+ en het plus-pootje van de luidspreker zeer laag zijn (met multimeter checken). Tussen het min-pootje van de luidspreker en het pootje van de collector van de transistor moet de ohmsche weerstand zeer laag zijn (met multimeter checken). Tussen het plus-pootje van de luidspreker en B- moet de ohmsche weerstand ongeveer 10kOhm zijn. Anders is of een soldeerverbinding tussen deze twee punten niet goed of er is iets mis met de potmeter. Tussen de basis van de transistor en de collector en tussen de basis van de transistor en de emitter moet met een multimeter een spanningsverschil van ongeveer 0,7 V gemeten kunnen worden (plus ingang van de multimeter aan basis). Is dit niet het geval dan klopt er waarschijnlijk iets niet met de transistor. Eventueel maken de pootjes van de transistor onder het huisje contact. De transistor kan dan beter vervangen worden. 11
Kijk voor meer informatie over Jet-Net op: www.jet-net.nl