Strom- und Solar-Check
Die Energiegewinnung aus Wind und Sonne wird immer wichtiger.
Schon vor vielen hundert Jahren baute man Windmühlen, die mit der Kraft
des Windes das Korn gemahlen haben. Und auch die Energie des
Sonnenlichts wurde immer schon genutzt, um etwas zu wärmen oder zu
trocknen. Heute sieht man die großen Windkraftanlagen mit ihren langen
Flügeln und Solaranlagen auf Feldern oder Dächern.
Dein Bausatz besteht aus einem Windmühlen-Modell mit Motor, Solarzelle
und einer elektronischen Schaltung mit Kondensator-Energiespeicher und
Leuchtdiode. Du kannst den Motor mit der Energie des Sonnenlichts
betreiben und das Windrad drehen lassen. Oder du kannst die
elektrische Energie am Tag speichern und in der Nacht für die
LED-Beleuchtung nutzen. Dazu kommen viele Experimente, in denen du die
Energie schneller oder langsamer verbrauchst.
Der Motor wird mit Lichtenergie angetrieben
Die ersten Versuche sollen noch ohne das Windmühlen-Modell
durchgeführt werden, damit du jetzt schon die wichtigsten Dinge testen
kannst.Verbinde also die Platine mit der Solarzelle und dem Motor.
Achte auf die Beschriftungen „Motor“ und „Solar“ auf der Platine. Die
Kabel können nicht falsch herum aufgesteckt werden, denn sie haben an
einer Seite eine kleine Nase, die sonst anstößt. Stecke den rechten
Jumper in die Position 6 (ganz rechts). Damit hast du den Motor mit der
Solarzelle verbunden. Wenn gerade die Sonne scheint, lege alles an
einen sonnigen Platz. Der Motor beginnt zu laufen.
LED-Licht mit gespeicherter Energie
Bei diesem Versuch, spielt es keine Rolle, ob die Sonne scheint, denn
genügend Energie ist schon in deinem Speicherkondensator
vorhanden. Stecke nun den linken Jumper in die Position 1 (ganz
links), der rechte Jumper kommt wieder auf seinen Parkplatz. Die grüne
LED leuchtet hell auf. Auch wenn es ganz dunkel ist, kannst du mit
diesem Licht schon ein Buch lesen.
Aber Achtung, wie bei einer normalen Taschenlampe ist die Energie
irgendwann verbraucht. Die LED leuchtet immer schwächer und geht
irgendwann ganz aus. Du solltest diesen Versuch deshalb nach wenigen
Minuten beenden.
Stecke den Jumper nun eine Stelle weiter rechts (Position 2). Die LED
leuchtet auch, ist aber weniger hell. Damit verbraucht sie weniger
Energie, und der Speicher bleibt länger voll. Noch ein Schritt weiter
nach rechts (Position 3) macht die LED noch schwächer. Das Licht reicht
aber immer noch aus, um es deutlich zu erkennen. Du kannst also in
dieser Stellung schon sehen, ob der Speicher noch gut geladen ist.
Der Motor läuft mit gespeicherter Energie
Bist du sparsam genug mit der gespeicherten Energie umgegangen? Dann
könnte noch genügend übrig sein, um den Motor damit zu betreiben.
Allerdings braucht er sehr viel mehr Strom als die LED. Deshalb kann
der Versuch nur kurz funktionieren. Stecke also die Jumper in die
Positionen 1 und 4. Die LED leuchtet hell, und der Motor läuft.
Allerdings wird er schnell langsamer und bleibt dann stehen. Am Ende
fließt immer noch etwas Strom durch den Motor, der allerdings nicht
mehr für eine Drehung der Achse ausreicht. Deshalb musst du möglichst
schnell den Jumper 4 abziehen, um nicht unnötig weitere Energie zu
verschwenden.
Neues Aufladen
Wenn nur noch wenig Energie im Kondensator vorhanden ist, muss er mit
viel Sonnenlicht neu aufgeladen werden. Du solltest dazu beide Jumper
in ihre Ruheposition stecken. Und dann lege alles an einen sonnigen
Platz am Fenster oder im Freien. Wenn möglich, richte die Solarzelle
nach der Sonne aus, um möglichst viel Energie einzufangen. Es dauert
etwa zwei Stunden bei vollem Sonnenlicht, bis der Speicher voll ist.
Längeres Laden schadet nicht, der Kondensator kann nicht überladen
werden.
Aufbau der Windmühle
Die Holzteile können einfach zusammengeklickt werden. Auch wenn
die Verbindungen am Anfang noch etwas locker erscheinen, ist das
gesamte Modell am Ende auch ohne Leim ausreichend stabil. Befestige
dann die Platine an der Rückwand. Verwende dazu die beiden Schrauben.
Sie sollen nicht fest angezogen werden, sondern nur so weit, dass die
Platine nicht mehr wackelt.
Etwas Elektronik
Auf deiner Platine gibt es fünf verschiedene Bauteile. Wenn es dich
interessiert, wozu sie dienen, findest du hier die wichtigsten
Informationen. Wenn dir das zu kompliziert ist, auch kein Problem, denn
es gibt ja viele Dinge, die wir nicht genau verstehen, aber trotzdem
verwenden.
Das Schaltbild zeigt mit Symbolen für die einzelnen Bauteile, wie alles
verbunden ist. Wenn du genau hinsiehst, kannst du einige der
Verbindungen auf der Platine als etwas hellere Linien erkennen. Da gibt
es Kupferleitungen, die unter dem Schutzlack durchscheinen.
Die Diode BAT43 funktioniert als elektrisches Ventil, das den Strom nur
in einer Richtung hindurchlässt. Sie wurde eingebaut, damit die
Solarzelle den Kondensator nur aufladen, aber nicht entladen kann.
Die Leuchtdiode (LED) ist auch eine Diode. Der Strom kann deshalb nur
in einer Richtung fließen. Deshalb wurde beim Zusammenbau genau darauf
geachtet, dass die LED richtig herum eingesetzt wurde. Wenn ein Strom
von 1 mA durch die LED fließt, hat sie eine Spannung von ungefähr
2 V. Wenn sie mit viel kleinerem Strom betrieben wird, beträgt die
Spannung immer noch fast 2 V.
Die drei Widerstände auf der Platine bestimmen die Helligkeit der LED.
Sie bestehen aus isolierenden Stäbchen, auf denen eine dünne
Kohleschicht aufgetragen ist, die den Strom schwächer leitet als ein
Draht. An den Enden sich Drähte angebracht. Dann wurde alles lackiert
und zum Schluss mit Farbringen versehen, die Zahlen bedeuten. Der
mittlere Widerstand trägt zum Beispiel die Farben Gelb, Violett, Rot
und Gold. Die ersten drei meinen die Ziffern 4, 7, 2. Dabei steht die
Zwei für zwei Nullen. Insgesamt liest man also 4700 Ohm, das sind 4,7
kΩ. Der goldene Ring bedeutet, dass dieser Wert mit einer Genauigkeit
von 5% eingehalten wird.
Ein Kondensator besteht aus zwei Metallfolien und einer Isolierung
dazwischen. Wenn man eine elektrische Spannung anlegt, entsteht eine
elektrische Anziehungskraft zwischen den Folien, und es wird Energie
gespeichert. Je größer die Fläche der Folien ist und je kleiner ihr
Abstand ist, desto größer ist die Kapazität. In deinem
Lithium-Ionen-Kondensator wurden alle Tricks der modernen Forschung
angewandt, um die Fläche zu vergrößern und den Abstand zu verkleinern.
So wurde die große Kapazität von 15 F erreicht. Der Kondensator darf
nur in einer Richtung eingebaut werden. Der schwarze Strich markiert
den Minuspol. Wichtig ist bei diesem Typ auch noch, dass seine Spannung
immer im Bereich 2,5 V bis 3,8 V bleibt.
Der Transistor BC557B ist ein Bauteil mit drei Anschlüssen. Die
Anschlüsse heißen Emitter, Basis und Kollektor, kurz E, B und C. Das C
kommt daher, weil der Kollektor auf Englisch collector heißt. Innen
gibt es zwei Dioden zwischen B und E und zwischen B und C. So wie der
Transistor eingebaut wurde, leitet die Diode zwischen B und E den Strom
durch die LED und den verwendeten Widerstand. Dabei liegt zwischen
Emitter und Basis eine Spannung von 0,5 V bis 0,6 V.
Zusammen mit der Spannung der LED kommt man auf etwa 2,5 V. Wenn der
Kondensator einmal bis auf 2,5 V entladen wurde, fließt fast kein Strom
mehr, sodass er nicht weiter entladen wird und so vor zu kleiner
Spannung geschützt wird.
Der Transistor ist zugleich auch ein Verstärker. Wenn du den Motor über
den Jumper 4 anschließt, soll ja auch die LED mit dem Jumper 1
eingeschaltet werden. Dann fließt am Anfang ein Strom von 1 mA durch
die Basis des Transistors. Der Transistor verstärkt den Strom, sodass
ein ausreichend großer Strom durch den Kollektor und den Motor fließt.
Auch hier funktioniert der Schutz für den Kondensator. Wenn die
Spannung bis auf fast 2,5 V gefallen ist, wird der Strom durch die LED
und die Basis so klein, dass er auch mit Verstärkung nicht mehr für den
Motor ausreicht. Der Motor wird also elektronisch abgeschaltet, wenn
die Kondensatorspannung nicht mehr ausreicht.
So arbeiten viele Teile zusammen, um die Energie der Sonne gut zu
nutzen. An der Rückwand deiner Windmühle hilft diese Schaltzentrale,
den Strom über die richtigen Wege zu leiten. Und du bestimmst, wie die
gewonnene Energie eingesetzt werden soll.
