USB-Messplatine für Brennstoffzellen Gebrauchsanweisung · Für die folgenden Experimente können zwei (2) Lasten wie Widerstand, Kondensator, Motor oder Brennstoffzelle parallel

1

USB-Messplatine für Brennstoffzellen

Gebrauchsanweisung

FCJJ-24

2

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung 2. Verwendungszweck 3. Allgemeine Sicherheitsvorkehrungen 4. Verwandte Themen 5. Hardware-Installation 6. Software-Installation 7. Erläuterungen zur Verwendung der Grafik-Software 8. USB-Messplatine 9. Stromquellen und Lasten 10. Widerstandsmessung 11. Grundkenntnisse Windkrafttechnologie 12. Unterschiede Drehstrom-Generator und Gleichstrom-

Generator 13. Experimente 14. Fehlerdiagnose 15. Technische Daten

Horizon Fuel Cell Technologies E-mail [email protected] Webseite www.horizonfuelcell.com

3

1. Einführung Schwindende Ressourcen, zunehmende Umweltbelastungen und die ständig steigende Nachfrage nach Energie zwingen uns, die Strukturen unserer Energieversorgung neu zu bewerten. Speziell Automobilhersteller und Energieversorgungsunternehmen investieren zunehmend in Wasserstofftechnologie. Moderne Wasserstoff-Brennstoffzellen sind heute schon in der Lage unterschiedlichsten Anforderungen, vom Aufladen eines Handys bis hin zur Energieversorgung eines Kfz, gerecht zu werden. Die USB-Messplatine erlaubt nun den direkten Einblick in den elektrischen Betrieb einer Brennstoffzelle. So können Sie beobachten, wie aus Leitungswasser Wasserstoff entsteht, der dann zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Die USB-Messplatine für Brennstoffzellen verwandelt Ihren regulären Computer oder Laptop zu einem PC-Messlabor, mit dem Sie den elektrischen Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke, Widerstand und Leistung "grafisch" beobachten können. Herkömmliche Messgeräte eignen sich gut für die Erfassung von statischen Messwerten, aber dieses Produkt ermöglicht Ihnen nun die grafische Echtzeitbetrachtung der elektrischen Parameter! Die USB-Messplatine für Brennstoffzellen ist ein Low-Cost PC-Laborgerät, welches speziell für die Messung und Aufzeichnung von Spannung, Stromstärke, Belastungswiderstand und Leistungswerte für Brennstoffzellen mit einer Leistungskapazität bis zu 5 Watt konstruiert. Mit den folgenden Experimenten erlernen Sie innerhalb weniger Minuten die technisch/physikalischen Zusammenhänge der Brennstoffzellen. Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte! Die folgenden Messungen sind möglich:

• Spannung (Volt): Messbereich: 0 - 5 V

• Stromstärke (Ampere): Messbereich: 0 – 1 A

• Leistung (Watt): Messbereich: 0 – 5 W

• Widerstand (Ohm): Messbereich: 0 – 99.999 Ohm Um besten Ergebnisse zu erzielen und Missverständnisse zu vermeiden, lesen Sie bitte jedes einzelne der Experimente durch, bevor Sie es ausführen. Wir wünschen Ihnen viele angenehme Stunden, in denen Sie mehr über die Brennstoffzellentechnik und den Nutzen für unsere Welt lernen werden.

4

2. Verwendungszweck

• Messungen von Brennstoffzellen im Leistungsbereich von bis zu 5 Watt können mit der USB-Messplatine für Brennstoffzellen und der zugehörigen Software durchgeführt und ausgewertet werden.

• Die Hardware und Software wurden ausschließlich zu Bildungs- und Demonstrationszwecken

entwickelt. Die Verwendung für andere Applikationen ist verboten!

3. Allgemeine Sicherheitsvorkehrungen Zur Vermeidung von Risiken, sollten Sie, bei der Durchführung von Messungen mit dem USB-Messplatine für Brennstoffzellen, die folgenden allgemeinen Sicherheitsvorkehrungen befolgen.

• Das System sollte ausschließlich von einer qualifizierten Person eingerichtet und betrieben werden. Jugendliche und Studenten sollten zu jeder Zeit unter der Aufsicht von Erwachsenen stehen.

• Lesen Sie die Bedienungsanweisung, bevor Sie das das System einrichten. Befolgen sie diese

während der Benutzung und halten Sie sie griffbereit.

• Das System ist kein Spielzeug. Betreiben Sie das Gerät nicht in der Reichweite von kleinen Kindern und halten sie es von Zündquellen.

• Sofern nicht anders angegeben, schließen Sie die Brennstoffzelle nicht kurz und kehren sie nicht

die Polarität der Anschlüsse um.

• Betreiben Sie das System nicht in der Umgebung von brennbaren Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten. Die im System integrierten Katalysatoren können eine Selbstentzündung auslösen.

• Wasserstoff und Sauerstoff könnten aus den Brennstoffzellen und Elektrolyseuren entweichen. Um

zu verhindern, dass die Gase sich sammeln und explosive Gemische bilden, verwenden Sie das System nur in gut gelüfteten Räumen.

• Brennstoffzellen und Elektrolyseure sollten ausschließlich dort betrieben werden, wo es jederzeit

ausreichend Belüftung gibt. Der Betreiber ist verpflichtet, dies durch geeignete Messungen sicherzustellen.

• Entfernen Sie alle Gegenstände und Einrichtungen, welche Wasserstoff entzünden könnten, z. B.

offene Flammen, Materialien, die sich statisch aufladen könnten und/oder Substanzen mit einer katalytischen Wirkung, aus der Umgebung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

• Entfernen Sie alle Substanzen, die sich mit erhöhter Sauerstoff-Konzentration spontan entzünden

könnten, aus der Umgebung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren,

• Rauchen Sie nicht in der Nähe von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

• Verwenden Sie ausschließlich den von Horizon gelieferten Gasbehälter zum Speichern von Gas. Schließen Sie niemals alternative Behälter an.

• Horizon übernimmt keine Verantwortung für Verletzungen oder Schäden, welche durch die

Nichtbeachtung der Sicherheitsvorkehrungen entstehen.

5

4. Verwandte Themen 4.1 Reverse Engineering Sie sind nicht berechtigt die Software und/oder das Produkt als Ganzes oder in Teilen nachzubauen, zu dekompilieren oder zu demontieren. 4.2 Fehler Horizon hat jede Anstrengung unternommen, die Software und die Hardware fehlerfrei auszuliefern. Wir übernehmen jedoch keine Verantwortung für Designfehler oder die nicht bestimmungsgemäße Verwendung Produktes. Wenn Sie Fehler feststellen, setzen Sie sich bitte sofort mit uns in Verbindung.

Horizon Brennstoffzellentechnik www.horizonfuelcell.com

4.3 Systemvorraussetzungen Die folgenden Betriebssysteme werden unterstützt: - Windows 2000, Windows 98, Windows ME, Windows NT, Windows XP, Windows Vista. - MACs mit INTEL-Prozessoren können „Desktop 3.0 for Mac“ verwenden. 4.4 Software Installations- CD-ROM mit Grafik-Software und USB-Treibern 4.5 Software-Installation Sie benötigen Administratorenrechte für die Installation der Software unter Windows 2000, Windows NT, Windows XP oder Windows Vista. 4.6 Lieferumfang

• USB-Messplatine • USB-Kabel • 1 x 1 Ohm und 2 x 10-Ohm-Widerstände • Kondensator • CD-ROM mit Grafik-Software und USB-Treibern • Anschlusskabel

6

4.7 Für die Experimente notwendig (nicht im Lieferumfang enthalten)

• Windows-PC - MACs müssen „Desktop 3.0 for Mac“ verwenden • Brennstoffzellen • Solarzellenplatte • Tischventilator für Windturbine • Kleiner Gleichstrommotor und Propeller • Batteriehalterung (zwei AA-Batterien nicht eingeschlossen) • Windturbine

5. Hardware-Installation

1. Verbinden das USB-Kabels mit dem Computer und der USB-Messplatine. 2. Die grüne und blaue LED auf der USB-Messplatine sollten blinken, um anzuzeigen, dass die

Verbindung hergestellt wurde und die USB-Messplatine vom Computer mit Strom versorgt wird. 6. Software-Installation

1. Legen Sie die CD-ROM des USB-Messplatine für Brennstoffzellen in das Laufwerk Ihres Computers ein und schließen Sie es.

2. Auf dem Desktop klicken Sie mit der rechten Maustaste auf „Start“ und dann auf „Explorer“. Finden

Sie Ihr CD-ROM-Laufwerk (D, E oder höher) und klicken Sie darauf, um den Inhalt des Ordners zu öffnen.

3. Doppelklicken Sie auf die USB-Treiber-Software (USB Driver Installer.exe), um sie zu installieren.

4. Doppelklicken Sie auf die Datei Horizon FC Installer und folgen Sie den Anweisungen, um die

Software zu installieren.

5. Minimieren Sie alle Anwendungen, bis der Desktop wieder erscheint. Ein Horizon FCA-Symbol, wie hier gezeigt, sollte erscheinen:

6. Klicken Sie auf das Horizon FCA-Symbol. Sie können entweder Englisch oder

Deutsch auswählen.

7. Sie haben die Hardware und Software erfolgreich installiert. Fahren Sie nun mit Abschnitt 7 "Erläuterung zur Verwendung der Graphics Software" fort.

7

7. Erläuterung zur Verwendung der Grafik-Software Die grafische Bedienoberfläche ist in mehrere Bereiche aufgeteilt, die Darstellung der elektrische Größen wie Spannung, Stromstärke, Leistung und Widerstand und die Funktionen der Software können mittels Symbolen gesteuert werden. Das Kennlinienfeld zeichnet kontinuierlich die vier verschieden-farbigen Verläufe von Spannung, Stromstärke, Leistung und Widerstand.

• • • •

Grün - Spannung in VoltBlau - Stromstärke in Ampere Rot - Leistung in Watt Schwarz - Widerstand in Ohm

8

Bevor jedoch diese Werte dargestellt werden können, müssen Sie den Comm-Anschluss konfigurieren. Um die richtige Comm-Anschluss Nummer zu finden, gehen Sie auf Systemsteuerung -> System -> Hardware -> Geräte-Manager und klicken Sie dann auf den Comm-Anschluss. Tragen Sie diesen Wert in das Zahlenfeld ein und klicken Sie danach auf das Verbindungssymbol mit dem roten x.

Ist die Nummer korrekt, wird das Verbindungssymbol anzeigen. Ist der Comm-Anschluss nicht korrekt konfiguriert, wird eine Fehlermeldung angezeigt, die in der Regel angibt, dass der Comm-Anschluss bereits in Benutzung ist.

Die Zeitachse (horizontale Achse) des Kennlinienfeldes kann mittels den AUF- und AB-Pfeilen vergrößert und verkleinert (zoom) dargestellt werden. Die Spannungs-, Stromstärke-, Leistungs-, Widerstandsachsen (vertikale Achse) können mittels den LINKS- und RECHTS-Pfeilen vergrössert und verkleinert (zoom) dargestellt werden. vergrößert oder verkleinert werden.

Klicken auf das mittige Doppel-Pfeil-Symbol, um die Grafikeinstellungen zurückzusetzen.

Um die Datenaufzeichnung zu starten, klicken Sie auf das Symbol „Diskette/Binärcode“. Es öffnet sich ein Fenster mit einer neuen Datei zur Erfassung der Messreihe. Um die erfasste Messreihe, klicken Sie auf das Symbol „Auge/Binärcode“. Die erfassten Messwerte dieser Reihe, werden über den Plotbereich angezeigt. Dieselbe Datei kann, für weitere Analysen in ein Tabellenkalkulations-Programm wie z. B. Excel übertragen werden. Gehen Sie hierzu auf Program Files Horizon FCA Data.

Klicken Sie auf das Symbol „Radiergummi“, um die Messreihe zu schließen und alle aufgezeichneten Messwerte dieser Reihe zu löschen.

9

Klicken Sie auf das Symbol „Kamera“, um eine Momentaufnahme des Bildschirms (screen shot) zu erfassen. Diese Momentaufnahmen werden automatisch in einer Datei *.jpg Datei gespeichert und können in Berichte eingefügt oder eigenständig ausgedruckt werden. Gehen Sie auf Program Files Horizon FCA Data. Klicken Sie auf das Symbol „Auge/Kennlinie“, um sich die aufgenommenen Bilder (screen shots) anzusehen.

Die vier Anzeigen für Spannung, Stromstärke, Leistung und Widerstand sind in ihren Skalen im Gegensatz zum Kennlinienfeld nicht veränderlich. Achtung: Der maximal Widerstandswert beträgt 99,999 Ohm, auch wenn der tatsächliche Widerstand höher sein sollte. Die anderen elektrischen Anzeigen stimmen mit den tatsächlichen Messwerten überein. Um den Darstellungsbereich übersichtlicher zu gestalten, können die einzelnen Kennlinien durch die jeweiligen Schalter ein- und ausgeblendet werden.

Wenn Ihr Computer mit dem Internet verbunden ist, klicken Sie auf das Symbol, um auf die Horizon-Webseite zu gelangen.

10

8. Die USB-Messplatine

Die USB-Messplatine ist eine elektronische Schnittstelle zwischen Geräten wie einer Brennstoffzelle, Solarzellenplatte und Windturbine. Wenn sie über ein USB-Kabel mit einem Computer verbunden ist, werden die elektrischen Grössen Spannung, Stromstärke, Widerstand und Leistung der Brennstoffzellen gemessen, berechnet und angezeigt. Diese elektrischen Grössen werden 3 mal pro Sekunde übertragen (sampling rate). Die Software stellt diese übermittelten Größen als Zahlenwerte und farbige Kennlinien dar. Eingangs- und Ausgangsbuchsen Für die folgenden Experimente werden die Spannungsquellen wie eine Batterien, Solarzellen, Windturbine oder Brennstoffzellen mit den zwei (2) Eingangsbuchsen verbunden. Bitte beachten Sie hierzu die Polarität der Eingangsbuchsen. Die rote Buchse muss mit dem positiven (+)-Pol, und die schwarze Buchse mit dem negativen (-)-Pol der Spannungsquelle verbunden werden. Für die folgenden Experimente können zwei (2) Lasten wie Widerstand, Kondensator, Motor oder Brennstoffzelle parallel mit den zwei mal zwei (2x2) Ausgangsbuchen verbunden. Bitte beachten Sie hierzu die Polarität der Ausgangsbuchsen. Die roten Buchsen müssen mit dem positiven (+)-Polen, und die schwarzen Buchsen mit dem negativen (-)-Polen der Lasten verbunden werden. Das Diagramm im nächsten Abschnitt zeigt die Anordnung der Anschlüssebuchsen. Parallelwiderstand R4, 1 Ohm Ein Widerstand (R4, 1 Ohm) ist parallel zur Eingangs- und Ausgangsbuchsen und dem Mikroprozessor (U1) geschaltet. Da die Lasten in den folgenden Experimenten kleine Widerstandswerte aufweisen, in der Regel >/= 10 Ohm, muss der 1 Ohm Widerstand in die späteren Berechnungen eingeschlossen werden.

11

Blinkende LEDs Die zwei blinkenden LEDs zeigen die Grösse der gemessenen Spannung und Stromstärke an. Die grüne LED zeigt die Spannung, blaue LED zeigt die Stromstärke an - - je heller die LEDs leuchten, desto größer sind die gemessene Werte. Zum einfacheren Verständnis werden sowohl auf der Platine als auch in der Software dieselben Farben für Spannung und Stromstärke verwendet. USB-Anschluss Der USB-Anschluss der Platine ist mit dem USB Anschluss des Computers zu verbinden. Die USB-Messplatine benötigt keine eigene Stromversorgung, sondern wird vom USB-Port des Computers mit betrieben.

12

9. Spannungsquellen und Lasten Die Experimente verwenden die folgenden Spannungsquellen und Lasten.

Spannungsquellen • Batterie • Solarzellen • Windturbine • Brennstoffzelle

Lasten

• Widerstände • Kondensator • Propeller • Brennstoffzelle

Was ist eine Spannungsquelle? Für diese Experimente ist eine Spannungsquelle eine Vorrichtung, die elektrische Spannung produziert und folglich Strom mittels eines Leiters fliessen lässt. Die Spannungsquellen verwenden chemische Elemente (Batterie, Solarzellenplatte), elektromagnetische Bauteile (Windturbine) oder Wasserstoff (Brennstoffzelle) zur Erzeugung von Energie. Die Gleichung für Leistung ist wie folgt: P = U*I davon P = Leistung in Watt U = Spannung in Volt I = Stromstärke in Ampere Was ist eine Last? Eine Last ist eine Vorrichtung, die die Leistung aus einer Quelle aufnimmt und dazu verwendet, um Arbeit verrichten, wie z. B. einen Motor anzutreiben. Andere Lasten wie Widerstände und Kondensatoren dienen zur Verteilung oder Speicherung dieser Energie. In allen Fällen werden Lasten verwendet, um die produzierte Leistung umzuwandeln oder zu regeln/steuern. Im allgemeinen wird eine Last als Widerstand, mit der Maßeinheit Ohm, gemessen. Relativ gesehen hat eine „geringe“ Last einen „großen“ Widerstand und ein „starke“ Last einen „kleinen“ Widerstand. Das mag widersinnig erscheinen, aber es ist so. Ein 100 Ohm Widerstand bedeutet zum Beispiel eine "geringere" Last in einem Stromkreis, als einem 10 Ohm Widerstand, da bei einem Widerstand von 100 Ohm ein geringerer Strom fliessen kann und dadurch der Stromkreis weniger „belastet“ wird. Die Gleichung für die Berechnung den Zusammenhang von Spannung, Strom und Widerstand (Last), nennt sich das „Ohmsche Gesetz“ und ist wie folgt:

13

U = I*R

davon U = Spannung in Volt I = Stromstärke in Ampere R = Widerstand in Ohms Was ist ein Widerstand? Ein Widerstand ist ein elektrisches Bauteil (in der Regel aus Kohlenstoff), welche den Fluss des Stromes aus einer Spannungsquelle kontrolliert. Widerstände sind wichtige Komponenten in jeder elektrischen Schaltung, die den Strom für andere Komponenten im Schaltkreis begrenzen, damit diese fehlerfrei funktionieren können. Das physikalische Bauteil und das elektrische Symbol für einen Widerstand werden wie folgend dargestellt:

Was ist ein Kondensator? Ein Kondensator ist ein Bauteil, welches die Energie aus einer Spannungsquelle speichert und diese gespeicherte Energie wieder freisetzt. Er ist so etwas wie eine wieder aufladbare Batterie, aber sehr unterschiedlich in seinem Aufbau und seinem Einsatz in Schaltungen. Je nach seiner Größe (die physikalische Masseinheit nennt man Farad), kann ein Kondensator, viel schneller als eine Batterie, Energie speichern und freisetzen. In den Experimenten werden Kondensatoren verwendet, um die Spannungswellen herauszufiltern, welche durch die Windturbine erzeugt werden. Kondensatoren können in zwei Grundtypen aufgeteilt werden - polarisiert und nicht polarisiert. Ein polarisierter Kondensator erfordert, dass Sie das positive Kabel mit dem roten Anschluss auf der Platine und das negative Kabel mit dem schwarzen Anschluss verbinden. Nicht-Polarisierte Kondensatoren können entweder positiv oder negativ anschlossen werden. Die Experimente verwenden nur einen polarisierten Kondensator. Das physikalische Bauteil und das elektrische Symbol für einen polarisierten Kondensator werden wie folgend dargestellt:

14

Das längere Beinchen eines Bauteils ist positiv (+), während das kürzere Beinchen negativ (-) ist. Die negative Anschlussseite ist auch durch Strich- und Pfeil-Symbolen auf dem Bauteil selbst gekennzeichnet. Stellen Sie in den folgenden Experimenten sicher, dass sie auf richtige Polarität beim Anschluss des Kondensators beachten. Was ist eine Batterie? Eine Batterie speichert chemische Energie, welche in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das physikalische Bauteil und das elektrische Symbol für eine Batterie werden wie folgend dargestellt: Batterien können direkt nach ihrer Herstellung Strom produzieren, Batterien werden z. B. in Taschenlampen verwendet und müssen nachdem sie „leer“ sind ersetzt werden. Akkumulatoren, auch Akkus genannt, sind wieder-aufladbare Batterien, und können nach erneuter Aufladung, durch geeignete Ladegeräte, wieder verwendet werden. Durch das Aufladen des Akkus werden die chemischen Reaktionen die während der Verwendung der Batterie entstehen wieder rückgängig gemacht. Beispiele für Akkumulatoren sind sogenannte Kfz-Batterien, die sich durch die Lichtmaschine des Fahrzeuges selbstständig wieder aufladen. Die Kapazität einer Batterie ist unter anderem abhängig von der Entladungsstromstärke, Umgebungstemperatur und Erwärmung. Die nominale Batteriekapazität (in Ah, Amperestunden) stellt den maximalen Konstantstrom dar, den eine voll aufgeladene Batterie über 20 Stunden bei 20 ℃ bis zu einer vorgegebenen Ladeschlussspannung bereitstellen kann. Eine Batterie mit einer Kapazität von 1000 mAh (Milliamperestunde) kann über einen Zeitraum von 20 Stunden bei Raumtemperatur 50 mA bereitstellen. Verdoppelt sich der Entladestrom, so halbiert sich die Dauer auf 10 Stunden.

15

Was ist ein Motor? Es gibt viele Arten von elektrischen Motoren, aber der in den Experimenten verwendete Motor ist ein kleiner Gleichstrommotor, an dem ein Propeller befestigt ist. Normalerweise besteht ein Motor aus sich drehenden Magneten (Rotoren), die von einer Drahtspule (Stator) umgegeben sind. Der Motor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie (kinetische Energie), indem er elektrische Leistung aufnimmt, diese ein Magnetfeld erzeugt, welches durch Abstossung der gleichen Pole eine Drehbewegung (kinetische Energie) der Welle verursacht. Diese Welle kann z. B. mit einem Propeller verbunden werden, der wie beim Haarfön Heissluft ausbläst. Das physikalische Bauteil und das elektrische Symbol für Gleichstrommotor werden wie folgend dargestellt:

Was ist Elektrolyse? Für unsere Zwecke definiert der Fachbegriff Elektrolyse das Aufspalten von Wasser in seine zwei wichtigsten Komponenten - Wasserstoff und Sauerstoff. Das ist genau das, was eine "umkehrbare" Brennstoffzelle macht. Sie teilt im Elektrolyse-Verfahren Wasser (H2O) in Wasserstoff- und Sauerstoffgase und kombiniert dann im Brennstoffzellen-Modus Wasserstoff und Sauerstoff neu, um Strom zu erzeugen. Aus diesem Grund, nennt man die Brennstoffzelle "umkehrbar". Wie in einem der Experimente veranschaulicht wird, benötigt man nur ca. 1,5 Volt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das physikalische Bauteil und das Symbol für eine umkehrbare Brennstoffzelle werden wie folgend dargestellt:

16

10. Widerstandsmessung Während der Widerstandmessung müssen sowohl der externe Belastungswiderstand als auch der Widerstand R4 auf der Platine in Betracht gezogen werden. Beispiel 1: Die folgende Abbildung zeigt einen 10 Ohm Belastungswiderstand, der an zwei Ausgangsbuchsen angeschlossen wurde. Der Gesamtwiderstand beträgt 11 Ohm (10 Ohm Belastungswiderstand + 1 Ohm Widerstand in Reihe). Hier wird als Spannungsquelle eine Brennstoffzelle verwendet, welche aber auch durch eine Batterie, Solarzelle oder Windturbine ersetzt werden kann. Die entsprechende Schaltung wird wie folgend angezeigt:

Microprocessor

1 ohm sense

resistor

INPUT

OUTPUT

USBConnector

+5V

GND

Voltage LED

Current LED

O HMEA

10 ohmLoad

resistor

1 ohm sense

resistor

10 ohmLoad

resistor

= 11 ohms total

17

Beispiel 2: Die folgende Abbildung zeigt zwei 10 Ohm Belastungswiderstände, die parallel an die Ausgangsbuchsen angeschlossen wurden. Der Gesamtwiderstand beträgt 6 Ohm (5 Ohm "paralleler" Belastungswiderstand + 1 Ohm Sense-Widerstand). Hier wird als Spannungsquelle eine Brennstoffzelle verwendet, welche aber auch durch eine Batterie, Solarzellen oder Windturbine ersetzt werden kann.

Die entsprechende Schaltung wird wie folgt angezeigt:

Microprocessor

1 ohm sense

resistor

INPUT

OUTPUT

USBConnector

+5V

GND

Voltage LED

Current LED

O HMEA

10 ohmLoad

resistor

10 ohmLoad

resistor

1 ohm sense

resistor

10 ohmLoad

resistor

= 6 ohms total10 ohmLoad

resistor

R1 R2

Rparallel =R1 x R2

R1 + R2= 5 ohms

18

11. Grundkenntnisse der Windkrafttechnologie

Die Leistung der Windkraftturbine ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit und dem Quadrat des Radius der Rotorblätter verhält. Wird der Radius der Rotorblätter verdoppelt, vervierfacht sich die Rotorfläche. Wird die Windgeschwindigkeit um die Hälfte verringert (1/2), reduziert sich die Leistung auf 1/8 ihres ursprünglichen Wertes. Ein leichter Wind erzeugt nur geringe Leistung, daher denken Sie daran, einen größeren Tischlüfter für die Experimente zu verwenden. Dadurch erhalten Sie viel bessere Ergebnisse. Albert Betz, ein deutscher Physiker und ein Pionier der Windturbinen-Technik, fand heraus, dass wir nur maximal 16/27 oder ca. 59% der Windenergie sammeln können. Diese Zahl wird als Betz-Koeffizient bezeichnet und ist die theoretische maximale Effizienz, die eine Windkraftturbine aus dem Wind „ernten“ kann. In der realen Welt, müssen viele andere Faktoren berücksichtigen, welche die Effizienz von Windkraftturbinen beeinflussen. Die Effizienz von Windkraftturbinen wird unter anderem durch die Flügelgeometrie, die Effizienz des Generators und die mechanischen Verluste im Getriebe beeinflusst. Aber trotz der Verluste, ist und bleibt Wind eine saubere, kostenlose, erneuerbare Energieform.

Eine Windkraftturbine ist eine Maschine, welche mittels seiner Rotorblätter die Windenergie „erntet“, diese eine Wechselstrom-Generator-Welle antreibt und durch elektrischen Strom erzeugt. Die elektrische Leistung einer Windkraftturbine hängt von vielen Einflussfaktoren ab. Die Konstruktion der Rotorblätter spielt hierbei eine wichtige Rolle: P = 0.5*ρ*A*V³ P = Leistung in Watt ρ= spezifische Luftdichte in kg/m³ (ca. 1,225 kg/m auf Meereshöhe, weniger weiter oben) A = Fläche der Rotorblätter in m² = πr² (r= Radius des Rotoren) V = Windgeschwindigkeit in m/s

19

12. Die Unterschiede zwischen einem Drehstrom-Generator und einem Gleichstrom-Generator Die in den folgenden Experimenten verwendete Windkraftturbine verwendet einen Drehstrom-Generator, auch als Wechselstrom-Generator bekannt, welcher sehr viel effizienter, elektrische Energie produziert, als ein konventioneller Gleichstrom-Generator. Im Folgenden sollen die Unterschiede aufgezeigt werden. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Gleichstrom-Generator und einem Drehstrom-Generator ist die Anzahl der Spulenwindungen im Inneren des Generators. Ein Gleichstrom-Generator hat eine Windung und ein Drehstrom-Generator hat 3 Windungen. Der Gleichstrom-Generator besteht aus einem Rotor (Draht umwickelten Spule), der sich innerhalb eines ihm umgebenden Magnetfeldes (Stator) dreht. Diese Rotor-Spule ist über einen bürstenartigen Stromwender mit den Generatoranschlüssen verbunden. Die Funktion des

Stromwenders ist, jede halbe Drehung des Rotors, die Polarität der Spule umzuschalten. Da sich die Bürsten im Kontakt mit dem drehenden Rotor befinden, werden sie letztendlich verschleißen. Der gleichrichtete Ausgang eines Gleichstrom-Generators produziert

2 halbzyklische positive Wellenformen, wie hier gezeigt. Beachten Sie, dass die Leistung an jedem halbem Zyklus auf Null absinkt, was die Gleichstrommotoren (wie die von Thomas Edison) sehr ineffizient und unzuverlässig macht. Beim Drehstrom-Generator, sind im Gegensatz zu einem einfachen Gleichstrom-Generator, 3 Spulen auf den Stator des Drehstrommotors wickelt. Diese befinden sich in einem Abstand von 120 Grad voneinander. Der Motor besitzt keinen Stromwender. Die drei gleichgerichteten Phasen und Gleichstromwellenformen sind wie folgend dargestellt:

20

Das wichtige, zu verstehende, an diesem Konzept ist, dass aufgrund des gleichen Abstandes zwischen den 3 Spulen, jede von ihnen ihren Höhepunkt zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht. Wenn die einzelnen Phasen durch Gleichrichter kombiniert werden, sinkt die resultierende Spannung und damit die Leistung nie auf Null ab, wie es in einem Gleichstrom-Generator der Fall ist. Die 6 Halbzyklen überschneiden einander in jeder 1/6 Umdrehung (alle 60 Grad). Die Wirkung dieser 6 Halbzyklen pro Umdrehung liefert eine konstantere Leistung für die Last, als die der 2 Halbzyklen pro Umdrehung eines Gleichstrom-Generators. Deshalb liefert ein Drehstrom-Generator mehr Ausgangsleistung als ein Gleichstrom-Generator. Da ein Drehstrom-Generator über einen keinen Stromwender verfügt, ist seine Lebensdauer wesentlich länger, als die eines Gleichstrom-Generators. Ein Drehstrom-Generator benötigt mehr Kupferwindungen als ein Gleichstrom-Generator, was ihn erheblich teuerer macht. Da man sich allerdings keine Sorgen über den Austausch (Wartung) der Stromwender-Bürsten machen muss, und somit sowohl die Lebensdauer, als auch die Effizienz um ein vielfaches höher ist, sind heute nahezu alle Industriegeneratoren Drehstrom-Generatoren.

21

13. Die Experimente Die folgenden Experimente veranschaulichen, wie verschiedene Spannungsquellen mit Hilfe einer Brennstoffzelle Wasser elektrolysieren können. Mehrere Lasten werden verwendet, um verschiedene Belastungszustände zu simulieren. Die Brennstoffzelle dient in den Experimenten, sowohl als Spannungsquelle, als auch als Last. Im Folgenden finden Sie eine Auflistung eines jeden Experiments. Für den grösstmöglichen didaktischen Erfolg, sollten diese Experimente in folgender Sequenz ausführen werden. Experiment # 1 – Reinigung der Brennstoffzelle zur Optimierung der Leistung Experiment # 2 – Elektrolyse mit Hilfe einer Batterie Experiment #3 – Verstehen des Ohmschen Gesetzes Experiment #4 – Elektrolyse mit Hilfe einer Solarzelle Experiment #5 – Betrieb eines Motors (Last) Experiment # 6 – Elektrolyse mit Hilfe einer Windkraftturbine Experiment #7 – Betrieb eines Kondensators (Last) Experiment #8 – Elektrizität aus Ethanol und Wasser Experiment #9 – Untersuchung des Einflusses der Temperatur

22

So holen Sie das Beste aus Ihren Experimenten heraus Die in den folgenden Experimenten wurden gewisse Vorraussetzungen und Parameter für die Durchführung entworfen, um möglichst eindruckvolle und nachvollziehbare Resultate zu erzeugen. Ihre Ergebnisse können jedoch aufgrund unterschiedlicher Einflussfaktoren erheblich von den gezeigten Ergebnissen abweichen. In Einzelfällen, bei sorgfältiger Gestaltung des Experiments, können die gezeigten Ergebnisse sogar übertroffen werden. Brennstoffzellen-Aggregat Die folgenden Experimente gehen davon aus, dass der Benutzer mit der Montage und der Hydratisierung der Brennstoffzelle vertraut ist.

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

Echtzeit-Messungen Die auf Ihrem Computer gezeigten graphischen Darstellungen und Zahlen sind die "Echtzeit" Aufzeichnungen der elektrischen Parameter der Brennstoffzelle. Allerdings sollten Sie berücksichtigen, dass die USB-Messplatine Zeit zur Verarbeitung der elektrischen Signale und Übermittlung der Daten an den Computer benötigt. Die Verzögerung zwischen der Erfassung der Daten und der Anzeige dieser bewegt sich jedoch im Bereich von einigen Millisekunden. Die USB-Messplatine ist kein Oszilloskop. Allerdings geben Ihren die „Echtzeit“-Kennlinien eine viel bessere Experimentiergrundlage, als die Anzeige von Messgeräten ohne Grafik-Funktion.

23

Wo werden die Daten gespeichert Grafische Bilder und erfasste Messwerte finden Sie auf der Festplatte Ihres Computers unter dem folgenden Speicherort: Program Files Horizon FCA Data Die richtige Methode zum Anschluss der Bauteile In diesem Set sind Anschlussleitungen mit Bananenstecker und Krokodilklemmen erhalten. Die Bananenstecker stecken Sie in die Anschlussbuchsen der USB-Messplatine, während die Krokodilklemmen zur Verbindung von kleinen Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren verwendet werden.

24

Die Farbkodierung von Widerständen verstehen Die folgenden Experimente nutzen 3 Widerstände. Da auf dem Widerstandskörper kein Wert abzulesen ist, benutzt man eine andere Methode, um diesen festzustellen. Diese Methode nennt man „Farbkodierung“ und bezieht sich auf die Streifen, welche die zylindrische Oberfläche des Widerstandes umgeben. Nachfolgend befinden sich die Nummer und die zugehörige Farbe, um die Farbkodierung zu identifizieren.

0 – Schwarz 1 – Braun 2 – Rot 3 – Orange 4 – Gelb 5 – Grün 6 – Blau 7 – Violett 8 – Grau 9 – Weiß

Ein 4700-Ohm-Widerstand würde zum Beispiel folgenden Farbenkode (Streifen) aufweisen. 4700 Ohm = Gelb (4) – Violett (7) – Rot (2)

Der letzte Streifen (Rot =2) ist ein Multiplikator einer Potenz von Zehn, deren Exponent durch den Wert der Farbe bestimmt wird. Hier beträgt der Wert des Streifens 10², also 100. Daraus ergibt sich ein Gesamtwert von 47 x 100 = 4.700 Ohm. Unsere drei Widerstände besitzen die Werte 1 Ohm, 10 Ohm und 20 Ohm mit den zugehörigen Farbenkodierungen. 1 Ohm = Braun (1) – Schwarz (0) (Ein Multiplikator von 100 = 0)

10 Ohm = Braun (1) – Schwarz (0) – Schwarz (0) (Ein Multiplikator von 100 = 0)

20 Ohm = Rot (2) – Schwarz (0) – Schwarz (0) (Ein Multiplikator von 100 = 0)

25

Dahinter befinden sich weitere Streifen, welche aber für unsere Zwecke ignoriert werden können. Im Allgemeinen geben sie die Toleranz des Widerstandes an (1%, 5%, 10%, etc.). Die gelieferten Widerstände besitzen eine Toleranz von 5% ihres Nennwertes.

26

Experiment # 1 - Reinigung der Brennstoffzelle zur Optimierung der Leistung Zweck: Dieses Experiment wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle gereinigt und frei von allen Gasen (außer reinem Wasserstoff) ist. Wird dieses Experiment als erstes durchgeführt, so kann die Brennstoffzelle die maximale Energie für die nachfolgenden Experimente bereitstellen. Ausrüstung: 1 Brennstoffzellen-Aggregat 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 1 Batterie-Halterung mit 2 AA-Batterien (Batterie-Halterung hat ihre eigene Verkabelung) 1 Rote Messleitung 1 Schwarze Messleitung 1 1 Ohm Widerstand 1 Computer mit Grafik-Software Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Abbildung 1.1 - Experiment # 1 Aufbau

1. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle vollständig hydratisiert ist.

Voltage Current

Input

Output

3 volt battery

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

27

2. Verbinden Sie das USB-Kabel mit der USB-Messplatine und dem Computer und versichern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der USB-Messplatine blinken.

3. Stellen Sie sicher, dass die Software auf dem Computer installiert ist und funktioniert.

4. Klicken Sie auf die Verbindungs-Taste unten links auf der Bedienoberfläche und

versichern Sie sich, dass sich die rote Linie langsam über den unteren Bereich des Kennlienienfeldes bewegt.

5. Stellen Sie die vertikale Spannungsskala auf 7,5 Volt ein.

Hinweis: Bitte lesen Sie sich folgendes Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber notwendig. Verfahren:

1. Stellen Sie den An/Aus-Schalter der Batterie auf An. 2. Vergewissern Sie sich, dass der Wasserstoff-Ballon beginnt sich auszudehnen und dass

eine Darstellung ähnlich der in Abbildung 1.2 unten angezeigt wird.

Abbildung 1.2 - Brennstoffzellen-Elektrolyse

3. Stellen Sie den An/Aus-Schalter der Batterie auf Aus, wenn der Wasserstoff-Ballon gefüllt ist.

28

4. Als nächstes, entfernen Sie die Batterie und schließen Sie die Brennstoffzelle an die Eingangsbuchsen der USB-Messplatine an. Achten Sie hierbei auf die richtige Polarität. Abbildung 1.3 zeigt den richtigen Aufbau.

5. Stellen Sie die Spannung auf dem Computer auf 1,88 Volt ein.

Abbildung 1.3 - Aufbau zur Reinigung der Brennstoffzelle von allen

Gasen

6. Schliessen Sie nun den 1 Ohm-Widerstand an den Ausgangsbuchsen der USB-Messplatine an (Abbildung 1.4). Lassen Sie die Spannung auf Null absinken, um den Ballon von jeglichem Wasserstoff und anderen Gasen zu bereinigen.

29

Abbildung 1.4 – Entladung über einen 1 Ohm Lastwiderstand

7. Als nächstes trennen Sie den Verbindungsschlauch, um ein wenig Wasserstoff in die Luft zu entlassen (Abbildung 1.5). Beachten Sie, dass die Widerstandsanzeige 2,4 Ohm ist - nicht 1 Ohm wie Sie vielleicht erwarten. Mehr dazu in der nachfolgenden Analyse.

Abbildung 1.5 - Entfernen der Gase im Wasserstoffschlauch Analyse: Wie die Abbildungen 1.4 und 1.5 zeigen, steigen Spannung, Strom und Leistung der Brennstoffzelle nach dem Reinigungsprozess der Brennstoffzelle rasch an. Wenn das Brennstoffzellen-System das erste Mal aufgebaut wird, befindet sich eine kleine Menge Luft in den Schläuchen und dem Wasserstoffbehälter, so dass die Brennstoffzelle unreinen Wasserstoff verwendet. Als Ergebnis kann die Brennstoffzelle nicht ihre optimale Leistung erreichen. Wenn der Schlauch allerdings entfernt wird, entweichen die unreinen Gase aus dem Schlauch und reiner Wasserstoff kann bei der nächsten Elektrolyse produziert werden. Aus diesem Grund, sollte das gleiche Verfahren mindestens noch mal wiederholt werden, um die Verbindungsschläuche und den Ballon von unreinen Gasen komplett zu befreien. Nun zum Messwert 2,4 Ohm....

30

Das Experiment verwendet einen 1 Ohm Widerstand als Last, um den Wasserstoff aus dem Ballon der Brennstoffzelle schnell zu entladen. Die Anzeige gibt jedoch 2,4 Ohm an. Woher kommt der zusätzliche Widerstandswert? Bitte erinnern Sie sich daran, dass es einen weiteren 1 Ohm Sense-Widerstand in der Schaltung gibt, der den Gesamtwiderstand erhöht. Daher ergeben die 1 Ohm Last und der 1 Ohm Sense-Widerstand zusammen 2 Ohm. Aber was ist mit den zusätzlichen 0,4 Ohm - woher kommen diese? Diese Ungenauigkeit wird durch die Tatsache verursacht, dass der Belastungswiderstand nicht genau 1 Ohm beträgt... Es könnte ein bisschen mehr oder weniger sein, je nachdem, wie er in der Fabrik hergestellt wurde. Zusätzlich kann auch die Art und Weise, wie er mit der USB-Messplatine verbunden ist, etwas mehr Widerstand zur Schaltung hinzufügen. Wenn er locker befestigt ist (wie in diesem Experiment), könnte dies einen kleinen zusätzlichen Widerstand bedeuten. In der Praxis wird dieser zusätzliche Wert als Übergangswiderstand bezeichnet. Sie werden noch mehrere Abweichungen wie diese, in anderen Experimenten erleben.

31

Experiment # 2 – Elektrolyse mit Hilfe einer Batterie Zweck: Dieses erste Elektrolyse-Experiment verwendet die 3-Volt-Batterie als Spannungsquelle und die Brennstoffzelle als Last, um das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und den Wasserstoff für unser erstes Belastungsexperiment (Experiment # 3) zu speichern. Ausrüstung: 1 3-Volt-Batterie-Halterung und 2 AA-Batterien 1 Brennstoffzellen-Aggregat 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 1 Rote Messleitung 1 Schwarze Messleitung 1 PC Computer mit Grafik-Software Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:


1. Stellen Sie den An/Aus-Schalter der Batterie auf Aus.

2. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle vollständig hydratisiert ist und sich kein Wasserstoff mehr im Ballon befindet.

3. Verbinden Sie das USB-Kabel mit der USB-Messplatine und dem Computer und

vergewissern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der Platine blinken.


Voltage Current

Input

Output

3 volt battery

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

32

5. Klicken Sie auf die Verbindungs-Taste unten links auf der Bedienoberfläche und versichern

Sie sich, dass sich die rote Linie langsam über den unteren Bereich des Kennlinienfeldes bewegt.

6. Stellen Sie die vertikale Skala auf 7,5 Volt ein.

Verfahren: 1. Stellen Sie den An/Aus-Schalter der Batterie auf An. 2. Vergewissern Sie sich, dass eine Darstellung ähnlich der unteren Abbildung angezeigt wird. 3. Stellen Sie den An/Aus-Schalter der Batterie auf Aus, wenn der Wasserstoff-Ballon gefüllt ist.

Abbildung 2.2 - Darstellung # 1

Analyse: In Abbildung 2.2, wenn der Elektrolyse-Prozess startet, beginnt die Batteriespannung (grüne Linie) bei 0 Volt und steigt dann schnell auf ca. 2,00 Volt an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Brennstoffzelle (die Last) zu Beginn einen relativ geringen Widerstand (schwere Belastung) darstellt; in diesem Fall können 3 Ohm auf der linken Seite der Darstellung (schwarze Linie im Kreis) beobachtet werden.

Im Laufe des Elektrolyse-Prozesses steigt der Belastungswiderstand der Brennstoffzelle, wodurch sich die Batteriespannung erhöht. Die Stromstärke (blaue Linie) und Leistung (rote Linie) haben ebenso ihren Höhepunkt am Anfang. Wenn sich die Last der Brennstoffzelle stabilisiert, flachen diese ab. Die Last stabilisiert sich bei 5,00 Ohm, während die Brennstoffzelle weiter aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Wie man auf den Anzeigeinstrumenten ablesen kann, liefert die Batterie 0,793 Ampere zum Elektrolysieren des Wassers. Für diese Experimente liefert die 3-Volt-Batterie die meiste Energie für die Elektrolyse.

33

Experiment #3 – Verstehen des Ohmschen Gesetzes Zweck: Dieses Experiment demonstriert eines der grundlegenden Gesetze der Elektronik - das Verhältnis von Spannung, Strom und Widerstand, das als Ohmsches Gesetz bezeichnet wird. Es nutzt den Wasserstoff, der im Experiment # 2 erzeugt wurde. Wenn Sie das Experiment # 3 nicht direkt nach dem Experiment # 2 durchführen, wiederholen Sie bitte das Experiment # 2, um den Wasserstoff für dieses Experiment zu erzeugen. Ausrüstung: 1 PC Computer mit Grafik-Software 1 USB-Messplatine 1 Rote Messleitung mit Krokodilklemme 1 Rote Messleitung mit Krokodilklemme 2 10 Ohm-Widerstände Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Abbildung 3.1 - anfänglicher Testaufbau

1. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle, mit dem im Ballon gespeicherten Wasserstoff aus dem vorherigen Experiment, vollständig hydratisiert ist.

Voltage Current

Input

Output

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

10 ohmLoad

resistor

34

2. Verbinden Sie das USB-Kabel mit der USB-Messplatine und dem Computer und vergewissern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der USB-Messplatine blinken.


4. Klicken Sie auf die Verbindungs-Taste unten links auf der Bedienoberfläche und versichern Sie sich, dass sich die rote Linie langsam über den unteren Bereich des Kennlinienfeldes bewegt.

5. Stellen Sie die Spannungsskala auf 1,88 Volt ein.

Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig. Verfahren:

1. Verbinden Sie nun auch das schwarze Kabel des 10 Ohm Widerstandes mit der schwarzen Ausgangsbuchse der USB-Messplatine. Es sollten nun, ähnlich wie unten, ein Widerstandswert von 10 Ohm angezeigt werden.

Abbildung 3.2 – Entladungskennlinie 10 Ohm Widerstand

35

2. Als nächstes schliessen Sie den zweiten 10 Ohm Widerstand an die Ausgangsbuchsen

der USB-Messplatine an. Sie sollten nun ,ähnliche wie unten dargestellt, einen Anzeigewert von 5,7 Ohm erhalten. Dieser Anzeigewert ist der Gesamtwiderstand der zwei parallel geschalteten 10 Ohm Widerständen, zusammen mit dem in Reihe geschalteten 1 Ohm Sense-Widerstand.

Abbildung 3.3 – Entladungskennlinie 5 Ohm Widerstand

Analyse: Wie die beiden Darstellungen zeigen, nimmt die Spannung der Brennstoffzelle mit einem angeschlossenen 10 Ohm Widerstand rasch ab, und sinkt noch schneller, wenn der zweite 10 Ohm Widerstand angeschlossen wird. Auch die Formel für das Ohmsche Gesetz wurde eingehalten, diese lautet:

U = I*R

Davon U = Spannung in Volt I = Stromstärke in Ampere R = Widerstand in Ohm Im ersten Fall, versucht die Brennstoffzelle den 10 Ohm Lastwiderstand mit Strom zu versorgen. Weil aber bei einem so geringem Widerstandswert (hohe Last), ein höherer Strom fliesst, als der mit Wasserstoff erzeugte Strom, sinken Spannung (grüne Linie) und Stromstärke (blaue Linie) während des Experiments ab. Im zweiten Fall, in dem der zweite 10 Ohm Lastwiderstand parallel zum ersten geschaltet wird, entsteht ein noch geringerer Widerstandswert von 5 Ohm (höhere Last), welche einen noch höheren Stromfluss verursacht, wie durch die folgende Formel veranschaulicht wird:

36

Der 1 Ohm Sense-Widerstand auf der Platine in Reihe mit den zwei 10 Ohm parallel geschalteten Widerständen, ergibt theoretisch einen Gesamtwiderstand von 6,00 Ohm. Aufgrund der Ungenauigkeiten der Widerstandswerte (der tatsächliche Widerstand eines jeden Widerstands in diesem Experiment beträgt weniger als 10 Ohm - Ihre Ergebnisse können abweichen), beträgt der angezeigte Messwert 5,7 Ohm. Dieses Experiment zeigt auf, dass der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung geringer ist als der Einzelwiderstandswert, und somit eine größere elektrische Last für die Spannungsquelle darstellt. Sie können dieses Experiment wiederholen, und diesmal Strom und Leistung genauer zu betrachten. Verringern Sie dafür den vertikalen Einstellparameter, so dass die Darstellungen von Strom und Leistung besser sichtbar werden.

1 ohm sense

resistor

10 ohmLoad

resistor

= 6 ohms total10 ohmLoad

resistor

R1 R2

Rparallel =R1 x R2

R1 + R2= 5 ohms

37

Experiment #4 – Elektrolyse mit Hilfe einer Solarzelle Zweck: Dieses Experiment verwendet die Solarzelle, um mit Hilfe der Brennstoffzelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrolysieren. Zusätzlich zeigt dieses Experiment, dass nur eine minimale Spannung für die Durchführung einer Elektrolyse notwendig ist. Ausrüstung: 1 Brennstoffzellen-Aggregat 1 Solarzelle 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 2 Rote Messleitungen 2 Schwarze Messleitungen 1 PC Computer mit Grafik-Software Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:


1. Entfernen Sie das rote Kabel der Solarzelle von der Eingangsbuchse der USB-Messplatine.

2. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle vollständig hydratisiert ist und sich kein

Wasserstoff mehr im Ballon befindet.

Voltage Current

Input

Output

Solar Panel

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

38

3. Verbinden Sie das USB-Kabel mit der USB-Messplatine und dem Computer und vergewissern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der USB-Messplatine blinken.




Verfahren:

Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment

durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig.

1. Decken Sie die Oberseite der Solarzelle ab, oder legen Sie die Solarzelle „mit dem Gesicht“ nach unten auf den Tisch. Anschliessend verbinden Sie das rote Kabel mit der roten Eingangsbuchse der USB-Messplatine.

2. Drehen Sie die Oberseite Solarzelle nun langsam im Licht, bis die Spannung höher als

1,5 Volt (grüne Linie) ist und die Stromstärke (blaue Linie), sowie die Leistung (rote Linie), wie in der folgenden Darstellung zu sehen, positive Werte aufweisen.

Abbildung 4.2 - Bestimmung der Elektrolyse-Spannung des Wassers

39

3. Als nächstes decken Sie die Solarzelle wieder ab, bzw. drehen diese wieder um. Sie

werden beobachten, dass die Spannung wieder auf weniger als 1,5 Volt absinkt und Stromstärke und Leistung, wie in der Darstellung, auf Null zurück gehen.

Abbildung 4.3 – Unterbrechung des Elektrolyse-Prozesses

4. Drehen Sie nun die Solarzelle direkt in die Lichtquelle (am besten funktioniert starke Sonneneinstrahlung) und beobachten Sie, dass Spannung, Stromstärke und Leistung sich entsprechend erhöhen. Die Solarzelle wird das Wasser nun vollständig elektrolysieren und den Ballon für das nächste Experiment füllen. Entfernen Sie die Anschlüsse der Solarzelle von den USB-Messplatine, wenn der Wasserstoff-Ballon gefüllt ist.

40

Abbildung 4.4 - Die Elektrolyse des Wassers fortsetzen

Analyse: Bevor wir nun auf den Elektrolyse-Prozess eingehen, möchten wir nochmals auf die Leistung der Solarzelle verweisen. Die Solarzelle lieferte in diesem Experiment eine Leistung von 0,463 Watt. Dies ist weniger die 0,793 Watt, welche von der Batterie in Experiment # 1 bereitgestellt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Solarzelle nicht in der Lage ist, die gleiche Menge Energie wie die Batterie zu erzeugen. Wenn in diesem Experiment kein Sonnenlicht als Energiequelle für die Solarzelle verwendet würde, wäre die tatsächliche Leistung sogar noch geringer. Würde eine größere Solarzelle verwendet, wäre die Leistung entsprechend höher. In einem Elektrolyse-Verfahren wird die minimale Spannung, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet werden kann, als "Zersetzungsspannung" bezeichnet. Wissenschaftler haben festgestellt, dass die theoretische Zersetzungsspannung für Wasser bei 1,23 Volt liegt, was niedriger ist, als die im Experiment gezeigte Spannung. Die Differenz zwischen der theoretischen Zersetzungsspannung und der gemessenen Spannung wird als "Überspannung" bezeichnet. Die Überspannung resultiert aus der Unfähigkeit der Brennstoffzelle, die Wasserstoff- und Sauerstoffgase, welche sich unterhalb einer bestimmten Spannung an den Schweißelektroden bilden, auszutreiben, in diesem Fall, etwa 1,5 Volt im Vergleich zu 1,23 Volt. Viele andere Faktoren sind an dieser Differenz zur Zersetzungsspannung beteiligt. Die Gründe für diese Unterschiede würden allerdings den Rahmen dieses Experiments sprengen. Dieses Experiment demonstriert, dass nur eine relativ geringe Spannung notwendig ist, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.

41

Experiment #5 – Antreiben einer Motorlast Zweck: Dieses Experiment nutzt den im Experiment # 4 gewonnenen Wasserstoff zum kurzzeitigen Betrieb eines Motors, der zur besseren Darstellung einen Propeller besitzt. Die Ergebnisse des Experiments erläutern die Gründe, warum der im Experiment verwendete Motor, solch eine relativ große Menge an Energie zum Antrieb benötigt. Ausrüstung: 1 Brennstoffzellen-Aggregat 1 Motor–Propeller 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 2 Rote Messleitungen 2 Schwarze Messleitungen 1 PC Computer mit Grafik-Software Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Abbildung 5.1 - Aufbau des Motor-Experiments

1. Entfernen Sie vorerst das rote Anschlusskabel des Motors von der roten

Ausgangsbuchse der USB-Messplatine 2. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle vollständig hydratisiert und der Ballon mit

Wasserstoff gefüllt ist.

Voltage Current

Input

Output

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

42

3. Verbinden Sie das USB-Kabel zwischen der USB-Messplatine und dem Computer und vergewissern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der Platine blinken.


5. Klicken Sie auf die Verbindungs-Taste unten links auf der Bedienoberfläche und

versichern Sie sich, dass sich die rote Linie langsam über den unteren Bereich des Kennlinienfeldes bewegt.

6. Stellen Sie die Spannungsskala (vertikal) auf 1,88 Volt ein.

7. Stellen Sie die Zeitskala (horizontal) auf etwa 30 oder 40 Sekunden ein.

Verfahren: Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig.

1. Klicken Sie auf die Neustart-Taste der graphischen Darstellung – diejenige mit den doppelten Pfeilen in der Mitte zwischen den Richtungspfeilen und sehen Sie eine ähnliche Darstellung wie unten. Diese zeigt die dargestellte Spannung der Brennstoffzelle ohne den angeschlossenen Motor.

Abbildung 5.2 - Darstellung ohne Motorlast

43

2. Als nächstes, verbinden Sie das rote Anschlusskabel des Motors mit der

Ausgangsbuchse der USB-Messplatine. Beachten Sie, dass sich der Motor für nur ein paar Sekunden dreht und der Wasserstoff schnell aus dem Ballon entweicht.

Abbildung 5.3 - Darstellung mit Motorlast

3. Lassen Sie den Motor drehen, bis der Wasserstoff vollständig verbraucht ist. Die Darstellung sollte wie folgt aussehen.

Abbildung 5.4 - Darstellung Wasserstoff-Abbau durch Motorlast

44

Analyse: Der Motor stellt eine relativ schwere Belastung für die Brennstoffzelle dar. Die abzulesenden Motor-Widerstandswerte von ca. 1,60 bis 1,70 Ohm bedeuten für die Brennstoffzelle eine ca. 6-mal schwerere Belastung als der Lastwiderstand von 10 Ohm aus dem Experiment # 1. Durch den geringeren Anschlusswiderstand, wird die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie viel schneller verbraucht, was die kurze Motorbetriebsdauer erklärt. Wie durch die Spitzen der roten und blauen Kennlinien dargestellt, waren die Messwerte für Spannung, Strom und Leistung zu Beginn des Experiments, als der Motor zum ersten Mal an die Platine angeschlossen wurde, auf ihrem Maximwert. Mit dem Abfall der Spannung, sank allerdings auch die Leistung. Dies kann durch die folgende Formel für die Berechnung der Leistung bestätigt werden - wenn die Spannung oder die Stromstärke abnehmen, sinkt auch die Leistung: P = U*I davon P = Leistung in Watt U = Spannung in Volt I = Stromstärke in Ampere Als eine Übung, setzen Sie die sichtbaren Messwerte von Spannung und Stromstärke aus der graphischen Darstellung ein, um die Gültigkeit der Formel zu bestätigen. Zum Beispiel: P = U*I

P = 0.063 V * 0.054 A (Wert der letzten Darstellung) P = 0.003 Watt Sie können dieses Experiment nochmals durchführen und diesmal die gesamte Messreihe über die Zeit mit der Datenerfassungsfunktion (data logger) mit auszeichnen und anschliessend diese Werte analysieren.

45

Experiment # 6 – Elektrolyse mit Hilfe einer Windturbine Zweck: Dieses Experiment verwendet eine Windkraftturbine als Spannungsquelle zum Elektrolysieren des Wassers. Die im Set enthaltene WindCharge tm-Windkraftturbine nutzt die gleiche Generator-Technik, wie die kommerziellen in der realen Umwelt verwendeten Turbinen. Windkraftturbinen sind als Spannungsquelle zwar nicht so leistungsstark wie eine Batterien oder Solarzellen, doch demonstriert die Windkraftturbine eine weitere umweltfreundliche Alternative zur zur Erzeugung von Energie. Ausrüstung: 1 Brennstoffzellen-Aggregat 1 WindCharge tm Windkraftturbine 1 Tischventilator 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 2 Rote Messleitungen 2 Schwarze Messleitungen 1 PC Computer mit Grafik-Software Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Abbildung 6.1 - Aufbau des Windturbinen-Experiments

Voltage Current

Input

Output

Fuel Cell

OxygenTube

Hydrogen Baloon

46

1. Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle vollständig hydratisiert ist. 2. Verbinden Sie das USB-Kabel zwischen der USB-Messplatine und dem Computer und





Verfahren:

Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig.

1. Stellen Sie den Tischventilator direkt vor die Windturbine, schalten Sie ihn dann auf die höchste (schnellste) Stufe, wie in nachfolgender Darstellung gezeigt. Beobachten Sie, wie die Spannung schnell ansteigt (aber langsamer als mit einer Batterie oder Solarzelle - mehr darüber später).

Abbildung 6.2 - Beginn der Elektrolyse der Brennstoffzelle mit der Windturbine

47

2. Sehr bald wird sich die Spannung, wie nachfolgend dargestellt, stabilisieren (einpendeln):

Abbildung 6.3 - Einpendeln der Elektrolyse-Spannung

3. Als nächstes verringern Sie die vertikale Spannungsskala auf 0,23 V.

Abbildung 6.4 - Untersuchung von Stromstärke und Leistung im Detail

48

4. Beobachten Sie, in der erweiterten Ansicht oben, die Änderung der Stromstärke und der Leistung, wenn die Spannung auf seinen stabilen Level von 1,440 Volt ansteigt. Zu Beginn der Darstellung (im Kreis) zeigt die Darstellungslinie der Stromstärke (blaue Linie) einen sofortigen Anstieg des Stroms aus der Windturbine. Da die Spannung allerdings so niedrig ist, wird fast keine Energie (rote Linie) erzeugt. Denken Sie daran, die Formel für Leistung ist Spannung (U) mal Stromstärke (I)...

P = U*I

... Wenn also U (Spannung) gering oder Null ist, wird nur sehr wenig oder gar keine Leistung (P) erzeugt.

Beobachten Sie im weiteren Verlauf des Experiments, dass Stromstärke, Spannung und Leistung ansteigen, bevor sie sich einpendeln. In diesem Bildschirmauszug beträgt die Spannung 1,445 Volt, die Stromstärke 0,022 Ampere (22 Milliampere) und die Leistung 0,032 Watt (32 Milliwatt).

5. Entfernen Sie nun das rote Anschlusskabel der Windturbine von der Eingangsbuchse der

USB-Messplatine und beobachten Sie, wie die Spannung leicht einsinkt (Kreis). An diesem Punkt wurde die Windturbine vollständig aus der Schaltung genommen und die Spannung kommt nun aus der Brennstoffzellen-Last.

Abbildung 6.5 - Spannungsausgang der Brennstoffzelle Analyse: Obwohl die WindCharge tm Windturbine den Mindestwert an Spannung zur Zerlegung von Wasser liefern kann, so kann sie, aufgrund der nur begrenzten Menge produzierten Stromes, diese Aufgabe nicht schnell auszuführen. Deshalb dauert der Elektrolyse-Prozess länger. Trotzdem erzeugt die Windturbine nach ein paar Minuten Elektrolyse eine kleine Menge an

49

Wasserstoff. Dies wird durch die dargestellte Spannung sichtbar, welche weiterhin besteht, auch nachdem die Windturbine aus der Schaltung genommen wurde. Es ist angeraten, dieses Experiment zu wiederholen und dieses Mal, den Tischventilator 15 Minuten oder länger laufen zu lassen. Diese Zeit sollte ausreichend sein, um den Wasserstoff-Ballon vollständig aufzublasen. Auf diese Weise, sollte die 10 Ohm Last den Wasserstoff nicht so schnell aufbrauchen, so dass die Spannung und Stromstärke über längere Zeit auf höheren Levels bleiben, ähnlich wie bei den Experimenten mit der Batterie und Solarzelle. DENKEN SIE DARAN – die Windkraftturbine erzeugt ihre Energie anhand der Menge der Luft die ihre Flügel erreicht. Je schneller der Luftstrom, desto schneller drehen sich die Flügel und desto mehr Energie wird erzeugt. Verwenden Sie deshalb einen größeren, leistungsstärkeren Tischventilator. Mehr über Windturbinen: Die wichtigsten Einflussfaktoren für die Fähigkeit der Energieerzeugung einer Windturbine sind...

• Windgeschwindigkeit • Windrichtung • Flügelgröße • Flügelform • Anstellwinkel • Neigungswinkel der Flügel und • Arbeitsleistung des Generators in bezug auf die Wellendrehzahl

Die WindCharge tm Windturbine wurde speziell für die Arbeit mit diesen Parametern entwickelt, so dass Sie die Auswirkungen sehen, wenn diese Parameter geändert werden. Zudem kann sich die WindCharge tm Windturbine selbst in Richtung des Windes ausrichten. Diese Funktion kann in den meisten kleinen Turbinen für Bildungszwecke nicht gefunden werden. Zu Beginn steigt die Ausgangsspannung langsamer als bei einer Solarzelle. Eine Brennstoffzelle stellt eine grosse elektrische Last dar, weshalb eine Windturbine schwerer arbeiten muss, um diese mit Energie zu versorgen. Sobald die Brennstoffzelle mit der Elektrolyse des Wassers beginnt, wird der durch die Brennstoffzelle entzogene Strom reduziert. Die Ausgangsspannung wird sich dann bei einer Spannung von ca. 1,5 Volt stabilisieren, was höher ist als die Elektrolyse-Spannung einer Brennstoffzelle. Im ersten Teil des Experiments, wählten Sie den besten Standort für die Windturbine mit der maximalen Windenergie-Quelle. Das Wasser kann dann mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit elektrolysiert werden. Vergessen Sie aber nicht, dass die Geschwindigkeit der Elektrolyse im Wesentlichen von der Leistung des Lüfters abhängt - je größer der Lüfter, desto mehr Leistung wird produziert. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Leistung der WindCharge tm Windturbine ist, mit unterschiedlichen Flügel-Designs zu experimentieren. Sie können, mit Hilfe von Karton oder flexiblen Plastikmaterialien, Ihre eigenen Flügel entwerfen und dann dieses Experiment wiederholen. Polypropylen, Balsaholz, Postkarten oder jegliches Bogenmaterial können verwendet werden. Sehen Sie selbst, welches Material effizienter ist. Sie werden feststellen, dass Sie mit Ihren Bemühungen mehr Wasserstoff in einer schnelleren Zeit produzieren werden. Viel Spaß beim experimentieren!!

50

Experiment #7 – Betrieb einer Kondensatorlast Zweck: Dieses letzte Experiment verwendet die WindCharge tm Windturbine als Spannungsquelle ein anderes Bauteil, Kondensator genannt, als Last. Ausrüstung: 1 WindCharge tm Windturbine 1 Tischventilator 1 Kondensator 1 USB-Messplatine 1 USB-Kabel 2 Rote Messleitungen 2 Schwarze Messleitungen 1 PC Computer mit Grafik-Software Aufbau:







Voltage Current

Input

Output

51

Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig.

Verfahren:

1. Stellen Sie den Tischventilator direkt vor die Windturbine, schalten Sie ihn dann auf die höchste (schnellste) Stufe, wie in nachfolgender Darstellung gezeigt. Beobachten Sie, wie die Spannung (grüne Linie) nahezu sofort auf ein maximales Level ansteigt. Der maximale Spannungspegel kann, je nach Ventilatoraufbau und Luftgeschwindigkeit, variieren. Beobachten Sie auch die Spannungswellen, die durch die Drehstrom-Generators der Windkraftturbine verursacht wird.

Abbildung 7.2 - Gleichstromspannung der Windturbine mit Wellen

52

Würde die Leistung der Windturbine mit einem Oszilloskop (einem professionellem Gerät zur graphischen Darstellung) gemessen, würde die tatsächliche Wellenform der Spannung wie folgt aussehen.

Abbildung 7.3 - Darstellung der Gleichstromspannung der Windturbine ohne Kondensator im Oszilloskop

2. Um diese Wellen der Spannung zu glätten, wird ein Kondensator in die Schaltung eingefügt. Stellen Sie unbedingt sicher, dass Sie den positive (+)-Pol des Kondensators mit der roten Ausgangsbuchse und das negative (-)-Pol des Kondensators mit der schwarzen Ausgangsbuchse verbinden.

Abbildung 7.4 - Experiment # 7 Aufbau mit Kondensatorlast

Voltage Current

Input

Output

Capacitor+

-

53

3. Nachdem Sie den Kondensator angeschlossen haben, schalten Sie den Tischventilator wieder ein und sie können nun beobachten, dass die Spannung zugenommen hat und etwas stabiler (weniger wellig) ist. Je nach Wert Ihres Kondensators können Ihre Ergebnisse variieren. Das grundlegende Ergebnis ist, dass die Wellenform, mit dem Kondensator in der Schaltung, wesentlich glatter ist.

Abbildung 7.5 - Einfluss eines Kondensators auf die Gleichstromleistung der Windturbine

54

Würde die Leistung der Windkraftturbine nun mit einem Oszilloskop gemessen, würde die Wellenform viel anders aussehen. Beachten Sie, dass die Darstellungslinie glatt und regelmäßig ist - und dass sie nun im Zentrum der Wellenform aus der vorherigen Ansicht befindet. Dies ist auf die Spannungsglättung des Kondensators zurückzuführen.

Abbildung 7.6 - Darstellung der Gleichstromspannung der Windturbine mit Kondensator im Oszilloskop Analyse: Für eine verständlichere Betrachtung des Begriffes „Glättung mittels Kondensator“, nehmen wir an, dass sich die elektrische Spannung wie „Wasser“ verhält, und dass das elektrische Bauteil Kondensator einem „Wassereimer mit einem Loch im Boden“ gleicht. Versucht man nun diesen Eimer langsam mit Tassen von Wasser zu befühlen, so wird man feststellen, dass das eingefühlte Wasser im gleichen Rhythmus (jedoch zeitlich verzögert) wieder aus dem Loch ausfliesst. Nimmt man nun eine grössere Tasse Wasser, oder erhöht den Befühlungsfrequenz, oder verkleinert das Loch im Eimer, so wird man feststellen, dass der Wasserspiegel im Eimer steigt und das Wasser (solange der Wasserspiegel im Eimer vorhanden ist) gleichmässig aus dem Loch wieder abfliesst. Der Wassereimer (Kondensator) stellt einen Speicher dar, der es nun ermöglicht Wasser (Spannung) gleichmässig zu entnehmen. Noch mehr über Windturbinen: Eine Windturbine ist eine mechanische Maschine und braucht deshalb eine gewisse Zeit bis sich der Rotor von 0 U/min bis zu irgend einer Geschwindigkeit dreht. Mit einer angeschlossenen Last, verlängert sich die Zeit zum Erreichen einer konstanten Geschwindigkeit noch mehr.

55

Deshalb die steigt die Ausgangsspannung einer Windturbine, im Vergleich zu der einer Solarzelle, langsamer. Eine Solarzelle ist ein Halbleiterbauelement mit einer sehr schnellen Reaktionszeit Wenn keine Last mit der Windturbine verbunden ist, verhält sich die Ausgangsspannung proportional zur durchschnittlichen Windgeschwindigkeit an der Rotorfläche. Sie können dieses Ergebnis mit einem Luftgeschwindigkeitsmesser - ein Gerät, das mit einem kleinen Propeller die Windgeschwindigkeit misst - vergleichen. Sie können feststellen, dass die Höhe Ausgangsspannung häufig schwankt und viele Wellen auf der graphischen Darstellung zeigt. Dies ist ein Merkmal der Windturbine, welches anzeigt, dass der Wind niemals stabil ist. Auch wenn die Lüfterleistung sehr stabil ist, so bestehen weiterhin Luftwirbel (Turbulenzen). Künstlich gestaltete Windkanäle minimieren diese Effekte. Die Spannungswellen entstehen durch den Generator. Bei jeder Umdrehung werden 6 Wellen (2 Wellen für jede Phase) erzeugt. Dieses Experimentierset kann dieses Phänomen aber aufgrund der Zeitskala-Auflösung nicht präzise demonstrieren. Die Höhe der Ausgangsspannung ändert sich auch mit dem Abstand zwischen der Windturbine und der Windquelle. Die Ausgangsspannung sinkt, wenn sich die Windturbine nicht optimal „im“ Wind befindet. Die WindCharge tm-Windkraftturbine allerdings, wird sich automatisch auf die Windrichtung ausrichten. Optimierung einer Windturbine Eine Windkraftturbine kann nicht unter allen Windbedingungen effizient arbeiten. Die Flügel haben unvereinbare Anforderungen an höhere und geringere Windgeschwindigkeiten. Bei geringen Windgeschwindigkeiten sollten die Flügel groß und lang sein, und auch sollte es mehr Flügel geben. Bei hohen Windgeschwindigkeiten sollten die Flügel schmal und kurz, und ihre Anzahl geringer sein. Daher wäre es ratsam, die Windturbine mit den gelieferten langen und kurzen Flügeln zu testen. Sie können auch Ihre eigenen Flügel anfertigen, um zu sehen, ob diese effizienter sind. Mit der Windturbine herumspielen WindCharge tm ist eine realistische Miniatur-Windturbine, die Sie verwenden können, um auch elektrischen Geräte zu betreiben. Sie können sie verwenden, um z. B. Akkus aufzuladen, eine Wasserpumpe oder einen Ventilator anzutreiben, eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen und vieles mehr. Sie können Ihre WindCharge tm im Freien unter natürlichen Windbedingungen testen. Sie sollten allerdings wissen, dass die Spannung der Windturbine unter starkem Wind mehr als 10 Volt betragen kann. Zum Schutz Ihrer elektronischen Geräte vor Beschädigung durch die erhöhte Spannung, verbinden Sie sie immer mit einer wieder aufladbaren Batterie (Akku) mit geeigneter Betriebsspannung, um die Spannung bei Windschwankungen konstant zu halten. Sie können zur Anpassung der WindCharge tm Ihrer Phantasie freien Lauf lassen. Alles was Sie brauchen, sind Schere, Locher und die Materialien zur Fertigung Ihrer Flügel. Polypropylen, Balsaholz, Postkarten oder jegliches Bogenmaterial können verwendet werden. Sie können Ihre Flügel selbst gestalten, ein Bild auf die Leitschaufel kleben und Ihre selbst gestaltete WindCharge tm anschliessend auf Ihrem Schreibtisch ausstellen oder bei Ihren Freunden präsentieren. Nutzen Sie Ihre Phantasie!!

56

Experiment #8– Herstellen von Elektrizität aus Ethanol und Wasser Zweck: In diesem Experiment wird Strom mit dem „Horizon Ethanol Experimentier-Set“ (Conrad BN. 191539) erzeugt. Hierbei reagiert das Ethanol an der Anode der Brennstoffzelle, Wasserstoff-Protonen durchdringen die Membran der Brennstoffzelle und setzen dabei Elektronen frei. Ausrüstung: 1 PC Computer mit Grafik-Software 1 USB-Messplatine 1 Rote Messleitung mit Krokodilklemme 1 Schwarze Messleitung mit Krokodilklemme 1 10 Ohm-Widerstand 1 Ethanol Experimentier-Set (Conrad BN. 191539 – nicht im Lieferumfang enthalten) Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Figur 8.1- anfänglicher Testaufbau

1. Stellen Sie sicher, dass der Tank des „Experimentier-Sets“ mit einer Lösung aus Ethanol (10% ) und Wasser (90%) befüllt ist.

57

2. Verbinden Sie das USB-Kabel mit der USB-Messplatine und dem Computer und vergewissern Sie sich, dass die grünen und blauen LEDs auf der Platine blinken.



5. Stellen Sie die Spannungsskala so ein, dass Sie die Messwerte deutlich erkennen

können.

Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig. Verfahren:

1. Schließen Sie das schwarze Anschlusskabel des 10 Ohm Widerstands an die schwarze Ausgangsbuchse der USB-Messplatine an. (siehe Abbildung).

Figur 8.2-Entladungskurve des 10 Ohm Widerstandes

58

Analyse: An der Kathode erzeugt die katalytische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft Wasser. Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen oder DEFC sind eine Unterkategorie der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM). Das Ethanol wird nicht zuerst in reinen Wasserstoff umgewandelt, sondern wird direkt der Membran der Brennstoffzelle zugeführt. Die chemischen Gleichungen wie folgt: Anode: (1) C2H5OH → CH3CHO + 2H+ + 2e- (2) C2H5OH + H2O → CH3COOH + 4H+ + 4e- (3) C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 12 H+ + 12 e- Kathode: 4H+ + 4e- +O2→2H2O Während der Reaktion wird ein Teil des Ethanols vollständig oxidiert und verwandelt sich in CO2 (wie in Reaktion #3), während der andere Teil des Ethanol nur teilweise oxidiert und in Acetaldehyd und Essigsäure umgewandelt wird (wie in Reaktion #1 und #2 ). Schlussfolgerung: Die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle erzeugt Strom, mittels Reaktion von Ethanol an der Anode der Brennstoffzelle. Wasserstoffprotonen dringen von der Ethanollösung durch die Membran der Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle und setzt dabei Elektronen frei, die dann als „der Strom“ in elektrischen Systemen fliessen kann.

59

Experiment #9- Untersuchung des Einflusses der Temperatur Zweck: Das Experiment zeigt den Zusammenhang zwischen Temperatur und der Leistung der Ethanol-Brennstoffzelle. Bei höheren Temperaturen tendieren Atome dazu, sich schneller zu bewegen und wahrscheinlicher, mit den, auf der Oberfläche der Membran befindlichen Katalysatoren, zu interagieren. Durch mehr Interaktionen wird die Reaktion beschleunigt und mehr Strom erzeugt, was durch die höhere Geschwindigkeit eines Ventilators sehr gut veranschaulicht wird. Ausrüstung: 1 PC Computer mit Grafik-Software 1 USB-Messplatine 1 Rote Messleitung mit Krokodilklemme 1 Schwarze Messleitung mit Krokodilklemme 1 10 Ohm-Widerstand 1 Ethanol Experimentier-Set (Conrad BN. 191539 – nicht im Lieferumfang enthalten) Aufbau: Bauen Sie die Geräte wie folgt auf:

Figur 9.1- anfänglicher Testaufbau

60

1. Stellen Sie sicher, dass der Tank des „Experimentier-Sets“ mit einer Lösung aus Ethanol (10% ) und Wasser (90%) befüllt ist.





5． Stellen Sie die Spannungsskala so ein, dass Sie die Messwerte deutlich erkennen

können. Hinweis: Bitte lesen Sie sich dieses Verfahren zuerst durch, bevor Sie das Experiment durchführen. Da der Prozess sehr schnell geht, sind Vorkenntnisse darüber, was passieren wird, notwendig. Verfahren:

1. Schließen Sie das schwarze Kabel vom 10 Ohm Widerstand an die schwarze Ausgangsbuchse der USB-Messplatine an (siehe Abbildung).

Figur 9.2-Entladungskurve des 10 Ohm-Widerstandes

61

2. Als nächstes, verwenden Sie einen Haartrockner, um heiße Luft direkt auf die Rückseite

der Brennstoffzelle zu blasen. Nach 30 Sekunden sollten Sie die untenstehenden Daten und einen Anstieg der Geschwindigkeit des Motors und des Ventilators beobachten können. Achtung: Bevor Sie die warme Luft in Richtung der Brennstoffzelle halten, prüfen Sie zuerst mit Ihren Händen, dass die Luft nicht zu heiß ist ( max. < 60℃).

Figur 9.3- Die Auswirkung der Temperatur, die der Ethanol-Brennstoffzelle

zugeführt wird

62

Analyse: Bei höheren Temperaturen bewegen sich Atome schneller, als bei geringerer Temperatur. Schlussfolgerung: Durch die erhöhte Temperatur werden die Atome der Brennstoffzellen-Membrane zu mehr Schwingung angeregt und die Wahrscheinlichkeit, dass diese Atome mit dem Katalysator reagieren, steigt. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird beschleunigt und mehr Strom wird erzeugt, was durch die steigende Geschwindigkeit des Ventilatormotors sehr gut veranschaulicht wird..

63

14. Fehlerdiagnose Wenn die Software nach dem Start nicht reagiert oder unerwartete Ergebnisse erzeugt, überprüfen Sie bitte die folgenden möglichen Ursachen: Verbindung Computer mit der USB-Messplatine Um den richtigen Comm-Anschluss zu konfigurieren, führen Sie folgende Schritte aus.

Klicken Sie direkt auf den "Pfeil" neben der angezeigten Anschlussnummer. Es wird eine Nummer angezeigt, die nicht unbedingt die richtige Anschlussnummer ist. Klicken Sie auf diese Nummer und dann auf das "X" links unten. War diese Nummer korrekt, dann wird das folgende Symbol angezeigt und die USB-Messplatine wird mit dem Computer verbunden.

War die Nummer nicht korrekt, und die Verbindung konnte nicht erfolgen, suchen Sie bitte die Nummer manuell. Bitte führen Sie folgende Schritte auf Ihrem PC aus. Klicken Sie auf Start Systemsteuerung System Hardware Geräte-Manager Anschlüsse serielle USB-Schnittstelle (x) x ist die Nummer, die in das Auswahlsymbol des Comm-Anschlusses eingegeben werden muss. Gehen Sie zurück zur Ihrer Grafikanzeige der USB-Meesplatine und klicken Sie auf die angezeigte Nummer. Dann geben Sie (über die Tastatur) die Nummer des Anschlusses ein, die Sie in der Systemsteuerung gefunden haben. Klicken Sie danach auf das "X" im unteren Symbol. Falsche Messwerte

Ohne angeschlossene Spannungsquelle und/oder Last, kann es passieren, dass falsche Werte und Kennlinien angezeigt werden. Dies liegt vor allem daran, dass die USB-Messplatine sehr empfindlich ist und auf elektromagnetische Störstrahlungen (Elektrorauschen) aus der Umwelt, wie z.B. von Stromleitungen, Mobiltelefonen und sogar von Ihrem Computer, reagiert. Sobald aber, wie in den Experimenten beschrieben, eine Spannungsquelle und eine Last an die Eingangs- und Ausgangsbuchsen angeschlossen werden, sollten diese Anomalien verschwinden, da die Elektronik nun korrekt genutzt wird.

64

Die Daten finden

Nach einem Klick auf das Symbol für die Bildaufnahme (links) oder das Symbol für den Start der Datenerfassung (rechts), können die erfassten Daten auf Ihrer Festplatte unter folgendem Pfad gefunden werden: Program Files Horizon FCA Data

65

15. Technische Daten

Produkt-Artikel Nr. FCJJ-24 USB-Messplatine • Abmessungen ca. 6,5 cm x 6,5 cm

• USB-Schnittstelle

• Spannung (Volt): Messbereich: 0 - 5 V

• Stromstärke (Ampere): Messbereich: 0 – 1 A

• Leistung (Watt): Messbereich: 0 – 5 W

• Widerstand (Ohm): Messbereich: 0 – 99.999 Ohm

Documents

USB-Messplatine für Brennstoffzellen Gebrauchsanweisung · Für die folgenden Experimente können zwei (2) Lasten wie Widerstand, Kondensator, Motor oder Brennstoffzelle parallel