FYSIKEMNE 1: SOLPANELER INTRODUKTION AKTIVITETEN I NATURV IDENSKABERNES HUS ORGANISERING TEORI

Transkript

1 FYSIKEMNE 1: SOLPANELER INTRODUKTION En af udfordringerne ved at gennemføre en rumrejse til Mars er at skaffe strøm til alle instrumenterne ombord. En mulighed er at medbringe batterier, men da de både har en begrænset levetid og bidrager til rumskibets vægt, er det ikke en optimal løsning. I stedet anvender man for det meste solpaneler, der kan udnytte den ubegrænsede energi, der er til rådighed i Solens lys. Men da solpanelerne også bidrager til rumskibets vægt, er det vigtigt, at de bliver dimensioneret, så de er netop store nok til at producere tilstrækkeligt med strøm. AKTIVITETEN I NATURV IDENSKABERNES HUS Forberedelserne under basisuddannelsen skal lede op til, at eleverne under besøget i Naturvidenskabernes Hus skal bestemme nyttevirkningen af et solpanel, og herudfra afgøre, hvor stort et solpanel, der skal til for at forsyne et stjernekamera, der bruger 7 W, med strøm. Derudover skal eleverne vha. en model af solsystemet i skala 1:150 mia. undersøge, hvordan solpanelets effekt afhænger af afstanden til Solen. ORGANISERING I aktiviteten skal én person udpeges som ansvarlig for at aflæse måleinstrumenter, og én person udpeges som ansvarlig for at notere målingerne (gerne i Excel, så dataene kan behandles umiddelbart efter). De resterende hjælper til med at foretage målinger og behandle data. TEORI I øvelsen med bestemmelse af solpanelets nyttevirkning skal eleverne vha. multimetre aflæse solpanelets spænding og strømstyrke og herudfra beregne solpanelets samlede effekt vha. formlen: P = U I Derudover har eleverne et pyranometer til rådighed, som kan bruges til at bestemme den totale solindstråling pr. areal. Pyranometeret består af et lille solpanel, der producerer en spænding på 180 mv pr 1000 W/m 2 i indstråling. Den totale solindstråling kan derfor beregnes som: Indstråling W 1000W/ m2 m 2 = U pyranometer 180mV Solpanelets nyttevirkning er da givet som: η = P A Indstråling, hvor A er solpanelets areal.

2 Solpanel der forsyner vandpumpe med strøm. For rumstationen, der befinder sig i kredsløb om Jorden, er solindstrålingen konstant, så længe rumstationen ikke befinder sig i Jordens skygge. Værdien af solindstrålingen kaldes solarkonstanten og er S 0 = 1366 W m 2. Den effekt, som et solpanel i kredsløb om Jorden, kan producere er derfor: P = S 0 η A Når vi foretager rejser mellem planeterne i solsystemet, skal vi tage højde for, at indstrålingen fra Solen afhænger af afstanden til Solen. Solens energiproduktion er nogenlunde konstant, men da Solen stråler ud i alle retninger, skal den udstrålede energi fordeles over en kugle med en radius svarende til afstanden til Solen. Arealet af en kugle er givet som A kugle = 4πr 2, og dermed er effekten pr. areal (også kaldet energifluxen, Φ) i afstanden r fra Solen hvor P 0 er Solens samlede effekt. Φ r = P 0 4πr 2, Model af solsystemet i skala 1:150 mia. Håndholdt solpanel med direkte udlæsning af energiflux.

3 Eleverne skal vha. en model af den indre del af solsystemet i skala 1:150 mia. eftervise, at energifluxen falder omvendt proportionalt med kvadratet på afstanden til Solen. Ved hjælp af en kraftig halogenlampe og et lille håndholdt solpanel, der direkte udlæser effekt pr. areal i lyset, kan energifluxen måles i de forskellige planetafstande. METODE I dette emne arbejdes med modeller, proportionalitet, hypotese og teori. Skalamodellen af Solsystemet er et eksempel på en fysisk model, der har visse ligheder med det rigtige solsystem mere specifikt forholdene mellem planetafstandene og disse ligheder gør, at modellen kan bruges til at udlede lovmæssigheder, der også gælder i virkelighedens solsystem. I undersøgelsen af sammenhængen mellem solpanelets effekt og afstanden til planeterne arbejdes med proportionalitet mellem to størrelser, her energifluxen og afstanden til Solen. Målingerne i Solsystemsmodellen kan indlæses i fx Excel, og der kan ved lineær regression påvises en lineær sammenhæng mellem Φ og 1 r 2. Det er desuden tanken, at eleverne ikke på forhånd skal have en udførlig øvelsesbeskrivelse, men deri mod selvstændigt skal opstille en hypotese for afstandsafhængigheden og komme med forslag til, hvordan denne hypotese kan testes med den skalamodel og det udstyr, der stilles til rådighed i NVH. FAGLIGE MÅL FYSIKFAGLIGE MÅL Eleverne skal være i stand til at - forklare de overordnede principper bag opbygningen og funktionen af et solpanel - redegøre for energitab ved energiomsætning og gennemføre en eksperimentel bestemmelse af nyttevirkningen af et solpanel - redegøre for afstandskvadratloven og dens praktiske konsekvenser for rumfart NV-FAGLIGE MÅL - Eleverne arbejder med den fysiske model af solsystemet og skal kunne redegøre for, hvordan den kan anvendes til at udlede viden om det virkelige solsystem - Eleverne skal kunne opstille en hypotese for sammenhængen mel lem solpanelets effekt og afstanden til solen og komme med forslag til en eksperimentel efterprøvelse af hypotesen. De skal endvidere kunne revidere hypotesen om nødvendigt som følge af de eksperimentelle resultater - Eleverne skal kunne redegøre for den matematiske sammenhæng mellem solpaneletes effekt og afstanden til Solen og skal kunne komme med fysiske forklaringer på formen af denne sammenhæng

4 FORSLAG TIL ORGANISERING UNDER BASISUDDANNELSEN 1. Klassen: - Lærer introducerer baggrunden for opgaven: I hvilken sammenhæng skal teorien forstås. - Læringsmålene for emnet og opgaverne synliggøres for eleverne. - Relevante nøglebegreber/teori gennemgås. 2. Teams: - Elever arbejder i astronautteams med opgaver. Lærer hjælper og vejleder. 3. Klassen: - Opgave gennemgås af lærer med klassen. - Opsamling på nøglebegreber og svar på forståelsesspørgsmål. FORSLAG TIL EMNER/ØV ELSER UNDER BASISUDDANNELSEN KERNEBEGREBER/ØVELSER NØDVENDIGT Begreber, der skal gennemgås i forberedelsen: Fysik Metode - Nyttevirkning - Energiomsætning (omsætning af lysenergi til strøm i solpanel) - Effekt, bestemmelse af afsat effekt i elektrisk kredsløb - Solsystemets opbygning, planetafstande - Modeller - Proportionalitet - Hypotese og teori RELATEREDE BEGREBER/ ØVELSER - VALGFRI Fysik - Energikilder: vedvarende vs. konventionelle - Energiproduktion i Solen, herunder fusion Øvelser - Byg solceller og eksperimenter med at forbinde små solcellemoduler i hhv. serie og parallel. Hvilken betydning har antallet af solcellemoduler og måden de er forbundet på for den spænding og strømstyrke, solpanelet kan levere?

5 OPGAVER Inden besøget i NVH skal hvert astronautteam løse følgende opgaver: Opgave 1 Beskriv, hvordan I vil bestemme nyttevirkningen af et solpanel, hvis I til jeres rådighed har: - Et solpanel, der driver en vandpumpe - To multimetre, der er koblet hhv. i serie og i parallel i det elektriske kredsløb med solpanelet og pumpen - Et pyranometer - Et multimeter, der måler den spænding, pyranometeret producerer Overvejelser til opgave 1: - Opstil formlen for nyttevirkning - Hvilke parametre skal bestemmes eksperimentelt for at nyttevirkningen kan beregnes? - Har det nogen betydning, hvordan solpanelet vender, i forhold til den effekt det producerer? - Har vejrforholdene betydning for solpanelets effekt? - Har det nogen betydning, hvordan pyranometeret vender i forhold til solpanelet, når I foretager målinger? - Har det nogen betydning, om aflæsningen af pyranometeret foretages samtidig med målingen af solpanelets effekt? - Kan der være fordele ved at foretage målingerne mere end én gang? Opgave 2 Beskriv, hvordan I vil bestemme, hvordan et solpanels effekt afhænger af afstanden til Solen, hvis I til jeres rådighed har - En model af Solsystemet i skala 1: En kraftig halogenlampe, der fungerer som "sol" - Et håndholdt solpanel, der direkte måler indstrålingen i W/m 2 Opgave 3 Opstil hypotese for afstandsafhængigheden af solpanelets effekt.

6 MISSION LØSES EFTER BESØG I NVH Både under rejsen til Mars, og under opholdet på Mars, vil rumskibet og udstyret ombord blive forsynet med strøm fra solpaneler. Det er vigtigt, at solpanelerne er store nok til at producere nok strøm, men samtidig skal de ikke være unødvendig store, da de så blot vil øge rumskibets vægt og dermed også brændstofforbruget. Til løsningen af denne opgave skal I bruge de resultater, I fik under aktiviteterne i Naturvidenskabernes Hus. Opgave 1 Hvis fx stjernekameraet, der bruges til at bestemme rumskibets kurs, kræver 7 W, hvor stort et solpanel skal der da til for at forsyne det med strøm, lige efter opsendelsen fra Jorden? Hints til opgave 1: - Til at besvare denne opgave skal I bruge solpanelets nyttevirkning, s om I bestemte i NVH. I skal også bruge værdien for den samlede solindstråling i Jordens afstand fra Solen. Denne værdi kaldes solarkonstanten og er 1367 W/m 2. - Hvordan var vejret, da I bestemte solpanelets nyttevirkning? Kan det have haft indflydelse på jeres resultat? Hvad er typiske værdier for nyttevirkningen af et solpanel? Opgave 2 Hvor stort skal solpanelet være, hvis det skal kunne forsyne stjernekameraet med strøm i Mars afstand fra Solen? Hints til opgave 2: - Til at løse denne opgave skal I bruge jeres målinger fra solsystemsmodellen. - Hvad viste disse målinger om ændringen i solpanelets effekt, når vi rejser ud til Mars? Hvorfor er der en ændring? Opgave 3 Hvor stort skal solpanelet være, hvis man rejser helt til Jupiter? Er solpaneler en praktisk løsning til rejser til planeter fjernere end Mars? Er der alternative energikilder til længere rumrejser? Hvad er fordelen/ulemperne ved disse?