TECHNIEK project MODELOPLOSSINGEN Jeroen De Meutter Olivier Foets Jeroen Smets
2 PROBLEEMSTELLING Vorig jaar hebben we de energie besproken uit de fossiele brandstoffen. Je weet dat deze brandstoffen driekwart van alle energie op wereldschaal leveren. Als we aan dit tempo energie verbruiken zal er binnen 50 à 60 jaar geen petroleum en geen aardgas meer zijn. Bovendien is de verbranding van fossiele brandstoffen sterk milieubelastend. Door de snelle aangroei van de bevolking, stijgt het energieverbruik en slinken de energievoorraden zinderogen. Hoog tijd dat we overschakelen op andere energiebronnen. Maar bieden zij een oplossing? Zijn alternatieve energiebronnen onuitputtelijk, milieuvriendelijk en altijd beschikbaar en leveren ze ook voldoende energie? Dit ga je onderzoeken in het volgende project. ENERGIE NATUURLIJK 1. Duurzame energie P 3 2. Zonne-energie P 5 3. Wind-energie P 12 4. Thermische energie P 15 5. Water-energie P 17 Stappenplan realisatie P 20
3 1 Duurzame energie 1.1 ENERGIEBRONNEN We hebben een onderscheid gemaakt tussen de energiebronnen. Weet jij nog het verschil tussen de uitputttelijke en onuitputtelijke energiebronnen? Geef ook een paar voorbeelden. Uitputtelijke energiebronnen Onuitputtelijke energiebronnen (Omschrijving) Energiebronnen die ooit op zullen geraken, we zullen er niet eeuwig gebruik van kunnen maken. (Omschrijving) Energiebronnen die niet opgeraken, we kunnen er voor altijd gebruik van maken. (Voorbeelden) Steenkool Aardolie Aardgas (Voorbeelden) Windenergie Waterenergie Zonne-energie Men noemt ze ook duurzame of eindeloze energiebronnen, soms ook alternatieve energie.
4 1.2 EEN DAGJE ZONDER ENERGIE Stel je voor dat je op een dag wakker wordt en dat er geen energie is. Wat loopt er dan allemaal verkeerd? Thuis: Geen wekkerradio Hoe los je dit op? Wakker worden door het licht Op weg naar school: geen verkeerslichten Hoe los je dit op? Extra voorzichtig zijn Op school: geen computers Hoe los je dit op? Pen en papier, opzoeken in boeken, Als we hier even dieper op ingaan, verrast het ons wel dat we zoveel soorten en zulke massa s energie gebruiken en verbruiken. Vergelijk jouw dag zonder energie nu eens met die van je medeleerlingen. Welke soorten energie heb je gemist? persoonlijk antwoord.......... Extreem gesteld geraken we niet eens in de school, want onze belangrijkste energiebron, de zon, laat het ook afweten. Noteer enkele energiebronnen waarvoor de zon verantwoordelijk is: Windenergie Waterenergie (regen)
5 2 Zonne-energie Zonne-energie is een passieve energie. Dit wil zeggen dat je niets hoeft te doen om deze energie te bekomen. Nadat je moeder de was uit de wasmachine gehaald heeft, hangt ze hem buiten op de wasdraad. Nu doet de zon de rest. Waar en wanneer maken we nu al handig gebruik van gratis zonne-energie? Warmte in de serre Hoe kunnen we op school beter gebruik maken van passieve zonne-energie? Grotere ramen (warmer en meer licht) (verschilt van school tot school) Dus de zon straalt rechtstreeks licht en warmte op de aarde. De hoeveelheid energie die de zon op ons afstuurt, is 10 000 maal groter dan het huidige wereldenergieverbruik. Hoe kun je die zonne-energie echter opvangen, omzetten, transporteren en opslaan? Neem de fiche onderzoeksopdracht 1 en bouw de ventilator die je nodig hebt voor de onderzoeksopdrachten 2, 5 en 6. Opdracht 1
6 2.1 ZONNECELLEN Neem de fiche onderzoeksopdracht 2 en voer de opdracht uit. Vergeet niet je waarnemingen in je werkbundel in te vullen. Onderzoeksopdracht 2 Waarnemingen: Hoe moet je de zonnecel in het licht houden om de propeller snel te laten draaien? Recht naar de lichtbron gericht Hoe kun je de propeller langzamer laten draaien? Zonnecel wegdraaien van de lichtbron. Welke energie verandering is er? Licht elektrische energie Nu gaan we eens bestuderen hoe zo n zonnecel nu eigenlijk werkt. Wat zie je op deze foto? Zonnepanelen Waar kunnen we deze terugvinden? Op daken van huizen
7 Waarvoor dienen deze panelen? Om elektriciteit op te wekken. Dergelijke zonnepanelen zijn opgebouwd uit verschillende kleine zonnecellen. Een zonnecel is een stukje elektronica, meestal maar een vingernagel groot, wat zonlicht omzet in elektriciteit. Officieel heet een zonnecel een fotovoltaïsche cel. Foto betekent licht, en met volt meet je de kracht van elektriciteit. In fel licht produceert een zonnecel maar één of twee volt. Ongeveer evenveel als de batterij van een zaklamp. In een zonnepaneel zitten dus een heleboel cellen naast elkaar, en panelen kunnen aan elkaar gekoppeld worden. Zo kunnen zelfs hele steden van elektriciteit worden voorzien. Waar komen we nog dergelijke kleine zonnecellen tegen? Rekentoestel Hoe werkt een fotovoltaïsche cel? Een zonnecel is opgebouwd uit twee laagjes silicium. De twee laagjes (3 en 5) zijn gescheiden door een scheidingslaag (4). Bij het invallen van het zonlicht (1) ontstaat er tussen beide lagen een spanning. Net zoals bij een batterij heeft een zonnecel een + en een pool. De spanning stroomt via het achtercontact (6) of de pluspool naar de elektrische installatie en komt via het voorcontact of de minpool terug naar de cel.
8 BEGRIJPEN Zonnecellen (fotovoltaïsche cellen) zetten licht rechtstreeks om in elektriciteit. Ze bestaan uit een halfgeleider (silicium) die als eigenschap heeft dat er elektriciteit gegenereerd wordt als er licht opvalt. In een zonnepaneel zitten dus een heleboel van deze cellen naast elkaar. ICT-OPDRACHT VOOR EN NADELEN ZONNEPANELEN Surf naar: www.google.be Probeer een paar voor- en nadelen te zoeken van het gebruik van zonnepanelen. Noteer telkens de website waar je de informatie haalde. Voordelen 1) Vervuilt niet 2) Geeft veel energie 3) Hoog rendement 4) Verminderde energiefactuur 5) Duurzaam Website: http://www.zonnepanelenonline.be/voor-en-nadelen.php Nadelen 1) Dure plaatsingskosten 2) Veel plaats nodig 3) Het produceren is vervuilend 4) Geen zon = weinig energie 5) Terugverdientijd is minstens 10 jaar Website: http://www.zonnepanelenonline.be/voor-en-nadelen.php
9 2.2 ZONNECOLLECTOREN Klassikale onderzoeksopdracht Uit welke onderdelen bestaat onze zelfgemaakte zonnecollector? glas houten bekisting zwarte plastic een buis Warm water Opdracht: zorg dat de collector naar de zon gericht staat en laat het water door de leidingen stromen. Wat stel je na een tijdje vast? Er komt warm water uit buis Verklaring Wat doet de zwarte onderzijde van de kist? Ze houdt de zonnewarmte goed vast. Waarom net zwart? Denk eens aan welke kleren je draagt in de zomer? Welke kleuren hebben deze? Zwart houdt de warmte vast we dragen meestal lichte (witte) kleren in de zomer, deze stoten de zon af. Waarvoor dient de glazen plaat? Laat de zonnestralen door, maar houdt de warmte vast. Waar wordt dit principe nog toegepast? In een serre Hoe komt het dat we warm water krijgen? De hete lucht in de kist verwarmt het water in de leidingen
10 Zonnecollectoren in de praktijk Uit de vorige onderzoeksopdracht is gebleken dat we dmv onze zonnecollector water kunnen opwarmen. Waarvoor zou jij dan een zonnecollector gebruiken in je huis? Warm water om te douchen Werking van een zonnecollector Om de zoninstraling op te vangen, wordt op het dak van de woning, dit kan zowel op een hellend als op een plat dak, een zonnecollector (1) gemonteerd. Deze zonnecollector absorbeert de zoninstraling waarmee de collectorvloeistof (meestal water, maar kon ook lucht of olie zijn) wordt opgewarmd. Via de warmtewisselaar (3) wordt die warmte direct gebruikt of opgeslagen in een opslagvat (4). In de zomer bij voldoende zonlicht warmt de zonneboiler voldoende water op tot comforttemperatuur. Op minder zonnige dagen en in de winter zal je eventueel moeten bij verwarmen. Een zonneboiler bereikt gedurende 6 maanden een watertemperatuur van > 40ºC; de resterende maanden een temperatuur tussen 15ºC en 40ºC. Zo neemt een zonneboiler op jaarbasis ongeveer 60 à 70% van de warmwaterproductie voor zijn rekening.
11 Wat is het verschil tussen een zonnecollector en een zonnepaneel? Een zonnecollector zorgt er voor dat het water verwarmd wordt, het verwarmt het water rechtstreeks. Een zonnepaneel wekt elektrische energie op door middel van de zon. 2.3 ZONNE-ENERGIECENTRALES Neem de fiche onderzoeksopdracht 3 en 4 en voer de opdracht uit. Vergeet niet je waarnemingen in je werkbundel in te vullen. Onderzoeksopdracht 3 en 4 Waarnemingen: Word je vinger lekker warm? Waarom denk je? De zon wordt weerkaatst op je vinger en geeft warmte af. Wat Conclusie: stel je vast bij onderzoeksopdracht 2? Het water wordt warm Zonne-energiecentrales werken ook op deze manier. De zonnestralen worden door grote draaibare holle spiegels opgevangen en gecentreerd naar een centraal punt. Het water wordt opgewarmd en kan zelfs tot 3400 C oplopen. Daarna wordt het heet water omgezet in stoom. Deze stoom zal de turbine van een thermische centrale aandrijven. De turbine zal een alternator aandrijven die elektriciteit produceert.
12
13 3 Wind-energie Neem de fiche onderzoeksopdracht 5 en voer de opdracht uit. Vergeet niet je waarnemingen in je werkbundel in te vullen. Onderzoeksopdracht 5 Waarnemingen: Wat gebeurt er? De LED gaat feller branden. Welke energie verandering is er? Windenergie Elektrische energie Nu gaan we eens bestuderen hoe zo n windmolen nu eigenlijk werkt. 3.1 Is windenergie wel modern? Al eeuwenlang maakt de mens gebruik van windenergie. Hoe maakten ze hier vroeger gebruik van? Windmolens om graan te malen, olie te persen, Een stukje geschiedenis.. In de 5de eeuw na Christus werden er al windmolens gebruikt in Perzië. Pas in de 12de eeuw werden de windmolens door Europa verspreid. Deze windmolens waren gebouwd van hout. Riet werd gebruikt als bedekking en er werd zeil gebruikt om de wieken beter te
14 laten draaien als er weinig wind was. Rond 1970 werden de energieprijzen veel hoger, dat kwam door de oliecrisis. Daarom gingen mensen andere manieren bedenken om aan energie te komen. Ook werd er veel gedacht over gratis energie uit wind. Windturbines werden gebouwd. Dat zijn werktuigen die stroom opwekken uit wind. In het begin waren de windturbines veel kleiner dan nu. Ook waren ze veel duurder. Maar hoe werkt nu zo n windturbine? 3.2 Werking van de windturbine Het bovenste deel van de windmolen wordt de gondel genoemd. De gondel is eigenlijk de machinekamer van de turbine. De rotorbladen (wieken) van de molen zitten vast aan een as die de gondel binnengaat. De gondel draait op de mast, zodat de molen altijd optimaal met zijn neus op de wind kan worden gericht. In de gondel zitten alle belangrijke onderdelen van de turbine zoals de tandwielkast, generator en transformator. Het opwekken van windenergie begint bij de wind die de rotorbladen laat draaien. De rotorbladen kunnen kantelen om meer of minder wind op te vangen. Op de molens zitten sensoren die de kracht en richting van de wind meten zodat de wieken altijd in
15 wind staan. De rotorbladen zitten vast aan de hoofdas. De draaiende beweging van deze hoofdas wordt in een tandwielkast versneld. De tandwielkast drijft vervolgens de generator weer aan. Een generator is vergelijkbaar met een dynamo. In een dynamo wordt de draaiende beweging omgezet in elektriciteit. In de molen bevindt zich nog een transformator die de spanning van de stroom verder verhoogt zodat de stroom over grote afstanden getransporteerd kan worden zonder al te veel verlies. 3.3 Voor- en nadelen van de windturbine ICT-OPDRACHT VOOR EN NADELEN WINDENERGIE Surf naar: www.google.be Probeer een paar voor- en nadelen te zoeken van het gebruik van windturbines. Noteer telkens de website waar je de informatie haalde. Voordelen 1) Duurzaam 2) Vervuilt praktisch niet 3) Hoge betrouwbaarheid 4) onuitputtelijk 5) in principe overal mogelijk Website: http://www.energiesoorten.be/windenergie/voordelen/ Nadelen 1) productie van de turbine is vervuilend 2) vogels vliegen er in en sterven 3) lelijk uitzicht 4) op zee is de kans op een aanvaring groot bij slecht zicht 5) hoog geluid Website: http://www.energiesoorten.be/windenergie/nadelen/
16 4 Thermische energie Neem de fiche onderzoeksopdracht 6 en voer de opdracht uit. Vergeet niet je waarnemingen in je werkbundel in te vullen. Onderzoeksopdracht 6 Waarnemingen: Vraag 1: Wat gebeurt er? De ventilator gaat draaien Vraag 2: Waarom mag er geen lucht in het potje onder het deksel zitten? Er mag geen lucht onder het deksel zitten omdat lucht isoleert en er voor zorgt dat het element minder warm wordt. Vraag 3: Wat gebeurt er? De ventilator gaat sneller draaien. Vraag 4 : Waarom is een luchtbel in het potje niet zo belangrijk? De luchtbel in het potje is niet zo belangrijk omdat de luchtbel opstijgt naar de bodem van het potje. Vraag 5: Wat gebeurt er? Als ik een of meerdere ijsklontjes in het koude water doe dan zie ik dat de ventilator door het grotere temperatuursverschil sneller gaat draaien. Vraag 6: Wat gebeurt er nu? als ik het thermo-element tussen de deksels omdraai dan zie ik dat de motor van de ventilator de andere kant op gaat draaien. Conlusie: Wanneer gaat de ventilator steeds sneller draaien? Bij een warmteverschil gaat de ventilator sneller draaien.
17 Waar kunnen we nog energie opwekken door gebruik te maken van een temperatuurverschil? Aardwarmte of geothermische energie is energie die kan ontstaan door het temperatuurverschil tussen de aardoppervlakte en diep in de aarde gelegen delen. Deze aardwarmte kan ingezet worden voor de winning van energie. Iedere kilometer die je dieper de aarde ingaat, stijgt de temperatuur met 30. In het binnenste van de aarde is de temperatuur bijna 4000 C. Op sommige plaatsen, vooral in vulkanische gebieden (IJsland), kan de temperatuurstijging sterk oplopen. Denk maar aan de bekende warmwaterbronnen. Maar die hebben wij in België niet. Om dan toch van thermische energie gebruik te maken moet men kilometer diep boren en dat is een flinke klus.
18 5 Water-energie ICT-OPDRACHT WATERKRACHTCENTRALE Surf naar: http://www.youtube.com/watch?v=45cpgmxse88 Probeer aan de hand van het filmpje van Bas en Rik zelf de werking van een waterkrachtcentrale te ontdekken. Opgelet! Niet alle woorden zijn correct geschreven in het filmpje. Let dus op de schrijfwijze als je je antwoord wil noteren. I. WERKING VAN DE WATERKRACHTCENTRALE Probeer zo nauwkeurig mogelijk de werking van de waterkrachtcentrale te omschrijven. (tip: werk in verschillende stappen) 1) Het water gaat van de watervoorraad door een buis naar de turbine. 2) Het water duwt tegen de bladen van de turbine daardoor gaat de turbine draaien. 3) De draaiende beweging van de turbine wordt door een generator omgezet in elektrische stroom. 4) Daarna gaat de elektrische stroom van de generator naar de omvormer, deze omvormer zet de stroom om naar de juiste spanning. 5) Het water dat door de turbine ging wordt opgevangen in een reservoir.
19 II. DE ONDERDELEN VAN DE CENTRALE Probeer aan de hand van het filmpje de juiste benaming bij het juiste onderdeel te plaatsen. (1) (6) (4) (3) (2) (5) (1) Waterreservoir (2) turbine (3) generator (4) omvormer (5) hoogspanningsnet (6) waterreservoir II. VOOR- EN NADELEN VAN EEN WATERKRACHTCENTRALE Geef een paar voor- en nadelen van waterkrachtcentrales. Je kunt deze uit het filmpje halen. Maar je mag zeker nog wat verder opzoekingswerk doen. Vergeet dan niet je website te vermelden waar je je informatie vandaan hebt. Voordelen - Geen afvalstoffen - Onuitputtelijk - Geen luchtverontreiniging - Geen brandstoffenverbruik - Onderhoudskosten zijn laag
20 Nadelen - Zonder speciale watertrappen sterft er veel vis - De bouw is erg duur - Door dammen kan vruchtbare grond onderlopen IV. WATERKRACHTCENTRALES IN BELGIË? Probeer onderstaande vragen op te lossen door een zoekmachine te raadplegen. Geef de belangrijkste stuwdam en waterkrachtcentrale in België Stuwdam: De stuwdam van Gileppe Waterkrachtcentrale: Coo-Trois-Ponts Website: http://www.energie-zuinig.be/waterkracht.htm Wat kunnen we zeggen over de productiecapaciteit van de waterkrachtcentrales in België? Waterkracht maakt slechts een zeer beperkt deel uit van de totale productiecapaciteit in België. Website: http://www.energie-zuinig.be/waterkracht.htm