1

Bestnr. 13 00 00

Geheimen op het spoor

Experimenteerhandleiding

KOSMOS brandstofcel

Voertuigen, krachtcentrales, machines en apparaten zonder uitstoot – dat zou spoedigwerkelijkheid kunnen worden. Beleef met eenvoudige experimenten, hoe de brandstofcel,de energie- omvormer van de toekomst, functioneert!

Van het team van auteurs

Dr. Detlef Bahnemann

Francisco Pujiula

Christopher Berge

Frankh-Kosmos Verlags- GmbH &co., Stuttgart

Waarschuwing!Alleen voor gebruik voor kinderen ouder dan 12 jaar. Gebruik alleen onder strikt toezicht van vol-wassenen, die zich bezig gehouden hebben met de in de experimenteerdoos beschreven voor-zorgsmaatregelen.Houd kleine kinderen en dieren uit de buurt bij de experimenten. Bewaar de experimenteerdoosbuiten het bereik van kleine kinderen, er zitten kleine onderdelen in die ingeslikt kunnen worden.

Voorzichtig!In de brandstofcel ontstaan zeer brandbare gassen. Lees de aanwijzingen voor gebruik, volg zeop en houd ze binnen bereik om ze er op na te kunnen slaan.

LET OP!I.v.m. beperkingen in de drukmogelijkheden zijn de afbeeldingen en tabellen te vin-den op de desbetreffend vermelde pagina in de Duitse handleiding!!!

2

Opdat er niets gebeurt…

Een woord voor de ouders!

Wat u moet weten over deze Natuurkunde- Experimenteerdoos en het gebruik ervan.

De KOSMOS experimenteerdoos BRANDSTOFCEL geeft uw kind de mogelijkheid, dit interes-sante gebied op onderhoudende wijze, maar niet des te minder grondig te leren kennen.Door experiment en uitleg af te wisselen krijgt het kind basiskennis, die hem verder helpen bij zijneigen experimenten thuis of bij de natuurkundeles op school.Er wordt kennis bijgebracht, die de samenhang weergeeft tussen ons handelen, of het nu gaat omthuis, in de industrie of in het verkeer en er wordt een mogelijkheid getoond hoe wij door het toe-passen van nieuwe technologieën het milieu kunnen ontlasten.

De proeven in dit experimenteerboek zijn zo samengesteld, dat kinderen vanaf 12 jaar zondergevaar kunnen experimenteren en de gedragingen kunnen begrijpen. De experimenteerdoosBRANDSTOFCEL voldoet aan de Europese veiligheidsnorm EN 71 en goedgekeurd door deTÜV.De norm omvat bijlagen voor de fabrikant – dat er b.v. geen bijzonder gevaarlijke stoffen gebruiktmogen worden -, maar voorziet er ook in, dat de ouders hun kinderen met raad en daad terzijdestaan. Dat kunt u alleen, als u zelf voldoende geïnformeerd bent. Wij wenden ons daarom tot u envertellen u waar het op aankomt.Blader dit experimenteerboek door en let vooral op de onderstreepte veiligheids-aanwijzingen. Praat met uw kind deze aanwijzingen door.Vertel uw kind uitdrukkelijk, dat het alle aanwijzingen moet lezen, opvolgen en bij de handmoet houden en dat alleen proeven uitgevoerd mogen worden die in dit boek beschrevenstaan.Informeer uw kind, maar maak het niet bang. Daar bestaat geen aanleiding toe, ervan afgezien datangst geen veiligheid geeft, maar eerder onzeker maakt.Wij wensen uw jonge fysicus (m/v) veel plezier en succes bij het experimenteren.

3

Basisregels om veilig te experimenteren

Aanwijzingen voor jonge fysici (m/v) en hun ouders

Alle proeven die in dit experimenteerboek beschreven staan, kunnen zonder gevaar uitgevoerdworden, als je de aanwijzingen en voorschriften nauwgezet opvolgt. Prent je in het bijzonder devolgende basisregels in, die een natuurkundige in vlees en bloed moet opvolgen:

1. Lees de aanwijzingen voor je met een proef begint, volg ze op en houd ze bij de hand.

2. Let in het bijzonder op de aanduidingen van de hoeveelheden en de volgorde van de werk-zaamheden.

3. Voer alleen de experimenten uit die in dit boek beschreven staan.

4. Houd kleine kinderen, dieren en personen die geen oogbescherming dragen, uit de buurt.

5. Draag steeds oogbescherming. Als je een bril draagt, houd die dan op.

6. Bewaar de experimenteerdoos buiten het bereik van kleine kinderen.

7. Gebruik geen andere apparaten dan de apparaten die in deze doos zitten.

8. Eet, drink en rook niet op de experimenteerplek.

9. Was je handen als je klaar bent met een experiment.

10. Voer de experimenten met de brandstofcel alleen uit op een plek die goed geventileerd is enzorg ervoor dat er geen ontstekingsbronnen in de buurt zijn.

Gebruik het meetapparaat nooit, om de stroom of de spanning te meten die uit een wandcontact-doos komen! Spanningen en stromen die uit een wandcontactdoos komen, zijn levensgevaarlijkgroot!

4

Inhoudsopgave

IntroductieDe meterVeiligheidsaanwijzingen voor het omgaanmet de meterIntroductieMeten van gelijkspanningMeten van gelijkstroomSamenvatting: Meten van stroom en spanningWeerstandsmetingDe Wet van Ohm

Het produceren van stroom met zonne-cellenIntroductieSnelle instap: je eerste zonneautoHoe helderder, hoe snellerHelderheid, intensiteit en energie van licht-bronnenAfschaduwing en bypass- diodesMeten van kortsluitstroom en nullastspanningLading, stroom, spanningKalibreren van een stralingsmeterDirecte en diffuse stralingDagelijkse gang van de zonnestralingHoe functioneert een zonnecel?Atomen, atoomkernen, elektronen, kristallenen vaste lichamenMetaal, isolator, halfgeleiderDe pn- overgangDe kristalstructuur van silicium en doteringKarakteristiek van een zonnemoduleSerieschakeling en parallelschakeling vanweerstandenEnergie, arbeid en vermogenMaximum Power Point en vulfactorGelijkstroom, wisselstroom, omvormer en“MPP-tracker”Fabricage van zonnecellenBepaling van het rendement van de zonne-moduleCelrendementen en modulerendementenSamenvatting

ElektrolyseVeiligheidsaspectenVerklaring van de begrippenHet ontleden van water door middel vanelektrolyse

Knalgastest voor het aantonen van waterstofKalibreren (“uitliteren”) van de gastankOpbouw en vullen van de brandstofcelSplitsen van water in de brandstofcelKwalitatieve gasanalyses: Knalgastest om waterstof aan te tonen Gloeiproef voor het aantonen van zuurstofKwantitatieve meting van de gasvor-mingsnelhedenElektrische meting bij de elektrolyse: Bepaling van stroom en spanningHet rendement van de waterelektrolyseInvloed van licht op de splitsing van waterEen geduldspelletje: volledige splitsing van alhet water in de brandstofcelNog een rekensommetje: hoeveel water zat er nou in de brandstof-cel?De splitsing van water door zonlicht: beterdan met een lamp?Hoe lang blijft het gas in de tank?Samenvatting

BrandstofcelVeiligheidsaanwijzingVeiligheid van waterstof: vergelijking met andere energiedragersHet beweegt!Brandstofcel I: Hoe functioneert de brandstofcelBrandstofcel II: Verschillende types brandstofcellenBrandstofcel III: historische ontwikkelingDe motor op snelheid brengenDe andere draaiMeting op de dynamoBereik van de autoEen luchtige aangelegenheidEen lift met waterstofaandrijving: montageWelk vermogen levert de lift?Lift: geleverde energieMeten van nullastspanning, werkspanning enkortsluitstroom van de brandstofcelRendement van de brandstofcelBlokverwarmingcentraleOpbouw van de brandstofcelZonne-energie – waterstof – hybride autoVooruitzichten

5

Inhoud van de experimenteerdoos

Zie afbeelding : Duitse handleiding pagina 4.

Onderdeel Benaming Kosmos bestelnr.

1 Brandstofcel compleet 2871602 Kabelset brandstofcel 287151

Aansluitkabel rood, 120 mm langAansluitkabel zwart, 120 mm langAansluitkabel rood, 250 mm met oogAansluitkabel zwart, 250 mm met oog

3 Aandrijfmotor 2871214 Voertuigchassis 2871225 Gasverzamelaar 2871236 As 2871247 4 wielen met banden elk 2871578 Zonnepaneel 2871279 Houder voor zonnepaneel 28714810 Spuit 28714011 Stuk slang 28713612 Digitale meter 28713013 Reageerbuis 28711914 Veiligheidsbril 05229715 Stickers 28714716 Zakje met kleine onderdelen brandstofcel 287150

2 slangklemmen2 slangaansluitingen2 afdichtingspakkingen8 modeltreinstekkers zwart8 modeltreinstekkers roodwikkelroldraadcanule- op maat gesnedenschroeven FZ, 2,9 x 6bevestigingshulzen

17 Zakje met elektrische onderdelen 287170weerstand 4,7 Ωweerstand 10 Ωweerstand 22 Ω

6

Introductie

Je hebt vast al wel eens van begrippen als klimaatramp, broeikaseffect, milieuvervuiling, smog enuitstoot van schadelijke stoffen gehoord. Dit zijn gevolgen van menselijk handelen, hoewel er noggevochten wordt over de exacte oorzaken en samenhang, tenslotte wil niemand alleen de schuldkrijgen. Er staat echter vast, dat industrie, verkeer en krachtcentrales, maar ook elk huishoudengrote hoeveelheden schadelijke stoffen produceren of veroorzaken, die onze lucht en het milieubelasten. Er wordt veel over gediscussieerd, hoe we in de toekomst dergelijke ernstige effectenkunnen vermijden. Daarbij worden er verscheidene ideeën ontwikkeld voor het verkeer en deenergiewinning, en er worden manieren gezocht, om deze ideeën in werkelijkheid on te zetten.

Afbeelding, zie pagina 6, Duitse handleiding.

Een van deze ideeën is de stapsgewijze omschakeling van de energiewinning op regeneratieveenergiebronnen. Het woord “regeneratief” betekent niets anders dan zelf- “herstellend” of ook wel“bijgroeiend”, d.w.z. er wordt niets werkelijk gebruikt. Een plant bijvoorbeeld groeit, doordat hijkoolstof (kooldioxide) uit de lucht opneemt. Als de plant verrot, komt er weer net zo veel kooldi-oxide vrij als hij in de loop van zijn leven heeft opgenomen. Een kringloop.

Afbeelding, zie pagina 6, Duitse handleiding.

Dit is bijvoorbeeld anders met bruinkool, steenkool, aardolie en aardgas. Men noemt dit fossielebrandstoffen. Dit zijn de resten van planten, die miljoenen jaren geleden gegroeid hebben. Er wasin die tijd veel kooldioxide in de lucht, en het klimaat was heel anders dan nu. De planten werdenin de lange tijd door aarde bedekt en onder de grond ingesloten. Daarmee was het door dezeplanten opgenomen kooldioxide praktisch uit het milieu verdwenen. Als men dit opgeslagen kool-dioxide weer in de lucht terugbrengt doordat de fossiele grondstoffen verbrand worden, dan krijg jelangzaam maar zeker weer een luchtmengsel zoals dat miljoenen jaren geleden was. Toen warener nog geen mensen, en die hadden in deze lucht beslist niet kunnen leven.

Bovendien zijn de fossiele brandstoffen ook een keer opgebruikt, ook als er nog geruzied wordtover het exacte tijdstip. Het is echter ook onbelangrijk of dat over 20, 50 of 200 jaar het geval zalzijn, vast staat dat het zal gebeuren. Daarom dus het zoeken naar regeneratieve energie en bij-groeiende grondstoffen.Verdere regeneratieve energiebronnen (naast de zogenaamde biomassa, dus nu groeiende plan-ten) zijn bijvoorbeeld wind en water. Beide worden al eeuwenlang gebruikt om energie te winnen:bijvoorbeeld windmolens en watermolens voor het malen van koren. Tegenwoordig worden wind-energie en waterkracht gebruikt in kleine en grote energiecentrales om stroom te produceren.

Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding.

Historisch waterleidingbedrijf 1878, Augsburg

Ook zonne-energie is een regeneratieve energiebron. De zon schijnt al miljarden jaren en zal nogmiljarden jaren blijven schijnen. Het gebruik van zonne-energie (dit wordt ook wel solar-energiegenoemd) is daarom een van de grondpijlers van een toekomstige regeneratieve energievoorzie-ning. Naast de mogelijkheid om stroom uit zonlicht te produceren, die je in je eerste experimentzult leren kennen, is er nog een grote hoeveelheid andere gebruiksmogelijkheden. Als je wel eensin een auto gestapt bent die ’s zomers in de zon had gestaan, dan weet je dat je uit zonlicht ookwarmte kunt winnen. Daarvoor bestaan er andere experimenten in een andere KOSMOS experi-menteerdoos.

7

Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding.

Omdat de zon echter alleen overdag schijnt, moeten er manieren gevonden hoe deze energieopgeslagen kan worden. Eén mogelijkheid ken je in ieder geval: de batterij. Daarvoor zul je in hettweede en derde deel van dit experimenteerboek proeven uitvoeren, die je laten zien dat er eenkringloop bestaat die je uitstekend kunt gebruiken: de waterstofkringloop. Waterstof is een uitste-kende energiedrager. Als je waterstof verbrandt, ontstaat er water. Dit water kun je bijvoorbeeldmet zonne-energie weer splitsen in waterstof en zuurstof. Dit noemen we waterstofelektrolyse. Degeproduceerde waterstof kunnen we dan opnieuw verbranden. Een eindeloze kringloop zonderschadelijke stoffen.

Je zult in het derde deel van dit experimenteerboek ook een manier leren kennen, hoe de water-stof zonder verbranding direct in stroom teruggevormd kan worden: de brandstofcel. Maar daar-over later.

Afbeelding, zie pagina 7, Duitse handleiding.

8

De meter

Veiligheidsaanwijzingen voor het omgaan met de meter

Om te zorgen dat de meter zonder problemen functioneert en je er zonder gevaar mee kunt wer-ken, moet je beslist letten op de volgende aanwijzingen:• Om geen risico telopen van verwondingen en om de meter niet te beschadigen, moet je de

meter alleen maar in combinatie met de in dit handboek beschreven proeven gebruiken!• Gebruik de meter alleen maar zoals dat in deze handleiding beschreven staat!• Controleer voor elke spanningsmeting dat de meter niet op stroommeting staat ingesteld.• Voor elke wisseling van het meetbereik moet je de verbinding tussen schakelcircuit en meet-

apparaat loskoppelen door de meetpunten (dat zijn de aansluitingen van de meter die in afb. 1rechts afgebeeld zijn) uit het schakelcircuit verwijdert! Anders kun je een levensgevaarlijkeelektrische schok krijgen of de meter kan vernield worden!

• Controleer voor elke meting of de meter of de meetsnoeren niet beschadigd zijn! Als er eenonderdeel beschadigd is, mag je de meter niet meer voor een meting gebruiken!

• Onderdelen binnenin de meter kunnen nog geladen zijn, ook als het meetapparaat van allespanningsbronnen en meetcircuits losgekoppeld is!

• Let er op, dat je de meetsnoeren tijdens een meting niet (ook niet indirect) aanraakt!• De meter mag alleen gebruikt worden voor het meten van gelijk- en wisselspanningen als-

mede van gelijkstromen gebruikt worden! Nooit wisselstromen meten met dit apparaat!• Vermijd beslist het vochtig of nat worden van de meter!• Vermijd het gebruik van het meetapparaat in de directe omgeving van sterke magnetische

velden (luidsprekers, magneten), elektromagnetische velden (transformatoren, grote motoren,spoelen, relais, elektromagneten enz.) en sterke elektrostatische velden (op-/ ontladingen)alsmede zendantennes.

• Gebruik alleen de meetsnoeren die met de experimenteerdoos meegeleverd zijn!• Schakel de meter nooit gelijk in, als je hem van een zeer koude naar een zeer warme kamer

brengt, omdat dit je meter zou kunnen vernielen! Wacht een paar minuten met het inschake-len, tot het meetapparaat zich aan de temperatuur heeft aangepast.

• Als het meetapparaat beschadigd is, mag je het in geen geval gebruiken, omdat dan gebruikzonder gevaar niet meer mogelijk is. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren, als het apparaat zichtbaarbeschadigd is, niet meer werkt of als het apparaat lange tijd onder ongunstige omstandighe-den opgeslagen is geweest (bijvoorbeeld in een vochtige ruimte). In dit geval moet je er ookvoor zorgen, dat het apparaat niet per ongeluk door iemand anders wordt gebruikt!

• Het apparaat mag alleen opengemaakt worden om de batterijen of de zekering te vervangen.Daartoe moet je op de volgende punten letten:

• Maak het apparaat nooit open, als het in een schakeling ingebouwd is!• Als batterij mag je alleen een 9V blokbatterij gebruiken!• Als vervangende zekeringen mogen alleen zekeringen worden gebruikt van het type 0,2A

250V flink (gebruikelijke aanduiding: F 0,2 A / 250 V)! De zekeringhouder mag niet overbrugdworden!

• Het vervangen van de batterij of de zekering doe je als volgt: Koppel de meter los van hetmeetcircuit. Verwijder alle aangesloten testpunten. Neem een passende kruiskop- schroeven-draaier en draai de schroeven aan de achterkant van de behuizing er tegen de richting van dewijzers van de klok in uit. Open de behuizing voorzichtig. Vervang de batterij en/ of de zekeringdoor de aangegeven vervangende onderdelen. Als de batterij/ zekering vervangen is, sluit jede behuizing in omgekeerde volgorde weer. Neem de meter pas weer in gebruik, als de behui-zing veilig gesloten en dichtgeschroefd is!

9

• Als de batterij van de meter leeg is, moet je hem uit het apparaat halen, omdat ook tegen uit-lopen beschermde batterijen kunnen roesten en er daarbij chemicaliën vrij kunnen komen, diegevaarlijk kunnen zijn voor je gezondheid en/ of de meter kunnen vernielen. Gebruikte batte-rijen horen in de verzamelbakken in winkels e.d. en niet bij het huisvuil!

• Schoonmaken van het apparaat; gebruik daarvoor een niet pluizende, antistatische, drogedoek. Gebruik nooit koolstofhoudende schoonmaakmiddelen of benzine, alcohol of dergelijke.Door deze stoffen wordt het oppervlak van de meter aangetast. Bovendien zijn de dampenschadelijk voor de gezondheid en explosief.

De volgende aanwijzingen hoef je niet persé te snappen, het is voldoende dat je de tot nu toe ge-noemde aanwijzingen opvolgt! Daarbij geldt in het bijzonder, dat je de meter alleen gebruikt op demanier zoals die in de proeven in dit handboek beschreven wordt.

• De multimeter is EMV- getest en voldoet aan de richtlijn 89/336/EG• Het meetapparaat is gebouwd en getest volgens DIN 57 411 deel 1/ VDE 0411 deel 1, Veilig-

heidsmaatregelen voor elektronische meetapparatuur en heeft de fabriek in veiligheidstech-nisch perfecte staat verlaten. Om dit zo te houden en zeker te zijn van gebruik zonder gevaar,dient de gebruiker zich te houden aan de veiligheidsaanwijzingen en waarschuwingen die indeze gebruiksaanwijzing staan.

• De meter mag alleen gebruikt worden in stroomcircuits, die zelf met 10 A afgezekerd zijn, resp.waarin geen capaciteiten groter dan 2500 VA (=250 V x 10 A) kunnen optreden. De optre-dende/ voorkomende spanning mag in ieder geval niet groter zijn dan 250 VDC. De multimeteris niet geschikt voor het meten van wisselstroom. De meter mag niet gebruikt worden in in-stallaties van de overspanningscategorie III volgens IEC 664. Het meetapparaat en de meet-snoeren zijn niet beschermd tegen lichtboogexplosies (IEC 1010-2-031, hoofdstuk 13.101).

• Als er na of bij het openen van het apparaat (voor onderhoud, reparatie of het vervangen vanonderdelen) een reparatie van het geopende apparaat onder spanning noodzakelijk is, danmag dit alleen gebeuren door een vakman die op de hoogte is van en vertrouwd is met dedaaraan verbonden gevaren resp. met de desbetreffende voorschriften daarvoor (VDE-1010,VDE-0701, VDE-0683).

• Reeds bij spanningen groter dan 25 VAC (wisselspanning) en 35 VDC (gelijkspanning) kan hetaanraken van elektrische leidingen een levensgevaarlijke schok veroorzaken. Schakel daarombeslist eerst de spanningsbron stroomloos, verbind dan het meetapparaat met de aansluitin-gen van de te meten spanningsbron, stel op de meter het benodigde meetbereik in en schakelpas daarna de spanningsbron weer in. Na beëindiging van de meting eerst de spanningsbronstroomloos schakelen, pas daarna de meetsnoeren verwijderen!

Afbeelding 1: de meter (zie pagina 9, Duitse handleiding)

10

IntroductieDe meter die je in je experimenteerdoos hebt gevonden, is een zogenaamde digitale multimeter.Het woord digitaal betekent, dat de meter de gemeten waarde als getal aanwijst. Andere meterslaten je de waarden zien doordat de wijzer op een schaalverdeling een waarde aanwijst (velesnelheidsmeters in de auto werken met wijzer en schaalverdeling). Het apparaat heet multimeter,omdat er door aan de knop aan de voorkant te draaien, gekozen kan worden wat de meter moetmeten, en het meetbereik kan veranderd worden. In de meeste gevallen is echter het draaien aande knop niet genoeg. In plaats daarvan moet je ook de opbouw van de schakeling een beetje ver-anderen, om bijvoorbeeld in plaats van een stroom een spanning te meten. De aparte werkings-soorten (spanningsmeting, stroommeting en weerstandsmeting) zul je in het volgende gedeelteleren kennen. De begrippen weerstand, lading, spanning en stroom, die daarbij voorkomen, wor-den in samenhang met de experimenten voor het opwekken van stroom met zonnecellen uitge-legd.Tijdens de proeven die later in het experimenteerboek uitgevoerd worden, kun je steeds weer hiereven nakijken, als je er niet helemaal zeker van bent hoe je de meter moet bedienen. Om daarbijhet meetapparaat zonder gevaar te kunnen gebruiken, moet je beslist de veiligheidsaanwijzingenvoor het omgaan met de meter op de vorige bladzijde opmerkzaam doorlezen.

Meten van gelijkspanningVoor het meten van een spanning moet de digitale multimeter op de juiste manier ingebouwd wor-den in het stroomcircuit. Daarbij geldt als vuistregel, dat de meter parallel ingebouwd moet wordenaan dat deel van de schakeling, waaraan je de spanning wilt meten. Dat klinkt heel ingewikkeld,maar het is eigenlijk heel eenvoudig. In afbeelding 3 is de schakeling getekend, als je de spanningop weerstand R wilt meten. De stroom kan, komend van de batterij, zowel door de meter als doorde weerstand vloeien. Beide zijn dus parallel geschakeld. Als de weerstand gelijk is aan nul, dankan de stroom onbelemmerd vloeien. Je zult later leren, dat in dit geval de spanning steeds gelijkis aan nul (dat is de Wet van Ohm). Als de weerstand groter is dan nul, dan zal de stroom voor deweerstand “opgestuwd” worden, dat wil zeggen op de weerstand zal een spanning “afvallen”, dieje kunt meten. Als de weerstand oneindig groot is, dan zal er helemaal geen stroom vloeien, en detotale spanning die de stroombron in jouw schakeling levert, zal op deze weerstand afvallen –alsof de beide aansluitingen van de stroombron alleen via de meter met elkaar verbonden waren.De meter laat namelijk inderdaad steeds maar een heel kleine stroom passeren, als je hem alsspanningsmeter gebruikt. Slechts zoveel dat je net daaraan kunt “zien” hoe groot de spanning is.

Afb. 2 Instelling van de multimeter voor een spanningsmeting (zie pagina 10, Duitse handleiding)

Om een dergelijke spanningsmeting uit te voeren, moet de meter ingesteld zijn op spanningsme-ting, en de meetpunten moeten in de juiste aansluitingen gestoken zijn. Gebruik de zwarte kabelsteeds voor de COM- aansluiting (negatieve spanning), de rode kabel voor de andere aansluiting(positieve spanningen). Dit kun je in alle afbeeldingen in dit boek zien. het komt overeen met de inde elektrotechniek gebruikelijke standaard en helpt fouten te vermijden.De verschillende posities van de draaiknop in het gele bereik in afbeelding 2 verschillen in deschaalverdeling, d.w.z. in de maximaal meetbare spanning en in de nauwkeurigheid van de aan-duiding. Hoe groter het meetbereik, hoe minder precies wordt de meting van kleine spanningen.• 600: meten van spanningen tot 600 V• 200: meten van spanningen tot 200 V

Deze beide meetbereiken zul je voor de experimenten in deze doos nooit gebruiken.

11

Gebruik de meter nooit voor het meten van dergelijke hoge spanningen, ook als de schaalverdeling dat mogelijk maakt. Dergelijke spanningen kunnen levensgevaarlijk zijn!

• 20: Meten van spanningen tot 20 V Dit meetbereik zul je vaker gebruiken.

• 2000m (spreek uit 2000 milli(Volt). Meten van spanningen tot 2 V. De m na het getal (of betervoor de eenheid, die hier weggelaten is) betekent milli, dus een duizendste deel. De maximaalmeetbare spanning is dus 2000 millivolt = 2000x(1/1000) = 2 V

• 200 m (200 millivolt). Meten van spanningen tot 200 mV = 0.2V (200 x (1/1000) = 0,2 V. Voorde meeste metingen in dit boek is dit meetbereik te klein.

Afb. 3: Schakeling voor een spanningsmeting. De meter en de weerstand zijn parallel geschakeld(zie pagina 11, Duitse handleiding).

Voorbeeld van een spanningsmetingAls je een batterij (bijvoorbeeld uit een zaklantaarn of een walkman) bij de hand hebt, lees dan opde batterij de aangegeven spanning (bijvoorbeeld 1,5 V bij een monocel, 9V bij een blokbatterij).Kies het meetbereik zo, dat de te meten spanning kleiner is dan de maximale spanning in hetmeetbereik (2000 mV voor monocel, 20 V voor blokbatterij). Stel de meter zo in als te zien is inafb. 4 en houd de meetpunten van de meter aan de polen van de batterij: de rode kabel aan depluspool, de zwarte aan de minpool. Dit komt overeen met een meting met oneindig hoge weer-stand R. Lees nu op het display van de meter de aanduiding. Als de batterij vol is, dan moet degemeten spanning minimaal onder de aangegeven spanning liggen. Als de spanning negatief is,dan moet je de beide kabels omwisselen.

Meten van gelijkstroomOok voor het meten van gelijkstroom moet je eerst de meter op de juiste manier inbouwen in deschakeling. Hierbij wordt de meter anders ingebouwd dan voor de spanningsmeting. Dit zie je inafb. 5. Voor stroommetingen geldt daarbij de vuistregel, dat de meter in serie ingebouwd moet zijnmet het deel van de schakeling waardoor je de stroom wilt meten. Dan moeten alle ladingen diedoor de weerstand vloeien, ook door de meter vloeien. Bovendien moet je de draairegelaar op demeter op één van de standen zetten die in afb. 6 geel aangegeven zijn. De getallen van de ver-schillende posities geven weer het meetbereik (d.w.z. de maximaal meetbare stroom) aan:

Afb. 4: meting van de nullastspanning van een batterij (zie pagina 11, Duitse handleiding)

• 200 µA (spreek uit micro-Ampère). Meten van stromen kleiner dan 200 µA. De letter µ (uitge-sproken als mu) komt uit het Griekse alfabet en betekent miljoenste (1/1.000.000). 1µA is duseen miljoenste Ampère of ook wel 0,000.001 A. In de techniek gebruikt men veel liever deschrijfwijze 1 µA veel liever dan 0,000.001 A, omdat je je dan niet zo gauw vertelt in alle nullenen het getal sneller geschreven kan worden. 200 µA komt dus overeen met 200 : 1.000.000 =0,2 duizendste Ampère = 0,2 mA (0,2 milliampère).

• 2000 µA (2000 microampère) is 2.000 miljoenste Ampère, dus 2 duizendste Ampère = 2mA(2 milliampère).

• 20 mA (20 milliampère) is 20 duizendste Ampère, dus 0,02 A.

Voor de proeven in deze doos zijn deze drie bereiken te klein. Je zult ze bij de proeven in dezedoos niet kunnen gebruiken.

12

• 200 mA (200 milliampère) is 200 duizendste Ampère, dus 0,2 A. Voor een paar van de proe-ven kun je dit meetbereik gebruiken, maar meestal heb je een groter bereik nodig.

• 10 A. Dit meetbereik is voldoende voor alle proeven. Om dit bereik te gebruiken, moet je dedraairegelaar op dit in wit aangegeven getal instellen en bovendien de rode kabel, zoals tezien is in afb. 6, in de bovenste bus steken. Voor alle andere meetbereiken moet je de middel-ste bus gebruiken, waar “VΩmA” bij staat.

Ook als je met dit bereik gelijkstromen tot 10 A kunt meten, mag je dit toch nooit doen.Stromen van deze grootte zijn levensgevaarlijk!

Afb. 5: schakelschema voor een stroommeting. De meter en de weerstand zijn in serie geschakeld.(zie pagina 12 Duitse handleiding)

Afb. 6: Instelling van de multimeter voor een stroommeting(zie pagina 12, Duitse handleiding)

Voorbeeld van een stroommetingAls je een batterij bij de hand hebt (bijvoorbeeld uit een zaklantaarn of een walkman) bij de handhebt, kun je de volgende test uitvoeren. Kies het meetbereik 10 A voor de stroommeting, gebruikde bovenste bus voor de rode kabel zoals je ziet in afb. 6. Houd de meetpunten tegen de polenvan de batterij en lees de aanduiding op de meter. Als de batterij niet leeg is, moet de meter eenstroom aangeven in het bereik van 1 tot 7 A, afhankelijk van de batterij. Voer de meting niet al telang uit, omdat anders de batterij zeer heet wordt (hij is kortgesloten, omdat er, anders dan in afb.5, geen weerstand tussengeschakeld is)!

Samenvatting: meten van stroom en spanningVoor het meten van stroom en spanning moet de meter op verschillende manieren in het stroom-circuit ingebouwd worden:• Voor het meten van de spanning aan een deel van de schakeling wordt de meter parallel met

dit onderdeel geschakeld.• Voor het meten van de stroom door een deel van de schakeling wordt de meter in serie met dit

deel van de schakeling ingebouwd. Alle ladingen, die door dit deel van de schakeling vloeien,vloeien dan ook door de meter.

In de proeven in dit handboek zijn er steeds schakelschema’s getekend, waaruit je kunt zien hoeje de meter in de schakeling moet inbouwen. Bovendien is bij het symbool voor de meter de letter“I” getekend als je een stroom moet meten, en de letter ‘U” als je een spanning meet. Daarnamoet je de meter volgens deze aanduidingen instellen.

WeerstandsmetingDe weerstandsmeting gaat bij de meter zo, dat door de meter een spanning op een onderdeelaangelegd wordt en de daaruit volgende stroom gemeten wordt. De meter bepaalt de weerstandvolgens de wet van Ohm uit de gemeten spanning en de vloeiende stroom. Je vindt de Wet vanOhm in het kader op de volgende bladzijde. Afb. 7 laat je zien hoe je de meter voor een dergelijkeweerstandsmeting moet instellen. Als de weerstandsmeting wordt gebruikt, mag er geen anderespannings- of stroombron in de schakeling bestaan (of ingeschakeld zijn)! Anders klopt de metingniet en je meter kan vernield worden. Om deze fout te vermijden, moet je de meting van weer-standen steeds op aparte onderdelen uitvoeren, niet op onderdelen in een complete schakeling!De Griekse letter Ω (Omega) staatvoor de eenheid van weerstand: Ohm. De meetbereiken bete-kenen:• 200 Ω meting tot 200 Ω

13

Dit meetbereik zul je het vaakst nodig hebben.• 20 kΩ (20 kilo-Ohm): is 20 duizend Ohm = 20.000 Ω. De k staat voor kilo en betekent 1.000.• 200 kΩ (200 kilo-Ohm) is 200.000 Ω• 2.000 kΩ (2.000 kilo-Ohm) is 2.000.000 Ω of ook wel 2 mega-Ohm = 2 MΩ. De (hoofdletter!) M

staat voor mega en betekent miljoen.

Afb. 7: Instelling van de multimeter voor een weerstandsmeting(zie pagina 12 Duitse handleiding)

Voorbeeld van een weerstandsmetingKies als meetbereik 2.000Ω.Houd de beide meetpunten met een niet al te grote afstand op éénvan je vingers. De aanduiding moet nu alleen links een 1 aangeven. Dit betekent dat de weerstandduidelijk groter is dan het meetbereik. Maak nu je vinger vochtig en herhaal de meting, waarbij jede meetpunten op het vochtige gedeelte drukt. De meter moet nu een waarde van een paar hon-derd (b.v. 600) aangeven, wat betekent dat de weerstand tussen de beide meetpunten nu ca. 600kΩ, dus 600.000 Ω groot is (je mag hierbij niet vergeten de aangegeven waarde te vermenigvuldi-gen met de ”letter” voor de eenheid van het meetbereik: Als daar een k staat, betekent dat dus,dat de meter kilo-Ohm aangeeft, een 1 is daarom dus niet één Ohm, maar een kilo-Ohm, dus1.000 Ω!).

De Wet van OhmAls er tussen de beide uiteinden van een draad een spanningsverschil bestaat, dan vloeit er eenstroom door de draad. Deze stroom is des te hoger naarmate het spanningsverschil groter is. Deelektronen kunnen echter ook niet oneindig snel door de draad passeren. De draad zelf bestaatnamelijk ook uit kleine deeltjes, de atomen, die met elkaar verbonden zijn. Als de elektronen doorde draad willen vloeien, dan botsen ze op de deeltjes in de draad. Men zegt dan dat de draad een“weerstand” biedt tegen de elektronen. De stroom is er dus ook van afhankelijk, hoe gemakkelijkde elektronen de draad kunnen passeren, hoe klein dus de weerstand is. De stroom zal des tegroter zijn, naarmate de weerstand kleiner is. Als formule geschreven ziet dat er zo uit:

Spanning UStroom = ------------ of I = ---- weerstand R

Dit wordt aangeduid als de Wet van Ohm, genaamd naar de Duitse natuurkundige Georg SimonOhm (1789 – 1854). De eenheid voor de weerstand is ook naar hem Ohm genoemd, afgekort metde Griekse letter omega (Ω).Als de spanning in een stroomcircuit 1 V bedraagt (U = 1 V) en de weerstand 1 Ohm (R = 1 Ω),dan berekenen we voor de stroom

I = 1 V = 1 V = 1 A 1 Ω Ω

Dan vloeit er dus een stroom van 1 Ampère.Vaak worden de eigenschappen van stroom en spanning beschreven met een model, waarbij erwater door een buis stroomt. Hoe groter het spanningsverschil (d.w.z. het hoogteverschil tussenhet bovenste reservoir en het onderste bekken), hoe sneller het water vloeit (grotere stroom).Maar ook bij lage spanningen (gering hoogteverschil) kan het vloeien van de stroom groter ge-maakt worden als de buis dikker wordt ( de weerstand wordt minder).

Afb. 8: Overeenkomst tussen water, dat door een buis stroomt, en stroom, die door een draad vloeit.(zie pagina 13 Duitse handleiding)

14

Stroom opwekken met zonnecellen

IntroductieDe volgende acht experimenten geven je een overzicht hoe je uit zonne-energie stroom kunt op-wekken. Dit wordt omschreven als “Photovoltaïk”, samengesteld uit de begrippen “Photo” (uit hetGrieks, het betekent “licht”, een photon is een lichtdeeltje) en “Voltaïk” (een afleiding van de een-heid Volt voor spanning), dus “spanning uit licht”.

P1Een snelle instap: je eerste zonneautoIn deze eerste proef zul je de eerste delen van de experimenteerdoos samenbouwen. Aan heteind van de proef heb je dan een zonneauto geknutseld, die op zonnestroom rijdt.Eerst moet je daarvoor de achteras en de vooras met de aandrijving en de motor en de wielensamenbouwen. Je kunt in afbeelding 9 zien, hoe ze samengebouwd worden. Draai de schroef opde vooras niet al te vast, zodat je nog sturen kunt, maar wel vast genoeg, zodat je auto tijdens hetrijden niet vanzelf van richting verandert!

Afb. 9: montage van de zonneauto (zie pagina 14 Duitse handleiding)

Verwijder ook de gastanks, omdat je die voor deze proeven niet nodig hebt.Aan jouw zonneauto ontbreekt nu nog de stroomvoorziening. Daarvoor moet je in de volgendestap de zonnemodule op de auto monteren. Maak de kabels op de zonnemodule los, druk de zon-nemodule in de houder en bevestig de kabel weer met de sluitringen en de moeren. Let er daarbijop, dat je de rode kabel weer aan de pluspool en de zwarte aan de minpool vastschroeft. Monteerhet zonnepaneel daarna op het voorste gedeelte van de wagen, door de stiften van de houder inde desbetreffende gaten van het chassis – zo noemen we het onderstel ook – in te klikken (afb.10a). Daartoe moet je de houders een beetje uit elkaar buigen, maar niet te veel, anders brekenze af!Daarmee ben je al bijna klaar met de montage. Je hoeft alleen nog maar de ministekkers op deuiteinden van de kabels te bevestigen. Daarvoor heb je een kleine schroevendraaier nodig. Maakeerst de schroef op de stekker los, tot je de metalen stift die op het uiteinde van de kabel gestokenis, in de stekker kunt schuiven, en draai daarna de schroef weer vast.

Afb. 10a: bevestigen van de zonnemodule (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Afb. 10b: de zonnemodule zit op de auto (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Afb. 11: schakelschema van je zonneauto (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Tenslotte moet je de zonnemodule nog met de motor verbinden, en dan is de auto klaar. Daarvoorvind je aan de zijkanten van het chassis twee metalen plaatjes met gaten. Met deze stekkerstripskun je de verbinding tot stand brengen, door de miniatuurstekkers in de gaatjes te steken. Afb. 11laat het schakelschema zien van je zonneauto. Je hoeft niet te schrikken als de symbolen in hetschema je onbekend zijn. Voor alle proeven vind je ook steeds een afbeelding, die je laat zien hoeje de schakeling in elkaar kunt zetten: Voor dit experiment zie je dat in afb. 12. In de loop van detijd zal het je steeds beter lukken de schema’s te lezen en de schakelingen zonder hulp in elkaarte zetten.Steek de stekkers aan de uiteinden van de kabels in de getekende posities in de stekkerstrips vande auto. Zodra je de laatste stekker in de juiste positie er ingestoken hebt, zou de motor moeten

15

beginnen te lopen – maar natuurlijk alleen als je niet in het donker werkt! Eventueel moet je deauto een zetje geven of wat meer licht maken.Daarmee heb je jouw eerste zonneauto in elkaar gezet die rijdt, zodra er genoeg licht op het zon-nepaneel valt.De zonneauto rijdt natuurlijk niet echt overtuigend. Je hebt zeer veel licht nodig om te zorgen datde auto niet stilstaat, maar als hij rijdt, dan ook echt snel! Dat komt, omdat een zonnemodule nietecht optimaal ontworpen is om je motor direct aan te drijven. Hij levert namelijk een hoge span-ning, die je in latere proeven voor de elektrolyse nodig hebt, maar slechts een kleine stroom. Jouwmotor heeft echter juist veel stroom nodig om te draaien.

In de tekening is,om te zien hoe de kabels lopen, het zonnepaneel er afgenomen

Afb. 12: Opbouw van je zonneauto (zie pagina 15 Duitse handleiding)

Een professionele zonneauto zie je in afb. 13. Deze heeft echter in tegenstelling tot jouw auto eenkleine accu ingebouwd, waarin de stroom wordt opgeslagen die niet direct door de motor verbruiktkan worden. Deze zonneauto gebruikt zonnecellen, die ontwikkeld zijn op de universiteit in Syd-ney, Australië. Ze zijn om te maken heel erg duur en kosten samen een paar miljoen euro. Deauto bereikte in 1996 tijdens de elke drie jaar in Australië plaatsvindende zonneauto- rally “WorldSolar Challenge” over een afstand van 3000 km een gemiddelde snelheid van 89,76 km/!In 2001 en 2003 werd de race gewonnen door Nederlandse teams, het laatst door het Nuon SolarTeam met de Nuna II, en een gemiddelde snelheid van 97,02 km/uur!In de volgende proef zul je met een iets eenvoudiger variant van een zonneauto een paar proevenuitvoeren die je laten zien, wanneer de auto bijzonder goed rijdt; namelijk precies dan, wanneer erzo veel mogelijk helder licht op de zonnemodule valt!

Afb. 13: De zonneauto “Dream” van de firma HONDA (zie pagina 16 Duitse handleiding)

P2Hoe helderder hoe sneller!Voor deze proef heb je de zonneauto nodig, die je bij de vorige proef in elkaar gezet hebt. Wewillen nu onderzoeken, hoe licht uit verschillende lichtbronnen met verschillende helderheid desnelheid van de motor en daardoor van de auto verandert. Als het je stoort dat de auto daarbijsteeds wegrijdt, kun je hem gewoon heel simpel met de aandrijfunit op een gummetje of iets an-ders leggen, zodat de vooras vrij kan draaien. Je kunt dan de snelheid van de motor “horen” maarook aan het toerental van de vooras zien.Eerst hebben we voor deze proef lichtbronnen van verschillende helderheid nodig. Daarbij moetenwe echter een kleinigheid bespreken, om misverstanden te voorkomen.

Helderheid, intensiteit en energie van lichtbronnenVolgens je eigen begrip is het zeer zeker duidelijk wat helderheid betekent. Natuurkundig is hetechter niet precies genoeg om over helderheid te praten. Andere begrippen die hier uitgelegdworden, moeten het begrip helderheid beter beschrijven.

De flits van een fototoestel kan ons helderder voorkomen dan de zon, omdat de flits heel kort heelintensief oplicht. Maar de flits is maar van zeer korte duur (slechts een paar duizendsten van eenseconde, en zelfs in deze korte tijd neemt de intensiteit al duidelijk af). De zon daarentegen schijntde hele tijd met gelijkblijvende intensiteit. Als je een flitsapparaat hebt, kun je uitproberen wanneerde motor sneller loopt: bij zonlicht of met flitslicht. Het komt er voor onze proef dus niet alleen op

16

aan een zo groot mogelijke intensiteit te bereiken, maar deze intensiteit moet ook permanentaanwezig zijn. We noemen dit continue instraling.

De intensiteit wordt gedefinieerd als vermogen (in Watt) per oppervlak (in vierkante meter), deeenheid voor de intensiteit is dus 1 W/m2. Het begrip vermogen wordt later nog precies uitgelegd.Men kan een hoge intensiteit bereiken door veel vermogen op een klein oppervlak te concentre-ren. Een brandglas (vergrootglas) doet precies dat: het licht, dat op het totale oppervlak van hetbrandglas valt, wordt in het brandpunt verzameld. Als het oppervlak van het brandglas1 cm2

groot is (10 mm x 10 mm = 100 mm2), en het brandpunt ongeveer 1 mm2, dan is de inten-siteit in het brandpunt 100 keer zo groot als op het oppervlak van het brandglas. ’s Zomers kandaarom een eenvoudig stuk gebogen glas een bosbrand tot gevolg hebben, als het verzameldelicht op een beetje gedroogd gras valt. Je kunt hoge intensiteiten echter alleen bereiken, als jeveel vermogen in een zeer korte tijd afgeeft. Dat gebeurt bij een flitser. Daar worden onderdelen(condensatoren) elektrisch opgeladen en als jij op de knop drukt, worden deze onderdelen heelsnel ontladen. Daarom heeft een flitser elke keer wat tijd nodig om op te laden tussen de aparteflitsen: hij moet het vermogen voor het uitstralen eerst “verzamelen”.

De ingestraalde energie is het product van intensiteit (in W/m2) en de tijd (in seconden), d.w.z. hetvermogen dat in één seconde op een oppervlak terechtkomt. De eenheid daarvoor is daarom dusde Wattseconde per vierkante meter (Ws/m2).Verschillende lichtbronnen zijn verschillend in eigenschappen: de fotoflits heeft een hoge intensi-teit, duurt echter maar kort, en heeft daardoor ondanks de hoge intensiteit toch niet veel energieingestraald. De zon is niet zo heel helder, maar schijnt permanent, en de ingestraalde energie isdaarom groter. In een doorsnee jaar (zon, regen, dag en nacht, zomer en winter) wordt door dezon op elke vierkante meter in Nederland een energiehoeveelheid van ongeveer 780 kWh (kilo-wattuur, dat is 780 x 1.000 W x 3.600 sec = 2.808 miljoen Wattseconden) ingestraald.

Ondanks deze vele onzekerheden bij de precieze definitie is het in het dagelijks leven toch heelgebruikelijk om van helderheid te spreken. Dat zullen wij daarom ook in dit boek doen. Je moetdaarbij echter steeds in je achterhoofd houden, dat we daarmee een continue (over een langereperiode aanhoudende) instraling bedoelen, zoals die b.v. geleverd wordt door je bureaulamp ofdoor de zon.De lichtbronnen die je voor de volgende proef kunt gebruiken, zijn:• De zon (op een bewolkte dag of op een onbewolkte dag)• De zon (als je je in de schaduw bevindt)• Een bureaulampHoud de zonnemodule met de voorkant naar de lichtbron. Als je de module een klein beetje kan-telt (dus niet helemaal in de richting van de lichtbron laat “kijken”), kun je vaststellen dat de draai-snelheid van de motor verandert. In een bepaalde stand is de snelheid maximaal (namelijk preciesals het licht loodrecht op de zonnecellen valt). Dit is getekend in afb. 14. Aan de hand van de af-beelding kunnen we dat ook heel eenvoudig snappen. Als je de zonnemodule kantelt, verander jede grootte van het oppervlak dat de lichtbron “ziet”. Omdat we echter gezegd hebben dat eenlichtbron een energie per oppervlak levert, is het duidelijk dat we minder energie opvangen als wehet oppervlak van de zonnemodule door kantelen schijnbaar verkleinen.

Afb. 14: als het oppervlak van je zonnemodule verticaal op het licht gericht is, vang je meer licht op danwaneer de module gekanteld is(zie pagina 18 Duitse handleiding)

Als je met een bureaulamp werkt, kun je bovendien zien, dat de motor des te sneller draait naar-mate je met de zonnemodule dichter bij de lamp komt. Dit is heel belangrijk voor sommige van de

17

volgende proeven. We kunnen dat op de volgende manier verklaren: De lichtstralen, die door eenlichtbron uitgestraald worden, gaan in alle richtingen (kogelvormig) naar buiten. Ook de zon straalthaar licht kogelvormig naar buiten. De stralen, die na miljoenen kilometers op de aarde aanko-men, zijn daarbij echter allemaal in praktisch dezelfde richting uitgestraald, anders hadden ze deaarde helemaal niet geraakt. Omdat de aarde dus zo ver van de zon afstaat en zo klein is (de ver-houding tussen de grootte van de aarde en haar afstand tot de zon is erg klein), zijn de lichtstralendie van de zon op de aarde aankomen, praktisch parallel (afb. 15). Dat kun je herkennen aan hetfeit, dat je schaduw in het zonlicht niet groter is dan jezelf.

Afb. 15: zonlicht is parallel(zie pagina 18 Duitse handleiding)

Afb. 16: het licht van een lamp is normaalgesproken niet parallel. De hoeveelheid licht, die op een vlak te-rechtkomt, is daarom afhankelijk van de afstand tot de lamp(zie pagina 18 Duitse handleiding)

Ook van kunstmatige lichtbronnen, zoals b.v. jouw bureaulamp, wordt het licht kogelvormig uitge-straald. Alleen is hier de verhouding tussen de grootte van het voorwerp en de afstand tot de licht-bron veel groter. De lichtstralen die je voeten verlichten, hebben bijvoorbeeld een andere richtingdan de lichtstralen, die je gezicht raken. Het licht van een kunstmatige lichtbron is dus meestal nietparallel (in de natuurkunde zegt men: “Het licht/ de lichtbundel is divergent”). Dit zie je ook in afb.16. Daarom maakt het ook een groot verschil, hoe ver je van de lichtbron verwijderd bent. Hoedichter de lichtbron zich bij de zonnemodule bevindt, hoe groter is de schaduw ervan op de muur.Als de schaduw echter groter wordt, betekent dat, dat de zonnemodule meer licht opvangt, datdan niet meer op de muur terechtkomt, maar op de zonnemodule. Als we de zonnemodule dichterbij de lichtbron brengen, vergroten we schijnbaar het oppervlak ervan.Als je later bij sommige proeven met kunstmatige lichtbronnen zoals een bureaulamp werkt, moetje er beslist op letten dat je tijdens een meetserie steeds dezelfde afstand tot de lichtbron aan-houdt. Alleen dan komt namelijk bij alle proeven uit die meetserie dezelfde “helderheid” op je zon-nemodule.

Afb. 17: als de lichtkegel van je lamp te klein is of je te dicht bij de lichtbron bent, wordt er maar een ge-deelte van de zonnemodule verlicht.(zie pagina 19 Duitse handleiding)

En je kunt misschien nog een ander effect zien. Dat hangt van je bureaulamp af. De draaisnelheidvan de motor neemt namelijk maar tot een bepaalde minimale afstand toe, daarna wordt de snel-heid weer kleiner. Dit gebeurt precies, als de lichtkegel van je lamp niet meer voldoende is om hettotale oppervlak van de zonnemodule te belichten. Als je dit effect niet met je bureaulamp kuntwaarnemen, is dat verder niet zo erg. Je kunt het namelijk ook simuleren, dus kunstmatig produ-ceren. Houd daarbij de zonnemodule in het licht en houd een voorwerp (bijvoorbeeld een vel pa-pier) zo voor de lamp, dat de schaduw van het voorwerp op een deel van de zonnemodule valt.Als er zelfs maar een klein gedeelte van de zonnecel in de schaduw valt, vermindert de snelheidvan de motor heel snel.Dit effect hangt samen met de eigenschappen van de zonnecellen en van de schakeling in dezonnemodule. Misschien heb je al wel eens van dioden gehoord. Dit zijn elektronische onderde-len, die de stroom alleen in één richting doorlaten, in de andere richting niet. Afhankelijk van hoede diode in een stroomcircuit ingebouwd is, blokkeert de diode de stroom of laat de stroom door.Daartoe horen ook de lichtdioden, die bij een schakeling in de ene richting oplichten en de stroomlaten passeren. Een zonnecel is, zoals je later zult zien, in principe niets anders dan een “omge-keerde lichtdiode”. Omdat hij echter “omgekeerd” loopt, betekent dat ook, dat in de richting waarin

18

de stroom vloeit, normaalgesproken geen stroom kan vloeien – dus alleen bij belichting. Als je duseen zonnecel in je zonnemodule afschaduwt, kan er geen of maar een heel klein beetje stroomvloeien. In professionele installaties lost men dit probleem op met zogenaamde “By-pass dioden”.

Afschaduwing en bypass- diodenOm te voorkomen dat een zonnemodule, die uit vele zonnecellen bestaat, geen stroom levert,omdat er een blad op de module is gevallen of een schaduw van een boom sommige zonnecellenafschaduwt, werkt men met zogenoemde “bypasses”.Een dergelijke bypass bestaat uit een diode, die anti-parallel met één of meerdere in serie ge-schakelde zonnecellen werkt. De doorlaatrichting ervan wordt zo gekozen, dat bij normaal gebruikvan de belichte zonnecellen de diode de stroom niet laat passeren. Als dan een van de zonnecel-len afgeschaduwd wordt, kan de stroom in plaats van door de afgeschaduwde zonnecel geblok-keerd te worden, door de diode aan de blokkerende zonnecel voorbij vloeien. Als de zonnecellendaarentegen belicht worden, kan de stroom niet gewoon door de diode gelijk naar de andere poolvan de zonnecel terugvloeien, omdat de diode in deze richting blokkeert en een kortsluiting voor-komt.

Afb. 18: manier van functioneren van bypass- dioden. De bovenste zonnecel heeft een bypass, de ondersteniet. Als de zonnecel met bypass afgeschaduwd wordt, vloeit er nog steeds stroom. Als de zonnecel zonderbypass afgeschaduwd wordt, vloeit er geen stroom. Dit gebeurt in een zonnemodule als die gedeeltelijkafgeschaduwd wordt.(zie pagina 19 Duitse handleiding)

Je hebt nu gezien, dat de motor het snelste draait, als je de zonnemodule zo optimaal mogelijkuitricht en deze zo veel mogelijk energie opvangt. In de volgende proef zul je een dergelijk expe-riment uitvoeren. We zullen dan echter niet de motor gebruiken om de opgevangen energie vanonze zonnemodule te beoordelen, maar een digitale meter.

P3Meten van kortsluitstroom en nullastspanningIn dit experiment zul je nu een digitaal meetapparaat gebruiken, om precies te meten welke in-vloed de verschillende lichtbronnen uit de voorgaande proef op je zonnemodule hebben. Daarvoorzullen we twee nieuwe begrippen gebruiken, die vaak gebruikt worden in de photo- voltaïk: kort-sluitstroom en nullastspanning.Je hebt voor dit experiment de digitale multimeter, de zonnemodule en de auto nodig. Op de autobevinden zich de contactrails voor het samensteken van de schakeling. Als je nog niet met demultimeter hebt gewerkt, vind je een handleiding in dit boek. Daar kun je steeds weer nakijken,hoe je de multimeter moet gebruiken. Bovendien vind je daar veiligheidsaanwijzingen voor hetomgaan met de meter. Die moet je in ieder geval lezen, zodat je niet gewond raakt en lang plezierhebt van je multimeter!Voor we met de eigenlijke proef beginnen, moeten we eerst nog drie andere begrippen uitleggen:lading, stroom en spanning. Maar ook als je deze begrippen al kent, moet je dat stukje toch beslistlezen: misschien kun je er nog iets bijleren.

Lading, stroom, spanningEr wordt vaak gezegd: “er vloeit stroom”. Dit drukt uit dat zich – net als bij stromend water – ietsbeweegt. Blij het stromende water bewegen er kleine deeltjes, de watermoleculen. Ook bij stroombewegen zich kleine deeltjes; de elektronen. Deze elektronen zijn deeltjes, die een elektrischelading hebben. De eenheid van de lading is de Coulomb (uitspraak “Koelomb”), afgekort met deletter C. Dit symbool is genoemd naar de Franse natuurkundige en technisch officier Charles Au-gustin Coulomb (1736 – 1806).

19

De lading is bij alle elektronen even groot en negatief, elektronen zijn dus negatief geladen. Alseen elektron van de ene kant van een draad naar de andere kant stroomt, dan is door de draad delading van één elektron gevloeid. Als er meer elektronen door de draad vloeien, dan is er dus eengrotere lading doorheen gevloeid. Hoe meer ladingen er in een bepaalde tijd er door de draadvloeien, hoe groter is de stroom door de draad. Stroom is dus de lading, die per seconde door eendraad vloeit. De eenheid van stroom is Coulomb per seconde, oftewel 1 C/s. Dit noemen we 1Ampère, genoemd naar de Franse wis- en natuurkundige André-Marie Ampère (1775 – 1836) enafgekort met de letter A. De eenheid van stroom is dus 1 A, en 1 A = 1 C/s.De stroom vloeit in een draad maar niet gewoon zo maar, net als water niet zonder vloeit. Watervloeit meestal, als het “bergaf” gaat. Ook elektronen vloeien alleen maar, als het in een richtingvoor hun “bergaf” gaat. Een maat voor de “hoogte” die de elektronen zien, is daarbij de spanning.Hoe groter de spanning tussen twee punten is, des te sneller en des te meer elektronen vloeien ervan het ene punt naar het andere. De elektronen met hun negatieve lading vloeien daarbij vannegatief geladen punten weg naar positief geladen punten. De maat voor spanning is Volt (afge-kort V), die is genoemd naar de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta (1745 – 1827).

Afb. 19: Schema voor het meten van kortsluitstroom en nullastspanning. Omdat in dit geval de weerstand(vergelijk pag. 11 en 12) nul is, bestaat er geen verschil tussen stroom- en spanningsmeting.(zie pagina 20 Duitse handleiding)

Nu moet je de schakeling opbouwen, waarmee je jouw metingen kunt uitvoeren. In afb. 19 zie jehet schema, en in afb. 20 kun je zien hoe je de onderdelen met elkaar moet verbinden. De afbeel-dingen zien er bijna net zo uit als die bij proef 1. Alleen werden er in plaats van de motoraanslui-tingen de busaansluitingen in de stekkerstrips gestoken. In de bussen komen de aansluitingen vande meter. Valt je op dat de meter in de afbeelding er nog niet is ingestoken? Dat hebben we metopzet gedaan. Kun je je nog alles herinneren waar je op moet letten als je met de meter werkt? Jeziet in afb. 21 een tekening van de meter, waarop je kunt zien hoe je meter ingesteld moet zijn enwelke aansluitingen je moet gebruiken: de zwarte kabel in de COM- bus, de rode in de 10 A- busen de draairegelaar ingesteld op 10 A.

In de tekening is voor de herkenning de zonnemodule losgekoppeld

Afb. 20: Opbouw voor het meten van kortsluitstroom en nullastspanning(zie pagina 21 Duitse handleiding)

Afb. 21: Instelling van de multimeter voor stroommeting(zie pagina 21 Duitse handleiding)

Stel eerst alles juist in, voor je de meetpunten in de bus van het autochassis steekt, zoals je kuntzien in afb. 22! Dit geldt altijd, als je de instellingen op de meter verandert: eerst meetpunten eruithalen, dan instellen, en pas daarna de meetpunten er opnieuw instoppen. Ook als we het nietelke keer opnieuw zeggen!Als je alles goed gedaan hebt, geeft de meter nu een meetwaarde aan. Deze meetwaarde is eenstroom, want je hebt de meter zo ingesteld, dat hij als stroommeter werkt. De stroom die je meetals er in het stroomcircuit van de zonnemodule geen verbruiker (weerstand) is ingebouwd, noemtmen de kortsluitstroom. Deze wordt zo genoemd, omdat de polen van de zonnecellen “kortgeslo-ten zijn”, d.w.z. ze zijn direct meet elkaar verbonden, zonder dat er een verbruiker tussengescha-keld is (je meter tellen we deze keer niet mee). Omdat in dit geval de stroom geen weerstandvoelt, vloeien de ladingen zo snel, dat de spanning tussen de beide polen van de zonnemodulevolledig “in elkaar klapt” (alle elektronen vloeien zo snel mogelijk naar de andere kant), d.w.z. despanning is gelijk aan nul. In het 220V- stroomnet bij jou thuis is kortsluiting een onaangenamezaak: omdat daar een veel grotere stroom praktisch onbegrensd zou kunnen vloeien, moeten de

20

leidingen door een zekering beschermd zijn, die er een te hoge stroom de leiding onderbreekt.Dan wordt het donker bij jou thuis. Dat gebeurt bijvoorbeeld, als je ouders bij het boren niet op-passen en een stroomleiding beschadigen: de punt van de boormachine sluit de beide draden vande stroomleiding kort, en de zekering springt er uit. Bij onze zonnemodule is het niet erg om hem“kortgesloten” te gebruiken, omdat de module maar een beperkte maximale stroom kan leveren:de kortsluitstroom dus.

Afb. 22: Inschuiven van de meetpunten in de bussen op de auto(zie pagina 21 Duitse handleiding)

Schakel andere stroombronnen dan jouw zonnemodule nooit kort!De daarbij vloeiende stromen zouden ernstige schade kunnen aanrichten!

Meet nu de kortsluitstroom van de zonnemodule bij belichting met verschillende lichtbronnen, dieje al in het vorige experiment hebt gebruikt en noteer de waarden in de tabel in afb. 23. Als dekortsluitstroom kleiner is dan 0,2 A, kun je ook het meetbereik tot 200 mA gebruiken, om preciezerte meten. Daartoe moet je de rode meetpunt aansluiten op de VΩA- bus en de draaischakelaaréén klik tegen de wijzers van de klok in op 200 mA zetten (eerst de meetpunten er uithalen!).Wat verwacht je, hoe de kortsluitstroom verandert? Zoals je vast wel verwacht had, levert de zon-nemodule een des te hogere stroom naarmate de lichtbron “helderder” is, hoe dichter de modulezich bij de lichtbron bevindt en hoe groter het naar de lichtbron toegekeerde oppervlak is.

Lichtbron Kortsluitstroom Nullastspanning(mA) (V)

Zon,bewolkt

Zon,wolkenloos

Bureaulamp

Afb. 23: meetwaarden voor verschillende lichtbronnen

Afstand Kortsluitstroom Nullastspanning(cm) mA (V)

5

10

15

20

25

30

35

Afb. 24: meetwaarden voor verschillende afstanden

Afb. 25: instelling van de multimeter voor spanningsmeting(zie pagina 22 Duitse handleiding)

21

We willen nog eens preciezer kijken naar de afhankelijkheid van de afstand. Meet daarvoor dekortsluitstroom afhankelijk van de afstand van de zonnemodule tot de bureaulamp. Je hoeft deafstand daarvoor helemaal niet heel precies te meten, als je die ongeveer kent (op ongeveer 2 cmnauwkeurig). Daarbij moet je er op letten, dat je de zonnemodule zo houdt, dat het naar de licht-bron toegekeerde oppervlak maximaal, dus niet gekanteld is. Kantel daarom de zonnemodule bijelke afstand een beetje, om de positie te vinden waarin je de maximale kortsluitstroom meet!Noteer de gemeten kortsluitstromen bij verschillende afstanden in de tabel in afb. 24. Meet ook heteffect van de “gedeeltelijke afschaduwing” van je module. Je kunt zien, dat de stroom daadwerke-lijk sterk minder wordt, als je een enkele zonnecel afschaduwt. Als je met een stuk karton ver-schillende cellen tegelijk afschaduwt, kun je ook zien, dat de werking een beetje verschillend is.Dat komt, doordat niet alle lichtcellen even “goed” zijn, d.w.z. ze leveren een beetje verschillendespanningen en stromen.Als volgende willen we de nullastspanning van de zonnemodule meten. Dit is de spanning tussende beide polen van de zonnemodule, als er geen ladingen kunnen vloeien, omdat de polen nietmet elkaar verbonden zijn. Daartoe moet je de schakeling zo ombouwen, dat er een spanninggemeten wordt. Bij onze schakeling is dat heel eenvoudig, want we hebben alleen de zonnemo-dule en de multimeter. De schakeling daarvan kunnen we niet veranderen. Dus moet je de meterzo inrichten, dat je nu een spanning kunt meten. Daartoe moet je, zoals je in afb. 25 ziet, de rodekabel aansluiten op de middelste bus op de meter en de meter omschakelen naar spanningsme-ting (bereik 20 V, voor het geval de spanning kleiner is dan 2 V kun je ook het bereik tot 2 V ge-bruiken).Meet nu de nullastspanning van je zonnemodule, als je die met verschillende lichtbronnen belichten noteer de meetwaarden in tabel 23. Bovendien kun je ook een keer de spanning meten, als jeeen van de zonnecellen gedeeltelijk of geheel afdekt. Meet ook de nullastspanning afhankelijk vande afstand van de zonnemodule tot je bureaulamp en noteer de waarden in tabel 24. Daarbij moetje op nog iets letten: vlak bij de bureaulamp (ongeveer een afstand van minder dan 15 cm) is hetzeer heet. Als je de zonnemodule te lang vlak bij de lamp houdt, zul je zien dat de nullastspanningeen beetje lager wordt. Dit effect hangt samen met de natuurkundige eigenschappen van het half-geleidermateriaal, waarvan de zonnecellen in je module zijn gemaakt. Doe de metingen daaromeen beetje snel, en geef de zonnecellen een beetje tijd om af te koelen. Maar wees niet bang: dezonnecellen gaan van deze temperaturen niet kapot! De kunstharslaag die er overheen zit kaneerder beschadigen!Noteer nu de meetwaarden voor de afstandsafhankelijkheid in tabel 26. In afb. 26a hebben we detheoretische curve en onze eigen meetwaarden. Had je verwacht dat de afhankelijkheid van nul-lastspanning en stroom ten opzichte van de afstand zo sterk zou verschillen?We willen proberen dit uit te leggen. Je hebt in het stukje tekst over lading, spanning en stroomeen stukje terug gelezen, dat de spanning een maat is voor het “hoogteverschil” voor de elektro-nen tussen twee punten. Dit hoogteverschil is hoofdzakelijk afhankelijk van het materiaal van dezonnecellen. We kunnen dit echter alleen maar bewijzen als de zonnecel belicht wordt. Daarvoorzouden in geval van nood (met de juiste meter) al een paar elektronen genoeg zijn, d.w.z. de zon-nemodule hoeft niet zo sterk verlicht te worden. Dus is de spanning slechts zeer zwak afhankelijkvan de helderheid. De stroom daarentegen is het aantal vloeiende ladingen per seconde: als weeen hogere stroom meten, betekent dit dat er meer elektronen vloeien. Blijkbaar is het aantalelektronen dat we in de halgeleider produceren, afhankelijk van de helderheid! Dit zal duidelijkworden, als we ons verderop in dit boek bezighouden met de manier van functioneren van dezonnecellen.En ook het effect van de afschaduwing op de spanning willen we even kort uitleggen (de invloedop de stroom hebben we al uitgelegd). De spanning buiten op de complete zonnemodule wordt bijeen gedeeltelijke afschaduwing ook een beetje lager. Als we buiten op de module meten, valt ernamelijk al een gedeelte van de spanning binnenin de module op de niet belichte zonnecellen af,

22

die met onze belichte zonnecellen in serie geschakeld zijn. Hoeveel spanning er afvalt, hangt ervooral vanaf, hoeveel zonnecellen er onbelicht zijn. Wordt er daarentegen één aparte zonnecelgedeeltelijk afgeschaduwd, dan zal de spanning nauwelijks veranderen.

Afb. 26A: Onze meetcurve. Let er beslist op, dat de afbeelding twee verticale assen bezit. De rode curve isde kortsluitstroom, de waarden staan op de linker as. De groene curve is de nullastspanning, de waardenhiervoor staan op de rechter as.(zie pagina 23 Duitse handleiding)

Afb. 26B: Hier is plaats voor jouw meetcurve(zie pagina 23 Duitse handleiding)

P4Kalibreren van een stralingsmeterJe hebt in de vorige proeven gezien, dat de stroom en de spanning van je zonnemodule afhanke-lijk zijn van de belichting. De zonnemodule reageert dus op verschillende helderheid, door ver-schillende stromen en spanningen te leveren. In deze proef laten we je zien, hoe je dit feit kuntbenutten, om je zonnemodule met de multimeter als meetapparaat te gebruiken voor het metenvan de helderheid. Dat betekent, dat we met behulp van bekende lichtbronnen een schaalverde-ling maken, waarmee we de meetwaarden van de meter kunnen “terugvertalen” in “helderheid”.Eerst moeten we eens overleggen, welke van de beide meetgrootheden we willen gebruiken: kort-sluitstroom of nullastspanning. Je kent het antwoord vast al wel: de kortsluitstroom, omdat die dui-delijker verandert als de helderheid verandert. Dus kunnen we ook in de andere richting denken:als de kortsluitstroom duidelijk verandert, moet ook de helderheid veranderd zijn. Als je voor devolgende meting de nullastspanning zou gebruiken, dan zou het volgende gebeuren: de helder-heid verandert, maar je merkt het nauwelijks, omdat de nullastspanning nauwelijks veranderd is.En dat zou natuurlijk slecht zijn voor de meting!Als volgende moeten we bedenken, waar we de “bekende helderheid” vandaan halen, die we no-dig hebben. We gebruiken daarvoor heet zonlicht op een onbewolkte (zomer-)dag en de instralingvan een 60 W lamp die beslist wel ergens in huis is te vinden. Dit zijn namelijk instralingen, dievaak door veel mensen zijn gemeten en waarvan de desbetreffende helderheid bekend is.Vervolgens moet je in de zon naar buiten gaan. Houd de module naar de zon en kantel hem weerzo, dat de kortsluitstroom maximaal is. In dit geval is de op de module vallende straling ongeveer1000 W/m2 in de zomer resp. ongeveer 800 W/m2 in de winter, als er geen wolk aan de hemel isdie de zon verdekt. Dit is niet helemaal exact, maar voor onze doeleinden voldoende. Lees nu dekortsluitstroom af op het display van de digitale multimeter en schrijf de waarde op.We hebben nu een bekend punt gevonden. Als je precies deze kortsluitstroom meet, dan weet jevan nu af aan dat de instraling ongeveer 1000 (800) m2 bedraagt. Als je bij een andere lichtbroneen andere kortsluitstroom meet, dan weet je vanaf nu, dat die lichtbron helderder of donkerder isdan de zon. Dat is natuurlijk voor ons nog niet voldoende. We hebben nog een tweede punt nodig.Dit tweede punt krijgen we met een gloeilamp van 60 W (geen zaklantaarn, geen halogeenlamp,maar een simpele gloeilamp). Op 10 cm afstand tot de gloeilamp bedraagt de instraling ca. 300m2. Houd dus de zonnemodule op ca. 10 cm afstand van zo’n lamp, kantel hem zo dat de kort-sluitstroom weer maximaal is (let op de juiste afstand!). Lees ook deze waarde voor de kortsluit-stroom af en noteer hem. Je kunt dit meetpunt echter alleen maar gebruiken, als je een lamp hebt,die op een afstand van 10 cm het totale oppervlak van de module belicht! Anders zou je vanwegede gedeeltelijke afschaduwing een enorm grote fout maken! We hebben nog een derde punt, zelfszonder een meting te doen: als er geen licht op de module valt, is de kortsluitstroom gelijk aan nul.Ook deze waarde kunnen we vanzelfsprekend gebruiken.

23

Afb. 27: Een stralingsmeter. Bij belichting met zonlicht ken je nu de belichtingssterkte. Maar je bent nog nietklaar met de kalibrering, want bij kunstlicht weet je stralingsmeter het niet meer!(zie pagina 24 Duitse handleiding)

Je hebt nu drie meetwaarden voor de drie helderheden: 0 W/m2 , 300 W/m2 en 1000 W/m2. Teken,zoals in afb. 28a te zien is, jouw drie meetwaarden in afb. 28b. Markeer de drie punten elk meteen kruisje, neem een liniaal en verbind alle drie punten, waarbij je rechts een beetje verder gaatboven de laatste waarde. De waarde van 0 W/m2 moet precies op de rechte lijn liggen, de beideandere punten zo dicht mogelijk er tegenaan (afb. 28a). Deze rechte lijn is jouw kalibreerrechte.Als je nu een kortsluitstroom meet, kun je uit de kalibreercurve aflezen, hoe groot de intensiteitvan de lichtbron is: zoek de meetstroomwaarde op de horizontale as, ga vanaf deze positie rechtnaar boven tot je de rechte lijn bereikt, en vandaar ga je horizontaal naar links, tot je de verticaleas bereikt. De waarde die je daar op de schaalverdeling aantreft, is de helderheid van jouw licht-bron.Natuurlijk kun je dit ook berekenen. Dan heb je in plaats van de kalibreercurve een rekenmachinenodig, om de helderheid te bepalen. Daartoe moet je als volgt handelen (de groottes zijn in afb.28a ingetekend): zoek twee (willekeurige) punten uit op de rechte lijn (b.v. waar de rechte lijn pre-cies door een roosterpunt gaat) en bepaal de afstand tussen de beide meetpunten in verticale enhorizontale richting (dy en dx). Deel dy door dx. Deze waarde noemen we de stijging van derechte:

Hiermee kun je nu alles berekenen: de helderheid van een lichtbron is namelijk exact

helderheid = gemeten stroom . stijging van de rechte = gemeten stroom . 1,87 W/mAm2

Dit is de vergelijking die de kalibreerrechte beschrijft, die in oranje in onze grafiek ingetekend is.Als we nu een stroom van 330 mA meten, dan weten we daarna, dat de helderheid ongeveer 617W/m2

bedraagt:

Helderheid = 330 mA . 1,87 W/mAm2

= 617 W/m2

Voor nu jouw eigen waarden in:

Stijging = ……….. W/m2 / ………. MA = ……….. W/mAm2

Om uit de kortsluitstroom de helderheid te bepalen, hoef je dus alleen de stroom te vermenigvul-digen met de stijging van de rechte. Je hoeft de berekening op deze plaats nog niet begrepen tehebben, want gelukkig zit je hier niet op school .…en experimenten die je in je vrije tijd doet, zou-den in ieder geval leuk moeten zijn!

Afb. 28a: onze kalibreercurve. De punten zijn drie gemeten bekende belichtingen, de oranje lijn is de kali-breerrechte(zie pagina 25 Duitse handleiding)

Afb. 28b: hier is plaats voor jouw kalibreercurve(zie pagina 25 Duitse handleiding)

24

P5Directe en diffuse stralingIn je kamer is het ook licht, als de zon niet direct naar binnen schijnt. Buiten is het bij een bewolktehemel of als de zon net ondergaat ook niet direct donker, en ook in de schaduw kun je een boeklezen. Dat dit zo is, komt omdat er naast de straling die direct door de zon uitgezonden wordt, ookindirecte straling bestaat. Als je naar de lucht omhoogkijkt, zul je vaststellen dat de lucht ook helder is daar waar de zon nietis. Dat komt, omdat in de atmosfeer, dus de gaslagen rondom de aarde, de straling van de zonverstrooid wordt. Deze verstrooide straling zorgt ervoor, dat de gehele lucht helder is. Dit wordtdiffuse straling genoemd. Het bijzondere verstrooiingsmechanisme in de atmosfeer heet overigens“Rayleigh – verstrooiing” en deze is er ook voor verantwoordelijk dat de lucht er blauw uitziet.

Afb. 29: zonnestralen bestaan uit een direct en een diffuus gedeelte(zie pagina 26 Duitse handleiding)

Als je overdag naar buiten gaat, zul je meestal de beide stralingssoorten (directe straling en diffu-se straling) kunnen zien. Dat wordt dan aangeduid als globale straling.De diffuse en de directe straling willen we in dit experiment onderzoeken met de stralingsmeter,die je in het vorige experiment gekalibreerd hebt. Daartoe moeten we een manier vinden om al-leen één van beide stralingssoorten te meten, dus steeds de andere straling “uit te filteren”.Laten we eerst beginnen met het meten van de diffuse straling. Je kunt de directe straling heelsimpel uitfilteren door de zonnemodule een beetje af te schaduwen. Houd daarbij de zonnemodulezo naar boven, dat het een zo groot mogelijk gedeelte van de lucht ziet. Hou nu je hand of een velpapier zo, dat de schaduw op de zonnemodule valt. Let er op, dat je het “afschaduw- apparaat” zover mogelijk van de zonnemodule verwijderd houdt, zodat je zo mogelijk geen diffuse straling af-schermt (afb. 30). Als je nu je hand resp. het blad weer verwijdert, zodat opnieuw ook de directestraling op de module valt, zal de gemeten stroom weer groter worden, want nu meet je weer detotale (globale) straling.

Afb. 30: afscherming van de directe straling(zie pagina 26 Duitse handleiding)

Nu moeten we een manier vinden om de diffuse straling uit te filteren. Neem daarvoor een grootblad papier (b.v. een stuk van een krant) en rol het op, zodat er een buis ontstaat. De diametervan de buis moet groot genoeg zijn om je module tegen diffuse straling te beschermen. Fixeer debuis b.v. met wat plakband. Houd de buis nu zo, dat het zonlicht nu in de lengterichting door debuis kan schijnen. Neem nu de zonnemodule en houd hem zo dicht mogelijk onder de buis (af-beelding 31). Nu meet je de directe straling.Je kunt zien, dat de samenstelling van de globale straling uit diffuse en directe straling verandert.Op een verregende herfstdag zul je bijna geen directe straling kunnen meten. Op een ideale zon-nige dag zonder wolken daarentegen bedraagt het aandeel van de directe straling in de globalestraling ongeveer 80%. Maar na zonsondergang gaat het aandeel van de directe straling weerheel snel naar nul.Normaal gesproken is men er niet in geïnteresseerd één van de beide soorten straling er uit tefilteren. In plaats daarvan zou men het liefst zoveel mogelijk directe straling op de zonnecellenlaten vallen, omdat die dan meer stroom produceren. Maar er zijn ook een paar uitzonderingen.Als bijvoorbeeld op een bepaalde plek het grootste deel van het jaar één van beide stralingssoor-ten overheerst, kan het interessant zijn het benutten van deze ene straling te vergroten, ook alsdat er toe leidt dat de andere straling minder benut wordt.

25

Voor we met het volgende experiment beginnen, willen we nog een andere meting uitvoeren.Houd daartoe de zonnemodule loodrecht naar beneden naar de grond. Verrast het je, dat je nuook wat meet? De instraling “van onderen”, die nu de stroom produceert, is de straling die door degrond gereflecteerd wordt. Deze straling is afhankelijk van de eigenschappen van het oppervlakwaar je je op dit moment bevindt. Men noemt deze eigenschap “Albedo”. Het witte zand op hetstrand heeft een hogere Albedo dan een groen weiland of zwart asfalt. En (als het net winter is)zul je vaststellen, dat sneeuw een zeer hoge Albedo bezit: dit is de reden waarom skiërs op zon-nige winterdagen sneeuwbrillen (d.w.z. zeer sterk getinte zonnebrillen) dragen. In principe zou jeook deze straling kunnen gebruiken om stroom op te wekken. Deze straling komt echter uit eenandere richting dan de globale straling en is duidelijk zwakker. Er zijn echter ook zonnecellen, dieaan beide kanten lichtgevoelig zijn. Men noemt deze zonnecellen bifaciale (tweezijdige) zonne-cellen. Ze kunnen op korte afstand van bijvoorbeeld witte muren gemonteerd worden en biedeneen wat hogere stroomopbrengst dan zonnecellen, die maar aan één kant lichtgevoelig zijn.

Afb. 31: afscherming van de diffuse straling. Hoe dichter je de zonnemodule naar de opening van de buisbrengt, des te beter wordt de diffuse straling afgeschermd.(zie pagina 27 Duitse handleiding)

Afb. 32:Meten van de Albedo- straling, die Door de ondergrond gereflecteerd wordt.(zie pagina 27 Duitse handleiding)

P6Dagelijkse gang van de zonnestraling De zon gaat ’s morgens op in het Oosten (dat de zon niet echt opgaat, maar dat de aarde zichnaar het Oosten onder de zon wegdraait, weet je al). Overdag draait de zon in zuidelijke richtingen stijgt daarbij steeds hoger. ’s Middags om 12 uur staat de zon precies in het zuiden en heefthaar hoogste punt bereikt. Daarna gaat het verder in westelijke richting en naar beneden naar dehorizon, waar de zon dan ’s avonds ondergaat. In de loop van de dag wisselt de zon dus haar po-sitie, en als gevolg daarvan verandert ook de instraling van de zon: ’s morgens bij zonsopgangheeft de zon niet “dezelfde kracht” als ’s middags, en ’s avonds is de straling weer zwakker. Hetingestraalde energievermogen is er dus van afhankelijk, hoe de zon op dat moment staat. Je moetdaarbij op één ding letten: Als de volgende meting bij jou wordt uitgevoerd of 1200 km verder naarhet Oosten of naar het Westen, dan wordt daar een soortgelijke curve gemeten, echter op eenander tijdstip. De instraling van de zon verandert dus niet, maar alleen het op een bepaald opper-vlak ingestraalde vermogen, omdat dit oppervlak de uitrichting naar de zon in de loop van de dagverandert.Dit kunnen we met de stralingsmeter, die je in experiment 4 gekalibreerd hebt, begrijpen. Je kuntdit experiment het beste uitvoeren in een weekend of in de vakantie: het is het langste experimentin dit boek. Je moet namelijk minimaal één keer per uur een meetwaarde registreren, en dat eenhele dag lang! Bovendien is het belangrijk, dat je deze meting in de openlucht uitvoert.

Datum: weer:

Loodrechte inval (bijgestuurd) zuidelijke verticaal

TijdGlobaal direct diffuus globaal direct diffuus

(zie tabel op pagina 28 Duitse handleiding)

26

Je kunt het beste de tabel gebruiken, om jouw meetwaarden op te schrijven. Als je naar de tabelkijkt, dan weet je ook meteen, wat je moet doen: elk uur moet je de module in de zon houden enzo uitrichten, dat je een maximale stroom meet (afbeelding 33). Deze stroommeetwaarde moet jesamen met de tijd in de tabel noteren. Naast de stroomwaarde noteer je de helderheid. Hoe je dieuit de stroom berekent, weet je uit experiment 4. De helderheid en de stroommeetwaarden noteerje in een roostergrafiek. In dit geval heb je de globale zonnestraling bij loodrecht invallen op dezonnemodule gemeten. Als je het leuk vindt, kun je deze globale zonnestraling ook omgerekendnaar directe en diffuse straling meten (zoals dat in het laatste experiment beschreven werd) eneveneens opschrijven en in een grafiek tekenen.Bij deze metingen heb je de zonnecellen steeds zo uitgericht, dat ze, ongeacht het moment vande dag, een maximale kortsluitstroom leveren. Dat noemen zoiets als “Bijsturen van de zonnemo-dule”. In het algemeen is het nogal omslachtig, als je zonnemodules naar de zon toe zou willenbijsturen. Als je ouders een zonnemodule op het dak willen monteren, kunnen ze ook niet de heledag het hele huis draaien alleen om de zonnecellen meer stroom te laten produceren! En eenconstructie met motor, die op het dak gebouwd is en alleen de zonnemodule laat draaien, is ookniet erg makkelijk om te bouwen.

Afb. 33: Bijstellen van de zonnemodule. Op elk moment is het oppervlak van de zonnemodule verticaal uit-gericht ten opzichte van het licht (vergelijk afb. 14).(zie pagina 29 Duitse handleiding)

Afb. 34: Instraling op de zuidverticaal. Vergelijk de afbeeldingen ook met afbeelding 14.(zie pagina 30 Duitse handleiding)

Je kunt ook de instraling van de zon op de zogenaamde zuidverticaal meten. Deze krijg je, als jede zonnemodule verticaal opstelt en naar het zuiden uitricht. Hoe je dat heel simpel kunt doen, zieje in afb. 34. Eventueel moet je een gummetje onder de zonemodule leggen, zodat de moduleprecies verticaal staat. Het zuiden kun je vinden door een kompas te gebruiken of een keer om 12uur (zomertijd 13 uur) naar buiten te kijken en precies te onthouden waar de zon staat. Je kunt depositie van de auto het beste markeren, door met tape een markering op de vloer te maken. Daar-na kun je na iedere meting van de straling bij loodrecht invallen je auto op dezelfde plaats zettenen de globale straling op de zuidverticaal meten – of als je wilt, ook hier omgerekend naar directeof diffuse straling.Je kunt dus elk uur zes metingen uitvoeren: globale, diffuse en directe straling bij loodrechte inval(door je zonnemodule zo uit te richten dat je een maximale kortsluitstroom meet) en bij inval op dezuidverticaal. En als je er dan nog niet genoeg van hebt, kun je de metingen in verschillende jaar-getijden en bij verschillende weersomstandigheden (volledig bewolkt, gedeeltelijk bewolkt of hel-dere hemel) uitvoeren. Dat is precies, wat er in vele meetstations op aarde elke dag gedaan wordten de zo verkregen meetwaarden dienen onder andere voor de weersvoorspelling en voor onder-zoek van het klimaat.

Afb. 35: Instraling van de zon in verschillende jaargetijden en bij verschillend weer, alsmede de daaruit be-rekende ingestraalde intensiteit. Let op de verschillende schaalverdelingen van de verticale as! Bij een be-wolkte hemel kun je zien, dat de globale straling gelijk is aan de diffuse straling, dus dat er geen directestraling aankomt (afbeeldingen rechts). De maximale instraling op de zuidverticaal is in de winter hoger danin de zomer, de instraling op het horizontale vlak minder.(zie pagina 30 Duitse handleiding)

Afb. 36: Instraling op het horizontale vlak(zie pagina 31 Duitse handleiding)

27

In afbeelding 35 zie je de dagelijkse gang van de zonnestraling op verschillende dagen. De meet-waarden komen van het weerstation van het Instituut voor zonne-energie onderzoek Hameln/Emmerthal. Daar werd eveneens de instraling op de zuidverticaal gemeten, en bovendien de in-straling op een horizontaal vlak. Ook dit kun je overigens zelf meten door de module voor elkemeting horizontaal op te stellen (afb. 36). Het beste kun je de auto ook hier weer met markeringenuitrichten, zodat de auto steeds precies naar het Zuiden wijst.Nu willen we eens uit een van de door jou getekende meetcurves berekenen, hoeveel energie erin totaal over de hele dag ingestraald is. Daartoe zullen we je de basisbegrippen van het integre-ren bijbrengen. Je zult zien, dat dit helemaal niet zo moeilijk is. Alles wat je nodig hebt, is een line-aal (of beter nog een geodriehoek) en een potlood en eventueel een rekenmachine.In afb. 37 zie je wat je precies moet doen. Teken steeds rechthoeken zo in de grafiek, dat de bo-venste horizontale lijn steeds door het meetpunt gaat en de rechthoeken aan beide kanten preciesin het midden tussen twee van jouw meetwaarden eindigen. Nu moet je het oppervlak van elkerechthoek berekenen. Daartoe verfmenigvuldig je voor elk meetpunt de gemeten instraling (dus jemeetwaarde) met het tijdinterval (meestal een uur, dus 3600 seconden). Bij de volgende stapmoet je nu de vlakken van al deze rechthoeken bij elkaar optellen. Het resultaat van deze bereke-ning is het oppervlak onder de door jou gemeten curve. Omdat je bij elke rechthoek de ingestraal-de capaciteit (eenheid W/m2) met de tijd (eenheid s) hebt vermenigvuldigd, is de uitkomst een ge-tal met de eenheid Ws/m2, en zoals je op pagina 17 kunt nalezen, is dit een energie per oppervlak.Het is in jouw geval de totale op een dag ingestraalde energie. Je ziet vast wel, dat je het opper-vlak onder de curve preciezer kunt bepalen, als je de breedte van de rechthoeken zo klein moge-lijk maakt, dus zo veel mogelijk meetpunten opneemt. Voor onze doeleinden is echter onze metingop elk uur ruimschoots voldoende. Voorzichtig echter hier: het gaat bij de berekende energie nietom de door jou geproduceerde energie, maar om de ingestraalde energie. Alleen wanneer je eenzonnemodule met een oppervlak van 1 m2 zou hebben en de energie volledig om zou kunnenvormen, zou je deze energie gewonnen hebben!Je kunt overigens uit de metingen exact bepalen, hoeveel energie je meer wint, als je een zonne-module op de zon uitricht, in plaats van de module in de zuidrichting verticaal gemonteerd te laten.Daartoe trek je de geproduceerde energie voor de bijgestuurde en de vast gemonteerde metingvan elkaar af! In de praktijk, is de gewonnen energie normaalgesproken iets minder, omdat mende module niet verticaal, maar bijvoorbeeld met de dakhelling op een dak monteert. Dit is met be-trekking tot de lichtinval gunstiger, omdat de zon op onze breedtes nooit horizontaal in het zuidenstaat, en we met de verticale montage dus nooit de maximale opbrengst bij loodrechte inval zou-den bereiken. Voor de solaire gebouwentechniek heeft de meting van de instraling op de zoge-naamde zuidverticaal echter een grote betekenis. Als je er eens aan denkt, dat de muren van jehuis, die het grootste gedeelte van het huis uitmaken (afgezien van ramen en deuren) allemaalverticaal zijn: kun je bedenken, waarom?

Afb. 37: het principe van integreren. De grijze vlakken tel je op. In het “vakje van 9 uur” kun je het verschilzien tussen dat wat je berekent (grijs) en het daadwerkelijke oppervlak (blauw)(zie pagina 31 Duitse handleiding)

HOE FUNCTIONEERT EEN ZONNECEL?

Voor je je nu afvraagt waarom we hier voor de eerste keer het woord zonnecel in plaats van zon-nemodule gebruiken, willen we deze beide begrippen precies onderscheiden. Een zonnecel is dekleinste eenheid die we bij het produceren van stroom uit licht tegenkomen. Een dergelijke zonne-cel heeft een achterkant (meestal de pluspool) en een voorkant (de minpool, meestal met kleinemetalen strips, de “contactvingers”). De huidige industrieel gemaakte zonnecellen hebben meestaleen oppervlak van 10 x 10 cm2

. Je kunt een dergelijke zonnecel vinden op pag. 71 verderop in ditboek. Alleen maar dergelijke zonnecellen op een dak van een huis leggen zou zeer lang duren.

28

Dus combineert men vele zonnecellen tot één zonnemodule. De technische gegevens (spanning,stroom, capaciteit, oppervlak enz.) van de zonnemodule hangen daarbij af van de soort en hetaantal zonnecellen, en ook van hoe ze in een zonnemodule gecombineerd zijn. Bovendien wordenin de zonnemodule de zonnecellen meestal door glas beschermd tegen weersinvloeden.Nadat we nu al zoveel experimenten met de zonnecel uitgevoerd hebben, willen we er nu eindelijkeen keer op in gaan, hoe een zonnecel functioneert. Daarbij beginnen we helemaal bij het begin:bij het materiaal, waaruit jouw zonnecellen zijn opgebouwd.

Atomen, atoomkernen, elektronen, kristallen en vaste lichamenDoor de kennis van de natuurwetenschappers uit de afgelopen decennia en eeuwen weet menintussen zeker, dat alle stoffen uit kleine deeltjes bestaan, de atomen. Lange tijd bestonden erverschillende opvattingen over de opbouw van deze atomen. Aan het begin van de vorige eeuwwerd door de Deense natuurkundige Niels Bohr een model opgesteld, dat ook tegenwoordig nogvoor de verklaring van vele effecten gebruikt wordt, hoewel er intussen veel exactere – en daar-door ook meer gecompliceerde – modellen bestaan. In het model van Niels Bohr - het atoommo-del van Bohr – bestaat een atoom uit een positieve lading, die in het midden van het atoom eenheel klein plekje inneemt.

Afb. 38: het atoommodel van Bohr(zie pagina 32 Duitse handleiding)

De diameter van deze atoomkern bedraagt ongeveer 0,000.000.000.000.001 m (dat is een mil-joenste miljoenste mm!). Rondom deze kern bevinden zich de elektronen, die in vastgelegde om-loopbanen om de kern “cirkelen” – net als planeten om de zon cirkelen. Deze omloopbanen heb-ben een doorsnede van 0,000.000.000.1 m, d.w.z. ze zijn 10.000 keer zo groot als de atoomkern,en toch maar 10 miljoenste millimeter groot (afb. 38 klopt dus niet echt). Het aantal elektronen ineen atoom is even groot als het aantal van de positieve ladingen in de kern. Waterstofatomenhebben bijvoorbeeld één positieve lading in de kern en één elektron, zuurstofatomen hebben 8positieve ladingen in de kern en 8 elektronen. Het atoommodel van Bohr kan vele eigenschappenvan de atomen verklaren, maar heeft ook – vooral in de moderne (quanten)- natuurkunde – zijngrenzen gevonden. Het is nu eenmaal maar een eenvoudig model.Als atomen zich met elkaar verbinden, ontstaan daaruit verschillende stoffen met verschillendeeigenschappen: twee waterstofatomen met een zuurstofatoom verbinden zich tot water, dat je invaste toestand als ijs kent. Daarbij ordenen de watermoleculen zich bij het bevriezen van hetvloeibare water tot een regelmatige kristalstructuur. Natriumatomen met chlooratomen geven eennatriumchloride- kristal, dat je beter in fijngemalen toestand kent als tafelzout. Siliciumatomenkunnen zich echter ook met elkaar verbinden. Ze vormen dan eveneens een vaste stof met eenbepaalde rangschikking van de siliciumatomen in het kristal. Op grond van deze regelmatigerangschikking kunnen in een paar van deze kristallen de elektronen, die eerst vast met een atoomwaren verbonden, zich vrij bewegen. Over deze elektrische eigenschappen willen we als volgendespreken.

Metaal, isolator, halfgeleiderIn de wetenschap verdeelt men vaste stoffen volgens hun elektrische eigenschappen in drie ver-schillende groepen: metalen (of ook wel elektrische geleiders) en isolatoren alsmede de tussendeze beide groepen liggende halfgeleiders. Metalen geleiden ook bij heel lage temperaturen elek-trische stroom. Isolatoren geleiden nooit elektrische stroom, noch bij heel lage temperaturen nochbij grote hitte. De halfgeleider ligt daartussenin: bij grote koude gedraagt hij zich als een isolator,bij warmte of bij verlichting is hij in staat om te geleiden.Waaraan ligt nu het verschillende elektrische gedrag van de stoffen? Om stroom te kunnen gelei-den moeten er bewegende elektronen aanwezig zijn. Als een vaste stof grote aantallen van zulke

29

beweeglijke elektronen bevat, geleidt deze stof de stroom. Als er geen bewegende elektronenaanwezig zijn, isoleert de stof. In de natuurkunde beschrijft men dit met een twee verdiepingen-model, het zogenaamde “bandenmodel”. Daarbij neemt men aan, dar voor de elektronen binnen inde vaste stof meerdere verdiepingen (“banden”) ter beschikking staan, waarin ze zich op kunnenhouden (zoals auto’s in een parkeergarage).

Afb. 39: Twee-verdiepingen- model voor metaal (boven), halfgeleiders (midden) en isolatoren (niet-geleiders) onder(zie pagina 33 Duitse handleiding)

De onderste verdiepingen zijn volledig bezet. Ergens verder naar boven beginnen er dan legeplaatsen vrij te komen, want iedereen wil zijn auto graag zo dicht mogelijk bij de ingang parkeren.Afhankelijk van op welke verdieping de laatste elektronen zich bevinden, of er op die verdiepingvrije plaatsen zijn en hoe ver die verdiepingen uit elkaar liggen, geleidt de stof, is hij isolator ofhalfgeleider.Men noemt de bovenste, volledig bezette etage de valentieband en de onderste, niet volledig be-zette etage de geleidingsband, omdat in deze band de elektronen zich vrij kunnen bewegen en destroom kan worden getransporteerd.Dit kunnen we met de auto’s in de parkeergarage wat beter bekijken. Ons autobeeld ziet er in eer-ste instantie uit zoals afgebeeld in afbeelding 39.Bij metaal (geleider) staan vele auto’s in de onderste verdieping, waar geen plaatsen vrij zijn,maar er bevinden zich ook enkele (vele) auto’s in de etage erboven, waar veel vrije plaatsen zijnom zich te bewegen. Bij de halfgeleider staan ook auto’s in de onderste verdieping in de file, erbevinden zich echter geen auto’s in de vrije banen in de verdieping erboven. Opdat auto’s kunnenrijden, moeten deze door een hefmechanisme (een soort lift) naar de erboven gelegen etage getildworden, opdat ze daar kunnen rijden (afb. 40). Gelijktijdig kunnen in de file op de onderste etagealle auto’s achter de opening een plaats naar voren schuiven. De auto die op de vrije rijstrook kanrijden, komt overeen met een beweeglijk elektron in de halfgeleider. Ook de opening die in de fileis ontstaan, kan zich door het opschuiven van de andere auto’s schijnbaar verplaatsen. We noe-men deze opening een “gat” en dit gat heeft schijnbaar een positieve lading (een ontbrekendenegatieve lading). Het mechanisme, dat de auto naar de bovenliggende etage getild heeft, heeftdus een beweeglijk elektron in de vrije etage en een bewegend gat in de bezette verdieping ge-creëerd – een ladingdrager- paar. Dit mechanisme kan bijvoorbeeld door warmte(energie) of doorlicht (fotonen) aangedreven worden.

Afb. 40: produceren van elektron- gat- paren in de halfgeleider(zie pagina 33 Duitse handleiding)

Ook bij de isolator staan de auto’s in de onderste rij in de file, en de bovenste etage is leeg. Erkunnen echter geen auto’s door een lift naar boven getransporteerd worden, omdat de volgendeetage te ver weg ligt. De isolator kan dus geen stroom geleiden, omdat er geen beweeglijke elek-tronen bestaan, en de halfgeleider geleidt de stroom alleen maar, als beweeglijke ladingdragersdoor warmte of licht geproduceerd worden. Op grond van deze eigenschappen gebruikt men dehalfgeleider in de elektronica en ook voor zonnecellen.

De pn- overgangIn een zonnecel wordt licht omgevormd tot elektrische stroom. Wetenschappelijk zegt men: “Defotonen die de zonnecel raken, produceren in de zonnecel ladingdrager- paren, die door een pn-overgang gescheiden worden”. Deze zin klinkt natuurlijk nogal ingewikkeld en onbegrijpelijk. Jezult echter zien, dat het allemaal eigenlijk heel eenvoudig te begrijpen valt.

30

Afb. 41: productie van de elektron- gat- paren in het bereik van een laadperron (momentopname)(zie pagina 34 Duitse handleiding)

Het eerste deel van de zin hebben we al uitgelegd: in ons autobeeld moeten we eerst auto’s uit defile naar de erboven gelegen vrije rijstroken tillen. Daarmee hebben we een ladingdrager- paargeproduceerd. Dit levert het licht (of beter; de energie). Hoe worden deze ladingdrager- paren ge-scheiden, en wat is een pn- overgang?

Afb. 42: Scheiden van de elektron- gat – paren door het laadperron(zie pagina 34 Duitse handleiding)

We hebben al gezegd, dat elektronen zich dan bewegen, wanneer het voor hun richting bergaf-waarts gaat. Laten we ons eens voorstellen dat de beide verdiepingen in de parkeergarage bovenelkaar lopen en dat ze allebei in het midden een laadperron hebben, zoals getekend in afb. 41.Dan rollen de auto’s op beide rijstroken naar links. Dat heeft als gevolg, dat de auto’s in de vrijebovenste rijstrook links en de gaten in de onderste rijstrook rechts aankomen (afb. 42). We heb-ben de elektronen en gaten dus “gescheiden”. Onze pn- overgang moet dus een dergelijk laadper-ron maken.Hoe maken we echter een pn- overgang, en wat is dat nou precies? Nou, daarvoor duiken we watdieper in de “halfgeleiderij” – dus de theorie over de halfgeleiderkristallen. We kunnen namelijkeen halfgeleider gericht manipuleren, door vreemde stoffen in het halfgeleiderkristal in te bouwen.

De kristalstructuur van silicium en doteringEen siliciumatoom kan met vier van zijn veertien elektronen verbindingen met andere atomen op-bouwen. In het siliciumkristal worden de siliciumatomen zo gerangschikt, dat elk atoom vier bin-dingen meet andere atomen bezit. Dat is ruimtelijk niet zo makkelijk weer te geven, vandaar dat jein afb. 43 een vereenvoudigde tweedimensionale weergave ziet.

Afb. 43: tweedimensionale weergave van een siliciumkristal(zie pagina 35 Duitse handleiding)

Als er nu vreemde atomen in het siliciumkristal gebracht worden, die 3 of 5 elektronen beschik-baar stellen voor de binding, dan krijg je de in afb. 44 getoonde situatie. In de bovenste afbeeldingis er fosfor in het kristal ingebouwd. Fosfor stelt 5 elektronen ter beschikking voor de binding. 4daarvan worden in het kristal gebruikt. Het vijfde elektron blijft over. Het kan veel makkelijker naarde bovenste vrije rijstrook getild worden dan een van de “normale” elektronen van het silicium. Wekrijgen dan een beweeglijk elektron in de bovenste rijstrook, zonder dat we een gat in de ondersterijstrook gekregen hebben.In de onderste afbeelding werd daarentegen borium ingebouwd. Borium kan slechts drie elektro-nen voor de binding leveren, er blijft dus een plaats voor een vierde elektron leeg. In deze plaatskan heel gemakkelijk een van de elektronen van de omliggende siliciumelektronen springen endaar parkeren. Dan “ontbreekt” echter het elektron in de onderste rijstrook, zonder dat het in debovenste rijstrook is aangekomen. We krijgen dus een beweeglijk gat, zonder een beweeglijkelektron te hebben.Men noemt deze vorm van de gerichte verontreiniging van een halfgeleider “dotering”. Als menmet fosfor doteert, krijgt men in het kristal een verhoogd aantal beweeglijke elektronen. Menspreekt dan van n- dotering. Als er daarentegen borium in het siliciumkristal gebracht wordt, krij-gen we meer zwervende gaten. Men noemt dat p- dotering. Kun je je nu al voorstellen wat een pn-overgang is?

Afb. 44: doteren van het siliciumkristal met fosfor (boven) en met borium (onder)(zie pagina 35 Duitse handleiding)

31

Afb. 45: gedoteerd siliciumkristal in het twee- verdiepingen- model. Links fosfor- dotering, rechts borium-dotering. In de bovenste rij de situatie bij lage temperaturen, in de onderste rij bij kamertemperatuur(zie pagina 36 Duitse handleiding)

Het feit, dat in de n- gedoteerde halfgeleider (fosfor) de elektronen makkelijker “opgetild” kunnenworden, wordt daarmee uitgedrukt, dat ze in ons twee- verdiepingen model dichter bij de bovensterijstrook moeten liggen. De “ontbrekende” elektronen van heet borium- atoom kunnen daarente-gen heel makkelijk een elektron vangen, ze liggen daarom vlak boven de onderste rijstrook. Dithebben we nog eens in afb. 45 getekend.Als we nu de beide verschillende bereiken bij elkaar brengen, dan dwalen elektronen en gatentoevallig van de ene kant van het kristal naar de andere: elektronen van het n- bereik naar het p-bereik en gaten in de andere richting. In het p- bereik vullen de elektronen de gaten op, en in hetn- bereik slokken de gaten de elektronen op. Daarbij is echter nog iets gebeurd. Als een van deextra aangebrachte gaten in een borium- atoom (in het p- bereik dicht bij de grenslaag tot het n-bereik) een elektron opslokt, dan bevindt zich daar een elektron meer dan voor die tijd, dat nu nietmeer beweeglijk is! het borium- atoom daar heeft maar drie positieve ladingen, is echter door 4elektronen omgeven. Op deze plek is het kristal nu negatief geladen! Iets dergelijks gebeurt aande n- kant bij het fosforatoom: daar ontbreekt ineens het vijfde elektron, en het n- bereik vlak bij degrenslaag wordt positief geladen! Voor de elektronen gaat het dus opeens naar het n- bereikbergaf, waar ze nog maar net aangekomen zin, en voor de gaten gaat het in de richting van het p-bereik bergaf. Het zou dus eigenlijk logisch zijn, als alles weer terug zou vloeien. Dat gebeurt ookwerkelijk: terwijl er eerst alleen elektronen van n naar p en gaten van p naar n gevloeid zijn, vloei-en er nu weer elektronen en gaten terug! Daardoor komt de stroom van elektronen en gaten vande ene naar de andere kant en terug schijnbaar tot stilstand. Praktisch betekent dit, dat er op elkmoment evenveel ladingen van rechts naar links vloeien als van links naar rechts. Het aantal la-dingen aan beide zijden verandert dus niet. Men noemt dit het evenwicht. We hadden toch al ge-zegd, dat elektronen graag “bergaf” vloeien, en ook gezegd, dat elektronen van negatief geladenpunten naar positief geladen punten vloeien. Als je deze beide dingen combineert, krijg je het ge-tekende laadperron: omdat een elektron liever van min naar plus vloeit, tekenen we het laadperronzoals afgebeeld. Het bereik van dit laadperron wordt ook aangeduid als ruimtelaadzone, omdat indit bereik de halfgeleider elektrisch geladen is. Dit bereik is daadwerkelijk heel dun, in de geheleoverige halfgeleider verlopen de banden recht, en ze bereiken de oppervlakte door toevallige be-weging zonder laadperron. Maar alleen (en dat is belangrijk) een bepaalde kant; de linkerkant.Herinnert deze afbeelding je nog aan iets anders? Juist, de afbeelding die we in afb. 41 getekendhebben, zag er bijna net zo uit! Als er nu licht op de zonnecel valt, en er door dit licht elektronen inde geleidingsband, en gaten in de valentieband ontstaan, dan worden deze daadwerkelijk in hetbereik van onze stijging ook ruimtelijk gescheiden! De elektronen glijden het laadperron af naarlinks, en de gaten in de onderste rijstroken glijden naar rechts het laadperron op (omdat de andereelektronen in de onderste rijstrook naar links naar beneden glijden).

Afb. 46: als de beide verschillend gedoteerde bereiken samengevoegd worden, wordt het laadperron ge-vormd. De tijdsvolgorde als momentopname is van boven naar beneden aangegeven.(zie pagina 37 Duitse handleiding)

We moeten er dus vlijtig voor zorgen, dat in de pn- overgang elektronen en gaten gescheidenkunnen worden. Deze trekken dan namelijk naar de rand van het kristal, en als we de linker- en derechterkant van onze zonnecel via een geleidende draad verbinden, vloeien er elektronen van delinkerkant van de cel door de draad, om de (lagerliggende!) gaten rechts weer op te vullen. Doorde draad gaat het namelijk ook bergaf, want het gat in de valentieband rechts ligt weer dieper danhet elektron in de geleidingsband links. Er vloeit dus een stroom, als licht in de cel vrije cellen pro-duceert!

32

Afb. 47: schematekening van een zonnecel(zie pagina 38 Duitse handleiding)

Dit is vereenvoudigd de manier waarop een zonnecel functioneert. In afb. 47 kun je nogmaals sa-mengevat het schema van een zonnecel zien. En verderop in het boek kun je nalezen, hoe eenzonnecel gemaakt wordt.In werkelijkheid gedraagt de pn- overgang bij belichting zich iets anders, maar voor ons doel isdeze verklaring absoluut voldoende. We hopen dat je dit uitstapje naar de halfgeleider- natuur-kunde leuk hebt gevonden!

P7Karakteristiek van een zonnecelNadat je nu weet, hoe in een zonnecel stroom geproduceerd wordt, willen we nu een paar eigen-schappen van een zonnecel leren kennen. Daartoe zullen we in dit experiment een zogenaamdestroom- spanningskarakteristiek opnemen. Dergelijke stroom- spanningskarakteristieken (of ookwel afgekort als IU- karakteristieken) zijn in de elektra en elektronica zeer belangrijk, omdat veleeigenschappen van een onderdeel uit de karakteristiek ervan afgelezen kunnen worden.In deze proef zullen we aan de hand van de IU- karakteristiek andere grootheden leren kennen,die voor de “photo-voltaïk” belangrijk zijn. Eerst willen we de karakteristiek maar eens “opnemen”,dus meten. Voor deze proef heb je weer de zonnemodule nodig. Bovendien hebben we een licht-bron (bijvoorbeeld je bureaulamp), de weerstanden uit het zakje met onderdelen, de meter en hetauto- chassis nodig, om de schakeling op de contactplaten eenvoudig te maken. De weerstandenkun je, zoals je kunt zien in afbeelding 48, buigen en in de ministekkers steken. Voor de parallel-schakeling kun je meerdere weerstanden in een miniatuurstekker schuiven en de meting zo op-bouwen, zoals het “voor één weerstand” is weergegeven.

Afb. 48: schematekening van een zonnecel(zie pagina 39 Duitse handleiding)

Als volgende willen we je uitleggen, waar het bij deze meting om gaat. Je weet vast nog wel uit debeschrijving van de meter, dat volgens de Wet van Ohm de waarden voor spanning, stroom enweerstand verband houden met elkaar. Bij een bepaalde spanning en een bepaalde weerstandvloeit er in een stroomcircuit een bepaalde stroom. Hoe kleiner de weerstand of hoe hoger despanning, des te hoger de stroom.Voor de IU- karakteristiek interesseert het ons, welke stroom er bij een bepaalde spanning vloeit,want de gegevens van onze zonnemodule veranderen, afhankelijk van de weerstand in hetstroomcircuit (de zogenaamde lastweerstand). We zullen hier dus de spanning en de stroom me-ten, die bij verschillende weerstanden in het stroomcircuit vloeit. Als we twee meters hadden, danzouden we steeds voor één weerstand (waarvan de waarde ons helemaal niet interesseert!)stroom en spanning tegelijkertijd kunnen meten. We hebben echter maar één meter, dus moetenwe anders handelen. Als we een (vaste) weerstand in een stroomcircuit inbouwen, vloeit er eenbepaalde stroom, en is er een bepaalde spanning aanwezig. We zouden dus voor een paar weer-standen beide groottes na elkaar kunnen meten. Daartoe zouden we echter elke keer de schake-ling helemaal om moeten bouwen, als we eerst in plaats van een stroom een spanning willen me-ten (je herinnert je nog wel: voor spanningsmetingen de meter parallel, voor stroommetingen inserie schakelen). In plaats daarvan meet je eerst de stroom voor alle verschillende weerstanden,en daarna met de omgebouwde schakeling de spanning voor dezelfde weerstanden bepalen.Omdat de meting van een stroom en de bijbehorende spanning dus qua tijd gescheiden plaats-vindt, moet je er beslist op letten dat de belichting tijdens de meting niet verandert. En, dat je de

33

zonnecel en je lichtbron niet mag bewegen! Anders moet je de meting kompleet van voren af aanbeginnen!

Afb. 49 opbouw voor de stroommeting(zie pagina 35 Duitse handleiding)

Het beste is dus de zonnemodule van de auto te verwijderen en hem met plakband op je bureaute fixeren! De schakeling voor de meting van de stroom is getekend in afb. 50, afb. 49 laat zienhoe je alles in elkaar moet steken.

Afb. 50: Schakelbeeld voor de stroommeting. Afhankelijk ervan, of je één, twee of drieweerstanden in serie schakelt, moet je de rode bus op een andere strip aansluiten.(zie pagina 35 Duitse handleiding)

Om een overbelasting van de weerstanden te vermijden, mag je de lamp niet te dicht bij de mo-dule houden (om de maximale stroom te begrenzen). Richt de afstand tussen zonnemodule enlichtbron zo in, dat je een nullaststroom van ongeveer 160 mA meet.Je zou nu dus met de meting kunnen beginnen en drie stroom-spannings- meetwaarden kunnenkrijgen. Dat zou echter maar heel weinig zijn. Om meer dan maar drie meetpunten te krijgen, kunje de weerstanden ook in serie en parallel schakelen. Hoe je door combinatie van de weerstandennog meer resulterende weerstanden krijgt, staat in het volgende stuk tekst.

Serieschakeling en parallelschakeling van weerstandenAls er twee of meer weerstanden in serie geschakeld worden, tellen ze bij elkaar op, omdat destroom op zijn weg beide weerstanden na elkaar moet passeren (afb. 51). De totale weerstand bijserieschakeling van meerdere weerstanden is daardoor

Rtotaal = R1 + R2 + …dus de som van de aparte weerstanden. De totale weerstand bij serieschakeling is dus altijd groterdan de aparte weerstanden.

Afb. 51: twee weerstanden in serie geschakeld(zie pagina 40 Duitse handleiding)

Als er daarentegen twee weerstanden parallel geschakeld worden, dan is aan de uiteinden van deweerstanden steeds dezelfde spanning aanwezig. De Wet van Ohm (pag. 9) zegt ons dan, hoe-veel stroom er door elke afzonderlijke weerstand vloeit. Dat betekent bijvoorbeeld, dat bij tweeparallel geschakelde weerstanden van 1 Ω bij een aanwezige spanning van 1 V door elke weer-stand de stroom 1 A vloeit, in totaal dus 2 A (afb. 52)! Dit kunnen we als volgt als formule schrij-ven:

Itotaal = I1 + I2 + = … = U + U + … R1 R2

= U . ( 1 + 1 + …) = U . (____1_____) R1 + R2 + …) = R toraal

Met ____1_____ = 1 + 1 Rtotaal R1 + R2

34

De totale weerstand bij de parallelschakeling van de weerstanden is kleiner dan de kleinste aparteweerstand!Met de meegeleverde multimeter kun je dit ook controleren.

Afb. 52: twee weerstanden parallel geschakeld(zie pagina 40 Duitse handleiding)

Met de meegeleverde weerstanden kun je verschillende combinaties samensteken en de weer-standen meten. Daartoe hoef je alleen maar uit het schema van afbeelding 54 de linker tak met dezonnemodule weg te halen en de meter op weerstandsmeting in te stellen, zoals beschreven oppagina 12. Begin met simpele combinaties, zodat je de gemeten weerstanden met de formulesboven kunt begrijpen en meet ook de aparte weerstanden! Voer de waarden in in de tabel afb. 53.De verschillende weerstanden, die uit de combinaties resulteren, kun je nu ook voor het metenvan de karakteristiek van de zonnemodule gebruiken.

Nominale waarde (Ω)

Gemeten (Ω)

R1 4,7 R2 10 R3 22

Rtotaalserieschakeling

Rtotaalparallelschakeling

R1 + R2

R1 + R3

R2 + R3

R1 + R2 + R3

Afb. 53: Weerstandswaarden door combinatie van de drie weerstanden(zie pagina 40 Duitse handleiding)

Je ziet, dat je bij de stroom- en spanningsmeting bovenop de drie meetpunten, die je met de drieweerstanden direct kunt meten, door eenvoudige combinatie van de weerstanden nog 8 meet-punten erbij krijgt. En je kunt er nog een meetpunt bij krijgen: als je er geen weerstand inbouwt,meet je de kortsluitstroom. Deze ken je al, want daarmee heb je de afstand tot de lichtbron inge-richt. En je weet ook al, dat de spanning gelijk is aan nul, als de kortsluitstroom vloeit.

Afb. 54: schakelschema voor de spanningsmeting. Omdat de weerstand nu geen nul meer is, is dit schemaanders dan dat van afb. 19.(zie pagina 41 Duitse handleiding)

Afb. 55: Door ons gemeten karakteristiek(zie pagina 41 Duitse handleiding)

Je hebt nu voor vijf verschillende (last) weerstanden de stroom gemeten. In de volgende stapmoet je voor al deze weerstanden de spanning meten. Het wezenlijke verschil in de schakelingbestaat eruit, dat nu de meter parallel met de lastweerstand geschakeld moet worden en alsspanningsmeter moet worden gebruikt. De schakeling hiervoor zie je in afb. 54 en je vindt weer inafbeelding 56 weer een aanwijzing, hoe je de schakeling in elkaar kunt steken. Bij het ombouwenmoet je er op letten, dat je de zonnemodule niet beweegt, omdat anders de helderheid veranderten je van voren af aan moet beginnen! Steek nu de weerstanden zo samen, dat je de verschillen-de waarden uit tabel 53 krijgt. Tenslotte kun je nog een ander punt meten: de nullastspanning.Daartoe met je alle weerstanden verwijderen (de weerstand is daarbij oneindig, omdat het stroom-

35

circuit immers niet gesloten is, en de stroomvloeiing is nul). Voer ook deze meetwaarden in in jetabel.

In de tekening kun je zien, dat het zonnepaneel verwijderd is, om de verbindingen beter te kunnen zien.

Afb. 56: opbouw voor de spanningsmeting. Afhankelijk of je een, twee of drie weerstandenin serie schakelt, moet je de rode bus en de rode kabel van de zonnemodule op een anderestekkerstrip aansluiten.(zie pagina 41 Duitse handleiding)

Energie, arbeid, vermogenOp elektrische apparaten vind je vaak aanduidingen als 1000 W, 750 W of andere getallen. Dezegetallen geven “het elektrische vermogen” aan, de eenheid W is de afkorting voor Watt. De bete-kenis kan duidelijk worden, als je aan auto’s denkt. Bij auto’s wordt het motorvermogen aangege-ven in kW (kilowatt, 1 kW = 1000 W) of in PK (1 PK = 0,735 kW). Hoe meer kW een auto heeft,des te sterker is de motor. Een 100 W- gloeilamp brandt helderder dan een 40 W- lamp. Een wa-terkoker met 1000 W kan het water sneller aan de kook brengen dan een koker met maar 100 W.De heldere lamp en de snelle koker hebben daarvoor ook meer stroom nodig, want het vermogenis het product van stroom en spanning (de spanning, die uit de wandcontactdoos komt, is vooralles gelijk).

Vermogen = stroom x spanningof (in formuletekens): P = I x U

De aanduiding P komt uit het Engels voor Power.

Afb. 58: Boven: de karakteristiek uit afbeelding 55. De ingetekende gearceerde vlakken zijn de vermogens(I.U) Onder: in plaats van I (stroom) hebben we het product I.U (vermogen) ingetekend. Het MPP ligt daar,waar het vermogen het hoogst is.(zie pagina 42 Duitse handleiding)

Afb. 59: Nu snap je ook het verschil tussen een fotoflitser en de zon, zoals je dat al op pagina 1`7 hebt gele-zen. Getekend is de instraling (vermogen per oppervlak). Het gearceerde gedeelte is het vermogen per op-pervlak maal tijd, dus arbeid per oppervlak!(zie pagina 42 Duitse handleiding)

Als je nu weer aan de waterkoker denkt: na enige tijd kookt het water in ieder geval. Het resultaat,de “verrichte arbeid”, is dus hetzelfde. Als de elektrische verbruiker met 100 W vermogen 10 uurlang aanstaat, heeft hij evenveel arbeid verricht als een elektrische verbruiker met 1000 W vermo-gen die maar 1 uur aangestaan heeft. Deze arbeid (energie) is het product van vermogen en tijd:

Arbeid = vermogen x tijdOf (in formuletekens)

W = P x t

De aanduiding W komt uit het Engels van Work, vaak wordt er ook E voor Energie gebruikt. Deeenheid van arbeid (of energie) is de Wattseconde (Ws) of meer gebruikelijk de kilowattuur (kWh).Daarbij is 1 kW . 1 h = 1000 W . 3600 s = 3.600.000 Ws = 3,6 miljoen Wattseconden. KWh wordtook gebruikt, om het verbruik van jullie huishouden aan elektrische energie weer te geven. Vraagje ouders maar eens, hoeveel elektrische energie jullie per jaar in het huishouden verbruiken!

Je hebt zonet geleerd, dat het vermogen het product is van stroom en spanning. Nu willen weeens zien, wanneer jouw zonnemodule het maximale vermogen levert.

36

In onze afbeelding van de karakteristiek is naar rechts de spanning en naar boven de stroom in-gevoerd. Het vermogen is het product van spanning en stroom: in onze afbeelding dus het opper-vlak dat we krijgen, als we vanaf een punt op de curve eden lijn verticaal en een lijn horizontaal totaan de assen trekken (zie afb. 58).Neem nu jou karakteristiek en teken voor een paar punten de oppervlakken of bereken het pro-duct uit stroom en spanning voor de door jou gemeten punten. Valt je iets op?Voor de maximale stroom (de kortsluitstroom) is de spanning gelijk aan nul, dus is ook het vermo-gen gelijk aan nul. Hetzelfde geldt voor de nullastspanning: als er geen stroom vloeit, dan is hetvermogen gelijk aan nul, het maakt niet uit hoe hoog de spanning is. Als je nu naar de vlakken inde afbeelding kijkt: de lengte van de ene kant is gelijk aan nul. Bekijk nu een punt ergens in hetmidden van de karakteristiek. Als je daar een vlak tekent of het product berekent, stel je vast dathet vermogen groter dan nul is. Komend van de kortsluitstroom (dus van links naar rechts langsde curve), is het vermogen eerst nul, dan groter dan nul en bij de nullastspanning opnieuw gelijkaan nul. Tussendoor heeft het vermogen dus een maximale waarde bereikt. Het punt, waarbij hetproduct van stroom en spanning – dus het vermogen – het grootst is, wordt aangegeven als hetpunt met maximaal vermogen, of – uit het Engels – maximum power Point, afgekort MPP.

Maximum Power Point en vulfactor

De spanning en de stroom bij het MPP zijn kleiner dan de nullastspanning en de kortsluitstroom,omdat de karakteristiek geen ideale rechthoek is, maar een afgeronde hoek bezit. De afwijkingtussen het oppervlak van de ideale rechthoek met de kantlengten Isc en Uoc en de rechthoek ophet MPP (kantlengtes Impp en Umpp) wordt aangeduid als vulfactor, afgekort FF:

FF.Isc.x Uoc = Impp x Umpp

Deze vulfactor is om natuurkundige redenen altijd kleiner dan één, voor zonnecellen uit siliciumligt de waarde meestal tussen 0,70 en 0,85 (hoe meer hoe beter voor het vermogen van de zon-necel).

Als je wilt, kun je de karakteristiek nog een keer bij een andere helderheid meten. Richt daarbij debureaulamp zo in, dat je een kortsluitstroom van slechts 130 mA meet. Teken deze tweede ge-meten karakteristiek in dezelfde afbeelding als de karakteristiek, die je daarvoor (bij een kortsluit-stroom van 160 mA) gemeten hebt, en bepaal ook voor deze karakteristiek het Maximum PowerPoint en het vermogen en het vermogen bij het Maximum Power Point! Je ziet nu, dat niet alleenhet absolute vermogen op het Maximum Power Point, maar ook de stroom en de spanning op hetMPP afhankelijk zijn van de belichting!

Gelijkstroom, wisselstroom, gelijkstroom- wisselstroom- mutator en “MPP-Tracker”De stroom die jouw zonnecel produceert, is gelijkstroom, d.w.z. de pluspool is steeds positief ge-laden tegenover de minpool. De stroom die uit een wandcontactdoos komt, is daarentegen wissel-stroom, d.w.z. hij verandert zijn poling. Dit gebeurt ongeveer 50 keer per seconde, d.w.z. de wis-selstroomfrequentie is 50 Hz (dit vind je ook als aanduiding op vele elektrische apparaten, die opstroom uit heet stopcontact werken). Als je de stroom, die met grote zonnemodules geproduceerdwordt, aan het elektriciteitsnet wilt toevoeren, moet je van de gelijkstroom wisselstroom maken. Ditgebeurt met een zogenaamde omvormer, die een onderdeel vormt van elke zonne- installatie dieaan het elektriciteitsnet gekoppeld is. Daarbij is men er natuurlijk in geïnteresseerd, een zo grootmogelijk vermogen aan het stroomnet te voeden. Moderne omvormers werken daarom zo, dat zesteeds werken op het punt van maximaal vermogen. Dit punt hangt, zoals je gezien hebt, af vande belichting van de zonnemodule op dat moment: als de zon door wolken afgedekt is, als de zonnet is opgegaan of net ondergaat, ligt het MPP bij andere stroom- en spanningswaarden dan bijvolledige instraling van het zonlicht ’s middags om twaalf uur. De omvormer moet dus steeds het

37

MPP opnieuw zoeken, om het maximale vermogen aan het net te voeden. Dit wordt aangeduid als“MPP- tracking”, en een omvormer die dat kan is een “MPP-tracker”. Het woord “tracking” komt uithet engels en betekent zoveel als “volgen”. De MPP- Tracker volgt dus de hele tijd het MPP.

Gebruik je multimeter nooit, om de stroom of de spanning te meten, die uit een wandcontactdoos(stopcontact) komen! Spanningen en stromen, die uit een wandcontactdoos komen, zijn levensge-vaarlijk groot!

HET MAKEN VAN ZONNECELLENNadat we zo lang over zonnecellen en zonnemodules gepraat hebben, willen we je nu laten zien,hoe zonnecellen in het onderzoekslaboratorium of in de industrie gemaakt worden. We zullendaarbij laten zien hoe zonnecellen gemaakt worden uit kristallijn silicium. Dit type zonnecel bestaathet langste, en het grootste gedeelte van de op dit moment gemaakte zonnecellen bestaat uitkristallijn silicium. Aan het eind zullen we je kort een paar andere zonneceltypes laten zien. Demeeste van deze andere types zonnecellen worden op dit moment nog verder ontwikkeld in hetlaboratorium. Sommige van deze types worden echter ook al in kleine hoeveelheden in fabriekengemaakt (dit nomen ze de “pilot”- vervaardiging), om te zien of en hoe het maken in grote hoe-veelheden mogelijk is.Eerst hebben we voor het maken van een zonnecel uit kristallijn silicium precies dat basismateri-aal nodig: silicium. Daarbij hebben we geluk, want silicium (het chemische symbool is Si) is nazuurstof (O) het meest voorkomende element op aarde. Je vindt beide elementen samen als silici-umoxide (SiO2) overwegend in zand en kwarts. We hebben echter puur silicium nodig (geen silici-umoxide), d.w.z. de zuurstof moet verwijderd worden. Dit vraagt zeer hoge temperaturen van on-geveer 1800 °C. Na dit proces krijgt men vloeibaar silicium (smelttemperatuur 1450 °C). Het heefteen zuiverheid van 98 %, d.w.z. dat van een massa van 100 g 98 g silicium is, de andere 2 g zijnverontreinigingen. Men noemt dit silicium “metallurgisch silicium”.

Afb. 60: fabricage van een siliciumstaaf(zie pagina 44 Duitse handleiding)

Afb. 61: een stuk van een siliciumstaaf. Silicium is zilverglanzend(zie pagina 44 Duitse handleiding)

Omdat er voor het winnen van het metallurgische silicium zeer veel energie nodig is, vindt de pro-ductie meestal plaats in gebieden op aarde, waar met waterkracht de benodigde energie geprodu-ceerd kan worden (Siemens bijvoorbeeld produceert silicium in Canada).Dit metallurgische silicium moet voor de productie van zonnecellen (en ook voor de halfgeleiderin-dustrie) verder gereinigd worden. Voor dergelijke toepassingen is namelijk een zuiverheidgraadvan 99,999.999.999.999 % nodig, d.w.z. op 1 biljoen siliciumatomen mag maar één ander atoomvoorkomen. Dit is een onvoorstelbare zuiverheid. Ter vergelijking: op aarde wonen ongeveer 6miljard mensen. Als er één buitenaards wezen op aarde zou komen, dan hadden we al 150 keermeer “verontreiniging”!Om materiaal met een dergelijke zuiverheid te winnen, zijn speciale reinigingsprocédés nodig.Deze zijn in de kern al in de jaren 50 van de vorige eeuw door de firma Siemens ontwikkeld. Wezullen hier het principe uitleggen.Fijngemalen metallurgisch silicium reageert met gasvormig chloorwaterstof (HCl) tot het zoge-noemde trichloorsilaan (SiHCl3). Dit is onder ongeveer 30 °C vloeibaar en de verontreinigingenkunnen door verschillende trappen van destillatie uit het trichloorsilaan verwijderd worden. Om nuweer silicium te krijgen, wordt het trichloorsilaan met zeer zuivere watersof door een vat gestuurd,waarin zich een tot ca. 1350 °C verhitte staaf uit zuiver silicium bevindt. Aan de hete oppervlakte

38

reageert het trichloorsilaan met de waterstof tot silicium, dat zich aan de oppervlakte afscheidt. Zokunnen op dit ogenblik siliciumstaven met doorsneden tot 30 cm en lengtes tot 2 m geproduceerdworden.Deze siliciumstaven kunnen echter nog niet gebruikt worden voor het maken van zonnecellen ofhalfgeleiders. Het silicium voldoet nu weliswaar aan onze zuiverheideisen, maar het silicium is nietgenoeg “geordend”. Het gaat namelijk niet om een regelmatig enkel kristal, maar om een klompbestaande uit vele enkele kristallen, de zogenaamde kristallieten. Om een enkel kristal te krijgen,smelt men het silicium weer in een smeltkroes. In dit vloeibare silicium wordt nu een klein enkelkristal als kiemkristal in de gesmolten massa gedoopt en onder langzaam draaien langzaam uit degesmolten massa getrokken. Daarbij kristalliseren de siliciumatomen op het kiemkristal net zo, alshet voorbeeld van het kiemkristal zelf. Afbeelding 60 laat het maken van een dergelijke silicium-staaf zien, in afb. 61 zie je een stuk van een dergelijke staaf.We hebben in verband met het functioneringsprincipe van de zonnecel al geleerd, dat er voor hetmaken van de pn- overgang en dotering van het halfgeleidermateriaal nodig is. De ene kant vandeze pn- overgang kan al bij het trekken van het kristal gemaakt worden: door het toevoegen vandoteerstoffen in de gesmolten massa (meestal fosfor voor de n- dotering, borium voor de p- dote-ring) worden deze stoffen al bij het groeien in het kristal ingebouwd, en in plaats van een pure sili-ciumstaaf trekt men gedoteerd silicium uit de gesmolten massa. Het silicium is daardoor weer eenbeetje minder zuiver (de dotering ligt meestal in het bereik van 0,000.000.1 %), maar de soort“verontreiniging” is nu precies gedefinieerd.

Afb. 62: het in stukken zagen van een siliciumstaaf(zie pagina 45 Duitse handleiding)

In de volgende stap worden er van de lange staven kleine schijven afgezaagd. Deze schijvenworden “wafers” genoemd (uit het Engels, het betekent precies “schijf“). De dikte ervan bedraagtongeveer 200 tot 400 µm. Ze dienen als materiaal voor de fabricage van siliciumzonnecellen enhalfgeleiderbouwelementen.Om nu uit de wafers een zonnecel te maken, hebben we ook de tweede kant van de pn- overgangnodig. Meestal gebruikt men als uitgangsmateriaal voor de zonnecellen p- gedoteerd silicium(waarin al driewaardig borium is ingebouwd). We moeten dus aan één kant een n- gedoteerdelaag maken. Daartoe wordt de wafer bij ongeveer 850 °C onder toevoer van fosfor in een ovenverhit. Men noemt deze procedure fosfordiffusie. Door de juiste maatregelen zorgt men er daarbijvoor, dat het fosfor maar aan één van beide kanten in de wafer binnendringt. Daarmee hebben wede pn- overgang gecreëerd.

Afb. 63: door het indiffuseren van fosfor ontstaat een n- gedoteerde laag aan de voorkant(zie pagina 45 Duitse handleiding)

In de volgende stap wordt er een anti- reflectielaag aangebracht, die ervoor zorgt dat de zonnecelmeer zonlicht opvangt, in plaats van het terug te kaatsen. Pas bij deze stap wordt de zonnecelblauw. Tot dan toe was de cel zilver glanzend.

Afb. 64: pas door het opbrengen van de anti- reflectielaag wordt de zonnecel blauw!(zie pagina 45 Duitse handleiding)

Er ontbreken nu nog de elektrische contacten aan de voor- en achterkant. In de industriële maat-staf worden de contacten meestal door zeefdruk gemaakt. Daarbij perst men een metaalhoudendepasta door een zeef, die als een sjabloon de pasta alleen op bepaalde plekken doorlaat (afb. 66).Opdat de pasta hard wordt, brengt men de wafer opnieuw in een oven, waar bij ca. 800 °C demetaalpasta door de anti- reflectielaag “heen brandt” en het contact met het silicium tot stand ge-bracht wordt.

39

Afb. 65: zo ziet de zonnecel er uit, nadat de contacten op de voor- en achterkant er opgedrukt zijn(zie pagina 46 Duitse handleiding)

Afb. 66: opdrukken van het contact op de voorkant op zonnecellen tijdens de fabricage (Siemens)(zie pagina 46 Duitse handleiding)

Afb. 67: inbranden van de contacten in een doorloopoven (Siemens)(zie pagina 46 Duitse handleiding)

Afb. 68: soldeermachine voor het aanbrengen van de soldeerstrips aan de printbanen voor het schakelenvan de zonnecellen (Siemens)(zie pagina 46 Duitse handleiding)

De totale productie van de zonnecel moet onder uiterst schone omstandigheden plaatsvinden,want anders zouden er weer "vreemde” stoffen in de halfgeleider binnendringen en hem verontrei-nigen. Dit zou leiden tot zonnecellen met een lager rendement. Daarom vindt de totale fabricageplaats in zogenaamde “schone ruimtes”, waarin speciale kleiding moet worden gedragen en zelfsde lucht wordt gefilterd, om het binnendringen van stof te vermijden.Naast deze siliciumzonnecellen uit silicium van één kristal bestaan er ook nog zonnecellen uit zo-genoemd polikristallijn silicium. Daarbij verstart het gesmolten silicium in een grote smeltkroesonder exact gedefinieerde omstandigheden. Daarbij vormen zich echter opnieuw vele kristallenmet verschillende kristal- oriënteringen, die echter veel groter zijn dan de tot nu toe bestaandekristalliten (afb. 71). Deze vorm van produceren is eenvoudiger, maar de zonnecellen hebbenmeestal een geringer rendement.In de laatste stap worden de zonnecellen nu tot grotere eenheden geschakeld, en worden daarnadeze eenheden in transparant materiaal ingebed en met glas afgedekt. Daarmee is de zonnemo-dule klaar.

Afb. 69: tot een streng geschakelde zonnecellen(zie pagina 46 Duitse handleiding)

Naast kristallijne siliciumzonnecellen worden er tegenwoordig ook zonnecellen gemaakt uit cad-miumtelluride (CdTe) en uit koperindiumdiselenide (CIS) en aanverwante halfgeleidermaterialen.Deze technologieën worden samen met het amorfe silicium samengevat onder de noemer dunne-laag- zonnecellen, omdat de actieve zonnecellagen meestal maar een paar micrometer dik zijn (integenstelling tot de 200 tot 400 µm dikke siliciumwafers). De dunne- laag- techniek bevindt zich(met uitzondering van de amorfe siliciumzonnecellen, die je bijvoorbeeld in praktisch alle zakre-kenmachines op zonne-energie vindt) nog in het teststadium. De met deze technieken bereikterendementen zijn tot nu toe meestal kleiner dan de rendementen die met kristallijn silicium bereiktzijn.

Afb. 70: in module ingebedde strengen(zie pagina 47 Duitse handleiding)

Afb. 71: zonnecel uit polikristallijn silicium (Deutsche Aerospace) (zie pagina 47 Duitse handleiding)

P8Bepaling van het rendement van de zonnemodule

De voorlopig laatste grootheid, die in samenhang met zonnecellen vaak gebruikt is, is het rende-ment. Men schrijft voor het rendement vaak de Griekse letter η (spreek uit als “eta”). Het rende-

40

ment η geeft aan, welk aandeel van het op de zonnecel vallende ingestraalde vermogen door dezonnecel wordt omgezet in elektrisch vermogen, als de zonnecel op het Maximum Power Pointwerkt:

Elektrisch vermogenRendement = ---------------------------

Ingestraald vermogen

Of P geproduceerd

η = ---------------P ingestraald

Als het rendement • van een zonnecel gelijk zou zijn aan 1, dan zou het totale ingestraalde ver-mogen omgevormd worden tot elektrisch vermogen. In de werkelijkheid is η om natuurkundige entechnische redenen steeds aanzienlijk kleiner dan 1, en bovendien afhankelijk van de belichting.

P ingestraald zonnecel η P geproduceerd

Ingestraald vermogen geproduceerde vermogen(licht) (stroom)(zie pagina 47 Duitse handleiding)

We willen nu nog één keer het rendement η van jouw zonnemodule berekenen bij de instraling diewe voor de bepaling van de karakteristiek in experiment 7 gebruikt hebben. Daartoe hebben wetwee grootheden nodig: het ingestraald vermogen en het elektrisch vermogen op het MaximumPower Point. Je kunt het ingestraalde vermogen bepalen doordat je uit de kortsluitstroom met dekalibreercurve uit experiment 4 de instraling berekent. Deze waarde (eenheid: W/m2) moet je nogvermenigvuldigen met het oppervlak van je module (in m2, 1 cm2 = 0,0001 m2!), om het ingestraal-de vermogen (in W) te krijgen. Bedenk daarbij, dat je alleen de 12 blauwe vlakken op het zonne-paneel mee moet tellen. De tweede grootheid zit in de karakteristiek. Je kunt het MPP bepalen,door voor verschillende stroom- spanningparen het vermogen te berekenen en de maximalewaarde te zoeken. Je hoeft dit niet heel precies te doen, we kunnen per slot van rekening toch nietzo heel precies meten!Als je beide waarden gevonden hebt, hoef je alleen nog maar de verhouding tussen deze beidewaarden te berekenen, door de waarden volgens de vergelijking hierboven door elkaar te delen.Deze waarde kun je of zo aangeven als deze door de rekenmachine uitgespuugd wordt (dus 0,nog iets) of je kunt de waarde met 100 vermenigvuldigen en in procenten aangeven.Het rendement van je zonnemodule moet ergens tussen 8% en 16% liggen (dus tussen 0,08 en0,16). De tot nu toe hoogste rendementen voor enkele zonnecellen werden tot nu toe bereikt doorde universiteit van Nieuw- Zuid Wales in Sydney (Australië). Deze rendementen liggen ongeveerbij 25%. Aan dezelfde universiteit werden ook de tot nu toe hoogste modulerendementen bereikt,doordat de zonnecellen met de hoogste rendementen tot een module geschakeld werden. Hetrendement van deze module ligt bij ongeveer 22% - dus duidelijk lager dan de rendementen vande enkele cellen. Vergeleken daarbij is het rendement van jouw zonnemodule toch eerder vrijlaag. Maar als je bedenkt, dat je voor de energiewinning verder niets hoeft te doen dan een zon-necel in de zon te houden, en dat de zon ontelbare hoeveelheden energie elke dag gratis naar deaarde stuurt, is het toch een mooi iets, als men dagelijks een deel ervan in stroom kan omzetten(ook als het maar een klein gedeelte is). Meer over rendementen, ook van andere manieren vanenergiewinning, lees je in het laatste hoofdstuk van dit boek.

41

Celrendementen en modulerendementenEén van de problemen bij het schakelen van zonnecellen tot zonnemodules is het feit, dat geencel exact dezelfde eigenschappen heeft als de andere cellen. Als er nu zonnecellen in een modulein serie geschakeld worden, levert dat verliezen op, omdat niet alle cellen hetzelfde Maximum Po-wer Point bezitten. Deze verliezen noemt men “Aanpassingsverliezen” (in het Engels “Mismatch”).Om deze reden is het rendement van een zonnemodule in het algemeen kleiner dan de rende-menten van de enkele zonnecellen.

Afb. 72: een aan het net gekoppelde “photo-voltaïk”- installatie(zie pagina 48 Duitse handleiding)

SamenvattingJe hebt in de voorgaande acht experimenten de hoofdkenmerken van het opwekken van stroommet zonnecellen leren kennen. Je hebt begrippen als kortsluitstroom, nullastspanning, MaximumPower Point en rendement gebruikt, om de eigenschappen van zonnecellen en zonnemodules tebeschrijven. En je kent de basiskenmerken van de manier waarop zonnecellen functioneren.Daarom ben je nu goed op de hoogte van de “photo- voltaïk” en ben je voorbereid om je zonne-module in de volgende hoofdstukken van dit boek te gebruiken als stroombron.In deze experimenteerdoos heb je namelijk met opzet geen batterij of netvoeding gevonden,waarmee je de volgende proeven ook net zo goed had kunnen uitvoeren. Deze experimenteer-doos bevat een zonnemodule voor de stroomvoorziening, omdat de stroomvoorziening uit zonne-cellen de basis vormt voor een auto- concept, dat het volledig kan doen zonder emissie (d.w.z.uitstoot van schadelijke stoffen): de stroom wordt (zonder het verbranden van kolen of gas enzonder kernenergie- centrales) met zonnecellen geproduceerd, en in de volgende proeven zul jezien, hoe deze energie opgeslagen en weer tot stroom omgevormd kan worden – eveneens zon-der emissies.

Elektrolyse

Veiligheidsaspecten• Beschermende kleding: Bij elk chemisch experiment moet degene die het experiment uitvoert

– jij dus! – zich zo goed mogelijk beschermen tegen alle denkbare gevaren. Hoewel het bijjouw brandstofcel- experimenteerdoos in principe natuurlijk niet om een zeker veel gevaarlijke-re chemie- doos gaat, vind je toch een veiligheidsbril, die je bij alle werkzaamheden op het ge-bied van de elektrolyse moet dragen! Opspattend zout water kan tot tranende oogirritaties lei-den, reageerbuizen kunnen breken en rondvliegende glassplinters mogen natuurlijk in geengeval in je ogen terechtkomen. Om al deze redenen is een veiligheidsbril belangrijk! Overigensmag men een chemisch laboratorium bij wetenschappelijk onderzoek of in de industrie hele-maal niet binnen, als je geen veiligheidsbril draagt. Als verdere beschermende kleding draagtde chemicus in het laboratorium steeds een stofjas, om te voorkomen dat door opspattendechemicaliën zijn of haar kleding of zelfs zijn huid schade toegebracht wordt. Weliswaar bestaater bij geen van onze proeven een dergelijk gevaar, maar desondanks hoef je niet persé jezondagse kleren aan te doen als je oplossingen aanraakt of gassen onderzoekt.

• Stroom en water: je hebt vast en zeker wel eens gezien in misdaadfilms, hoe gevaarlijk decombinatie van stroom en water kan zijn. Nu word je bij de proeven met elektrolyse uitgeno-digd water met behulp van stroom te splitsen. Daarbij wordt echter steeds zeer zwakke gelijk-stroom bedoeld, zoals die door je zonnemodule ter beschikking gesteld wordt. je moet in geengeval op het idee komen, hier de stroom uit het stopcontact te gebruiken. Dat zou in elk gevallevensgevaarlijk zijn!

• Gedestilleerd water: Je hebt gedestilleerd water nodig voor het vullen van de brandstofcel enalle daaraan verbonden onderdelen, zoals gastanks, waterreservoir en slangen. Gedestilleerd

42

water is in principe niets anders dan heel zuiver water zonder een of andere toevoeging. Detoevoeging “gedestilleerd” geeft hier alleen maar aan hoe deze zuiverheid bereikt werd, name-lijk door een zogenoemde destillatie. Hierdoor wordt het water gescheiden van de moeilijk teverdampen bestanddelen door het tot koken te brengen. De opstijgende waterdamp wordtweer opgevangen in een koeler, waarin dan het zuivere water in de vorm van kleine druppel-tjes naar beneden loopt en in een heel schoon opvangreservoir opgevangen wordt. Op dezelf-de manier wordt overigens alcohol van water gescheiden, omdat alcohol bij een veel lageretemperatuur dan bij water verdampt en zo bijvoorbeeld voor het produceren van cognac uitwijn in zeer geconcentreerde vorm gewonnen kan worden.De brandstofcel mag alleen met gedestilleerd water gevuld worden, omdat onderdelen van dedaarin aanwezige membranen anders onbruikbaar zouden kunnen worden. Voor ons mensenziet het er juist precies andersom uit. Weliswaar bevat ons lichaam een grote hoeveelheidwater, maar daarin is een onvoorstelbare hoeveelheid mineralen opgelost, die voor ons vanlevensbelang zijn. Ook ons gewone drinkwater bevat vele mineralen. Je moet maar eens hetetiket van een flesje mineraalwater bekijken, als je wilt weten wat er zo allemaal in drinkwaterzit. Daar vind je namelijk altijd een analyse van een in zulke werkzaamheden gespecialiseerdlaboratorium, dat alle bestanddelen van het mineraalwater exact bepaald heeft. Ook het wateruit de kraan thuis bevat de meeste stoffen die ook in mineraalwater zitten, alleen geen kool-zuur, anders zou het kraanwater borrelen! Als de mens nu grote hoeveelheden gedestilleerdwater zou drinken, gebeurt er in het lichaam het volgende: mineralen worden uit de cellen enmembranen losgemaakt, omdat het lichaam probeert het water de “juiste” concentratie vandeze stoffen te geven. Dat kan leiden tot ernstige beschadigingen van de organen, zoalsmaag, lever en nieren en in extreme gevallen zelfs tot de dood leiden! Daarom geldt: drinknooit gedestilleerd water!! (Overigens koop je gedestilleerd water bij de apotheek of drogist. Jekunt het ook kopen bij tankstations, waar het als accuwater verkocht wordt, of aan de schei- ofnatuurkundeleraar op school vragen of hij je wat kan geven).

• Waterstofgas: Gasvormige waterstof is een niet giftig gas. Hoge concentraties kunnen echter,net als bij elk gas verstikking veroorzaken, als er voor het ademen niet meer voldoende zuur-stof aanwezig is. Waterstof is een brandbaar, zeer licht ontplofbaar gas, dat met lucht een ex-plosief mengsel kan vormen. Daartoe moet zich echter minstens 4% waterstof in de lucht be-vinden. Boven 75% waterstof in de lucht is het mengsel evenmin explosief meer. Omdat wa-terstof extreem vluchtig is, is het praktisch onmogelijk in een goed geventileerde ruimte eenexplosief gasmengsel te produceren. Bij de bij het gebruik van de brandstofcel van je Kosmos-doos voor de elektrolyse geproduceerde hoeveelheden aan waterstofgas kan er in geen gevaleen explosief gasmengsel in een kamer gevormd worden. De ontstekingstemperatuur vanwaterstof bedraagt 560 °C, een ontsteking door vonken is mogelijk. De verbrandingsproductenvan waterstof zijn net zo min giftig als het gas zelf. Waterstofgas is reukloos. In het algemeendien je je te houden aan de volgende veiligheidsadviezen: reservoirs die waterstof bevatten,op een goed geventileerde plaats bewaren. Reservoirs ver verwijderd houden van ontste-kingsbronnen, in de nabijheid niet roken. Passende maatregelen tegen een elektrostatischeoplading van het reservoir nemen. De laatstgenoemde maatregel is de reden voor de zelfkle-vende waarschuwing (die op de watertank van je auto geplakt dient te worden), omdat doorwrijven met droge doeken elektrostatische opladingen in principe mogelijk zijn.Maar tot slot van deze veiligheidsaanwijzingen nogmaals de verwijzing naar de extreem kleinehoeveelheid waterstofgas, die je onverdund in de tank van je experimenteerauto opslaat. Dezehoeveelheid kan met de lucht in de omgevende ruimte in geen geval een explosief mengselvormen.

Uitleg van de begrippen:• Elektrochemie: De elektrochemie is het deelgebied van de chemie, dat zich bezighoudt met de

directe omvorming van chemische in elektrische energie en het overeenkomstige omgekeerde

43

proces. Niet alleen vele grote technische procédés (b.v. het maken van metalen) en dingen uithet dagelijkse leven zoals batterijen berusten op elektrochemische reacties, maar ook centralegebeurtenissen in het leven zoals de overdracht van zenuwimpulsen.

• Elektrode: de elektrode vormt de plek van overgang van een elektrische geleider (kabel) opeen ionische geleider (vloeistof of gas). Als elektroden zijn bijvoorbeeld staven of platen uitgoed geleidende materialen (b.v. van metaal) geschikt.

• Elektrolyse: chemische reacties in vloeistoffen of gassen kunnen door het toevoeren vanstroom (via elektroden) gericht in gang gezet worden, dit proces noemen we elektrolyse.Technisch belangrijke toepassingen van de elektrolyse zijn het produceren van chloor (dit iseen vaak in de chemische industrie benodigde grondstof, hetgeen weerspiegeld wordt in eenwereldjaarproductie van 36,5 miljoen ton in het jaar 1992), edele metalen zoals goud, zilver,koper, lood, tin, nikkel, kobalt, cadmium, chroom, zink en mangaan alsmede verschillendespeciale chemische stoffen zoals perboraat, permanganaat, bruinsteen, chroomzuur en ele-mentair fluor.

• Reductie: als een chemische verbinding bij een elektrode (de kathode) één of meerdere elek-tronen opneemt, spreekt men van reductie. Er ontstaan hierbij in de regel nieuwe verbindingenmet sterk veranderde eigenschappen.

• Oxidatie: als een chemische verbinding bij een elektrode (d.w.z. de anode) één of meerdereelektronen afgeeft, spreekt men van oxidatie. Er ontstaan hierbij in de regel nieuwe verbindin-gen met sterk veranderde eigenschappen.

P9Splitsing van water door middel van elektrolyseWater is gelukkig een zeer stabiele chemische verbinding – tenslotte is het de basis van ons le-ven. In de nu volgende proeven zul je echter zien, dat het heel goed mogelijk is, ook dergelijkestabiele moleculen zoals water “open te breken”. Daartoe bouwen we ons eerste chemische expe-riment op. Uit de experimenteerdoos heb je hiervoor alleen de zonnemodule nodig, dat je in heteerste deel al uitvoerig hebt leren kennen. Alle andere voorwerpen, die je voor de succesvollewatersplitsing nodig hebt, kun je zonder problemen in de keuken of in je bureau vinden: een niethelemaal met water gevulde, niet al te vlakke bak (van glas, keramiek, kunststof), wat aluminium-folie, waar de reageerbuis inpast, een paar theelepels zout en twee paperclips. Omdat het bij diten de volgende proeven om chemische experimenten gaat, is het absoluut noodzakelijk dat je jeaan de veiligheidsvoorschriften houdt en voor alles steeds bij het experimenteren de veiligheidsbrilopzet en pas na afloop van het laatste dergelijke experiment weer afzet en goed opbergt.

Afb. 73: zo vouw je uit een stuk aluminiumfolie je eigen elektrode(zie pagina 50 Duitse handleiding)

Je kunt dit en alle volgende experimenten het beste in de keuken uitvoeren, omdat het bij hethanteren van vloeistoffen zoals water altijd kan gebeuren dat er een beetje “er naast gaat”.In de eerste stap knutsel je uit de aluminiumfolie twee ongeveer even grote elektroden. Hoe datprecies moet is in afbeelding 73 weergegeven. Twee ongeveer even lange en brede stukken vande folie worden van de rol afgesneden, als een harmonica opgevouwen en aansluitend vast sa-mengedrukt. Om in het bovenste gedeelte meer stabiliteit te krijgen, knik je daar een strip van on-geveer 1 cm breed om. Deze vouw dient tegelijkertijd ter bevestiging van de elektroden op de randvan de schaal of bak (om te verhinderen dat ze in de bak glijden of elkaar aanraken, wat tot kort-sluiting zou leiden) en voor de elektrische aansluiting ervan. Om zeker te zijn van dit elektrischecontact, bevestig je de stekkers van de van de stroombron (dat is je zonnemodule) komendesnoeren met een paperclip aan het einde van de aluminium elektrode (zie afb. 74).

44

Afb. 74: voor een zekere bevestiging van de stekkers aan de elektroden gebruik je steeds een paperclip(zie pagina 51 Duitse handleiding)

Voor je de beide elektroden aan de rand van de bak bevestigt zoals afgebeeld in afb. 74, vul je debak met zout water. Drie tot vier theelepels zout, opgelost in normaal leidingwater, zorgen in eengrote koffiebeker (200 ml) voor een voor deze proef voldoende zoutconcentratie.

Voor het oplossen van zout in koud water moet je een beetje geduld hebben en daarbij met eentheelepeltje krachtig roeren. Als je de bak daarbij aanraakt, merk je dat deze steeds kouder wordt.Dat komt, omdat zout een zeer stabiele verbinding is, waarvoor voor het afbreken (het oplossen)energie nodig is, die in de vorm van warmte aan het water onttrokken wordt.

Nu is de elektrolysecel klaar en deze moet nu aangesloten worden op een geschikte gelijkspan-nings- stroomvoorziening. Natuurlijk gebruik je hiervoor de jou reeds vertrouwde zonnemodule,waarvan de aansluitkabels met de beide elektroden verbonden worden (Het maakt bij deze proefin principe niet uit, hoe je deze verbinding aansluit, je moet alleen voor de latere uitwerking vanhet experiment onthouden welke elektrode met de plus- en welke met de minpool verbonden is)en de module voor het opwekken van de stroom met de bureaulamp of natuurlijk met de zon be-licht. De principiële opstelling vindt je afgebeeld in afbeelding 74.

Afb. 75: voor de waterelektrolyse verbind je de beide aansluitkabels van de zonnemodule met de elektroden(zie pagina 51 Duitse handleiding)

Vervolgens verbind je de beide elektroden met de zonnemodule en zorg je door het vastklemmenmet de paperclips de duurzaamheid van de contacten. Dan begin je met het eigenlijke experiment,de waterelektrolyse. Door de belichting van de module met een lamp of, als je op het balkon of hetterras werkt, met de zon produceer je stroom, die nu naar de beide in het water hangende elektro-den geleid wordt. Als je alles goed hebt aangesloten en opgebouwd, zou er nu – zoals afgebeeldin afb. 74 – na een zeer korte tijdvertraging (de wetenschapper noemt dit “inductieperiode”) aaneen van de beide elektroden een echt heftige gasontwikkeling moeten beginnen. Controleer metwelke pool van de zonnemodule deze elektrode verbonden is. Wat zie je aan de andere elektro-de?

Afb. 76: als de zonnemodule belicht wordt, begint aan de met de zwarte kabel verbonden elektrode na kortetijd een heftige gasontwikkeling(zie pagina 51 Duitse handleiding)

Nu willen we eens nadenken wat er bij dit experiment allemaal gebeurd zou kunnen zijn. Je hebteerst door de belichting van de zonnemodule een fotostroom geproduceerd en deze naar tweealuminiumelektroden geleid, die echter niet met elkaar verbonden zijn, maar mooi gescheiden vanelkaar in een waterige zoutoplossing hangen. Je weet, dat stroom alleen kan vloeien – en daar-mee iets kan bewerkstelligen – als een stroomcircuit gesloten wordt. Het geleidend vermogen vanzuiver water is echter zeer klein, d.w.z. het bezit een aanzienlijke weerstand en laat daardoorgeen hoge stroomvloed toe. Door het oplossen van zout in water wordt dit water echter geleidend.Het stroomtransport wordt hier niet zoals in koperen kabels verzorgd door elektronen, maar doorzogenaamde ionen. In het geval van keukenzout (chemisch is dat natriumchloride) zijn dit natrium-en chloorionen, die het water geleidend maken. Dus heb je het stroomcircuit gesloten, doordat jeniet zoals gebruikelijk een gloeilamp of een radio maar de elektrolysecel als verbruiker er tussen-gevoegd hebt.Hier zie je aan de negatieve pool, de zogenaamde kathode, een heftige gasontwikkeling, aan depositieve pool, de anode, ontstaan maar heel weinig luchtbellen. Maar in plaats daarvan begint hetaluminium daar langzaam uit elkaar te vallen en er brokkelen tenslotte hele stukjes vanaf. Deze

45

twee dingen die je ziet duiden op het aflopen van chemische omzettingen, waaraan natuurlijk al-leen de gebruikte stoffen, dus water, aluminium en zout deel kunnen nemen. Zelfs uit deze weini-ge bestanddelen is in principe de vorming van verschillende gassen mogelijk: waterstof en zuur-stof uit water, chloorgas uit de van het opgeloste zout afkomstige chloorionen. Daarom hebben wewat extra informatie nodig om de soort van gevormde gassen aan te kunnen geven. Omdat hetgevormde gas reukloos is – of heb je wel iets geroken? – is de vorming van chloorgas uitgesloten:chloorgas heeft een bijtende geur, die je misschien uit het zwembad kent. Daar wordt deze sub-stantie gebruikt om het water te desinfecteren. Omdat de gasontwikkeling bovendien aan de ka-thode plaatsvindt, is ook zuurstof als gevormd gas uitgesloten. Omdat – zoals we in de volgendeproef nog uitvoerig zullen uitleggen – zuurstof een oxidatieproduct is van water, zou het alleen aande anode gevormd kunnen worden. Daarom ligt het vermoeden voor de hand, dat het bij het hiergevormde gas om moleculaire waterstof gaat. Het ondubbelzinnige bewijs van de waterstofvor-ming wordt echter pas in de volgende proef geleverd.Iets makkelijker is de verklaring van wat er gebeurt aan de andere elektrode, de anode. Hier hebje namelijk het gedeeltelijk oplossen van het aluminium gezien. Nu weet men, dat metalen niet zomakkelijk – en helemaal niet in onveranderde vorm – in water opgelost kunnen worden. Als relatiefonedel metaal kan men aluminium echter heel makkelijk oxideren. De daarbij gevormde alumini-umionen lossen goed en snel op in water. Ze zijn echter heel klein en daarom voor het oog volle-dig onzichtbaar. De kleine brokjes, die je in de elektrolysecel ziet ronddobberen, bestaan daarommet zekerheid uit metalliek aluminium. Ze konden losweken van de elektrode, omdat in de dieperdaaronder liggende lagen aluminiumionen gevormd werden, die in het water zijn opgelost en zohet metaalverband gestoord hebben. Voor we nu het totale proces dat we op gang gebracht heb-ben door het aanleggen van de fotospanning van de zonnemodule aan de elektrolysecel, ook nogin een iets wetenschappelijkere vorm opschrijven, willen we het gevormde gas een beetje precie-zer onder de loep – of beter gezegd in de reageerbuis – nemen.

P10Knalgastest voor het bewijzen van waterstof Raden kan bij menige TV- quiz tot snelle resultaten en misschien zelfs tot een heleboel geld lei-den, voor de wetenschap is deze eigenschap echter absoluut niet geschikt. Nadat de weten-schapper op basis van zijn eerste overwegingen een idee heeft ontwikkeld wat er bij zijn proefgebeurd zou kunnen zijn, past hij zo simpel mogelijke maar tegelijkertijd ook ondubbelzinnigemethodes toe, om zekerheid te verkrijgen over het exacte verloop van de door hem bekeken ge-beurtenissen. Deze wetenschappelijke werkwijze willen wij bij het voorbeeld van het in de voor-gaande proef aan de kathode (dus met de negatieve pool van de zonnemodule verbonden alumi-niumelektrode) gevormde gas eens in de praktijk bekijken.Zoals je in de vorige proef hebt gezien, vindt de gasontwikkeling gelijkmatig plaats over het gehelein de oplossing gedompelde oppervlak van de elektrode, in de vorm van hele kleine belletjes. Om-dat we echter voor onze volgende proef zoveel mogelijk gas in korte tijd willen opvangen, moet jede aluminium elektrode zoals weergegeven in afb. 74 omknikken, zodat deze daarna in het waterspits toeloopt. Als de elektrode weer in het water hangt en je de elektrolyse door het inschakelenvan de lamp resp. door de belichting van de zonnemodule door de zon opnieuw start, zouden degaspareltjes nu veel meer gebundeld op moeten stijgen.

Afb. 77: door een knik in de elektrode kun je de gasbelletjes bundelen, om ze beter op te vangen(zie pagina 52 Duitse handleiding)

Nu leg je de dingen klaar, die je voor de proef nodig hebt. De veiligheidsbril heb je natuurlijk bogop je neus! Van je ouders leen je een kaars of een theelichtje, dat je aansteekt en op de tafel voorje binnen bereik neerzet. Verder heb je een reageerbuis nodig.

46

Afb. 78: eerst wordt de reageerbuis helemaal met water gevuld(zie pagina 53 Duitse handleiding)

Afb. 79: Nu til je de volle reageerbuis op en trek je hem uit het water, zonderer luchtbellen in te laten(zie pagina 53 Duitse handleiding)

Afb. 80: Zo vang je de gasbelletjes op in de reageerbuis (zie pagina 53 Duitse handleiding)

Afb. 81 Zodra de reageerbus helemaal met gas gevuld is, beweeg je hem zonder omdraaien naar de vlam(zie pagina 53 Duitse handleiding)

En dan kan de proef beginnen. Eerst dompel je de reageerbuis zoals afgebeeld in afb. 88 lang-zaam in het water en vult hem daardoor volledig (!) met water. Dan kantel je de volle reageerbuislangzaam met het gesloten einde naar boven en trekt hem uit het water (afb. 79). Daarbij moet deopening van de reageerbuis steeds onder het wateroppervlak blijven, omdat er anders luchtbelleninkomen en je weer van voren af aan moet beginnen. Nu beweeg je de gekantelde reageerbuislangzaam met de opening naar de aluminiumkathode en probeert daar – zoals in afbeelding 80 tezien is – indien mogelijk alle gasbelletjes op te vangen. Deze zijn lichter dan water en stijgen in dereageerbuis naar boven, waar zich nu een steeds groter wordende gasbel vormt.Terwijl je de reageerbuis rustig boven de elektrode houdt, heb je de tijd om over een vraag na tedenken: waarom blijft het water in de omgekeerde reageerbuis en vloeit het niet direct terug in debak? (Hulpje: denk aan de luchtdruk).In de loop van de tijd wordt de reageerbuis met gas gevuld. Je hebt wat geduld nodig, maar dat isvoor een wetenschapper altijd al een zeer belangrijke eigenschap! Als de buis helemaal met gasis gevuld, beginnen de gasbelletjes aan de buitenkant ervan naar boven te stijgen. Dat kan heellang duren. Als de reageerbuis pas voor een derde met gas is gevuld, kun je de gasanalyse, dezogenaamde knalgastest, ook al uitvoeren. Je tilt daarvoor, zoals je in afb. 81 ziet, de reageerbuisuit de waterbak, waarbij de opening steeds naar beneden moet wijzen. Nu beweeg je de met glasgevulde buis vlug in de richting van de kaarsvlam en houdt hem met de opening vlak boven devlam. Beschrijf wat je ziet!Nu haal je de reageerbuis weer weg en brengt hem opnieuw naar de vlam. Wat gebeurt er nu?Je hebt de eerste keer, dus toen je de reageerbuis met het door de elektrolyse gevormde gas ge-vuld was, een duidelijk “plop” gehoord. Bij de tweede keer gebeurde er niets. Deze “plop” is deknal van de knalgastest, waarmee waterstof bewezen wordt. Door de vlam wordt het waterstofgas,dat je in de reageerbuis had opgevangen en dat heel graag reageert, in één keer verbrand. Daar-na is de reageerbuis weer met heel gewone lucht gevuld, die natuurlijk niet meer reageert.

Nu wordt het langzaam aan tijd, de in beide voorgaande proeven gedane waarnemingen weten-schappelijk te verklaren:Je hebt met behulp van de belichte zonnemodule een elektrische stroom aangesloten op twee ineen waterige zoutoplossing hangende aluminium- elektroden. Daardoor werd aan de met de ne-gatieve pool van de zonnecel (de kathode) waterstofgas gevormd, wat door de knalgastest kwali-tatief bewezen werd. Waterstofgas heeft chemisch de formule H2. Het kan uit water, chemischH2O, door opname van elektronen (e-, het minteken bovenaan geeft de negatieve lading aan) ge-vormd worden. Deze procedure noemen we reductie en dit wordt uitgedrukt met een zogenaamdereactievergelijking:

H2O + 2 e- --> H2 (↑) + 2 O2- (1)

47

De pijl ↑ bij H2 geeft aan, dat het gevormde product een gas is, dat zich graag naar boven be-weegt.

Uit de eerste serie proeven bij het thema “Zonnemodule” weet je al, dat in een stroomcircuit geenelektronen verloren kunnen gaan. Daarom moeten de elektronen, die door de oplossing aan dekathode opgenomen werden, aan de anode weer aan het stroomcircuit teruggegeven worden.Daar heb je naast de vorming van een paar gasbelletjes vooral het oplossen van de aluminium-elektrode gezien. Omdat jouw oplossing behoorlijk veel zout bevat (chemische aanduiding NaClvoor natriumchloride) bevat, gaat het hier bij de gasvorming vermoedelijk om de oxidatie vanchloor- ionen (Cl-) tot chloorgas (Cl2, waarvoor de chemicus de volgende reactievergelijking heeft:

2 Cl- --> Cl2 (↑) + 2 e- (2)

De hoofdzakelijk opgetreden oplossing van metalliek aluminium (chemisch Al) onder vorming vanin het water oplosbare aluminium- ionen wordt qua formule als volgt uitgedrukt:

Al --> Al3+ = 3e- (3)

Door beide reacties worden er aan de anode elektronen afgegeven, waardoor zoals moet, hetstroomcircuit gesloten wordt. Een dergelijke afgifte van elektronen noemt men oxidatie. Voor deexperts onder jullie dient nog gezegd te worden dat er vanwege de vorming van steeds drie elek-tronen bij de overgang van metalliek aluminium tot de in het water oplosbare Al3+ -ionen natuurlijksteeds drie moleculen watergas gevormd worden, als twee Al3+ -ionen opgelost worden. Anderszou de elektronenbalans niet kloppen.

Zo, nadat je in zo’n korte tijd heel veel nieuwe dingen hebt geleerd over de elektrochemie, mag jeeen pauze houden en opruimen, voor je verder gaat met de volgende proef. Nadat je de lamp hebtuitgedaan en de zonnemodule losgemaakt hebt van de elektroden, verwijder je de overgeblevenstukken aluminium met het overige metaalafval in huis. Het zoute water bevat weliswaar nog eenpaar aluminiumionen, maar die zijn volkomen onschadelijk. Daarom kun je de hele zoutoplossingzonder bezwaar via de gootsteen weggieten en de bak of schaal weer in de keukenkast zetten,nadat je hem afgewassen en afgedroogd hebt. Vergeet niet de kaars weer uit te blazen!

P11Kalibrering (“uitliteren”) van de gastankNu willen we eindelijk beginnen met het in elkaar zetten van de brandstofcel! Tenslotte is dit tochhet hoofdthema van je Kosmos- experimenteerdoos en tot nu toe heb je op een of andere manier“alleen nog maar” proeven vooraf gedaan. De brandstofcel in zijn eigenlijke functie zullen weechter pas later gebruiken. Maar we hopen, dat je de hierna volgende experimenten minstenseven interessant zult vinden, omdat ze een heel unieke eigenschap van je brandstofcel zullenopenbaren: namelijk de reversibiliteit (d.w.z. de omkeerbaarheid) ervan.Maar daarover later meer, nu wordt er eerst gebouwd. Omdat we nauwelijks kunnen aannemendat je al een volledige opleiding tot dokter of verpleger/ verpleegster achter de rug hebt, zullen weje eerst maar eens het juiste omgaan met de bijgevoegde injectiespuit leren. “Juist” betekent bijspuiten in het algemeen, dat je alle luchtbellen uitsluit en werkelijk alleen maar datgene inspuit watje ook wilt hebben. In ons geval zal dat gedestilleerd water zijn.

Om alle proeven zonder problemen uit te kunnen voeren, heb je minstens 250 mlgedestilleerd water nodig. Je kunt gedestilleerd water kopen bij drogist of apotheek.Je kunt het ook kopen bij tankstations, waar het als accuwater verkocht wordt, ofaan je leraar schei- of natuurkunde op school vragen of hij je wat geeft. Lees daartoe

48

beslist de veiligheidsaanwijzingen, voor je met het gedestilleerde water werkt! je mag nooitgedestilleerd water drinken of het andere mensen of dieren te drinken geven!

Afb. 82: de rode canule wordt met een stukje slang van ca. 6 cm op de spuit aangesloten(zie pagina 55 Duitse handleiding)

Afb. 83: het hele meegeleverde stuk slang wordt in goed passende stukken gesneden(zie pagina 55 Duitse handleiding)

Monteer vervolgens de canule op de spuit, zoals je dat ziet in afb. 82. Daartoe snij je een stuk vanca. 6 cm van de meegeleverde slang af. Om voor alle komende proeven steeds stukjes slang metvoldoende lengte tot je beschikking te hebben, kun je het beste gelijk de hele slang in overeen-komstig lange stukken snijden: er zijn nog twee korte stukken van 5 cm nodig, het overgeblevenstuk slang wordt precies in het midden doorgesneden, waarbij beide helften een lengte van 17 cmmoeten hebben (vergelijk afb. 84). Om het eerste afgesneden stuk van 6 cm makkelijker op decanule resp. op de spuit te kunnen schuiven, moet je de beide uiteinden een poosje tussen jeduim en wijsvinger kneden. Daardoor worden ze zachter en kunnen ze ook beter uitgerekt wor-den.Maar nu over het werken met de spuit zelf. Vul wat gedestilleerd water in een beker. Eerst druk jede stempel van de spuit helemaal naar beneden, om zoveel mogelijk lucht er uit te verwijderen.Dan dompel je het eind van de canule in de beker, houdt hem onder water en begint, de stempelvan de spuit langzaam er uit te trekken (afb. 84).

Uiterlijk als de stempel de 20 ml- markering bereikt heeft, houd je op met trekken. Als je nu precieskijkt, zie je dat er nog luchtbellen in de spuit zitten, die eerst in de slang resp. in de canule zaten.Om die definitief kwijt te raken, draai je de spuit om, zodat de opening naar boven wijst. Daardoorstijgt, zoals je in afb. 85 ziet, de luchtbel naar boven. Eventueel moet je daarbij door zacht tegende spuit te tikken met je vinger een beetje helpen. Als de luchtbel bij de uitgangsopening van despuit is gekomen, druk je hem er met de stempel langzaam naar buiten. (Als de luchtbel heel kleinis, moet je de enigszins schuin gehouden spuit zo draaien, dat de aansluiting van de canule bovenligt. Je gaat met deze beweging langzaam (!) en meet veel gevoel zo lang door, tot de eerste wa-terdruppels uit de canule komen. Nu kun je er zeker van zijn, dat je zonder luchtbellen verder kuntwerken. Het zal zeker een poosje duren, tot je het werken met de spuit zo gevoelvol beheerst, datje het ook boven jullie woonkamertapijt kunt doen zonder te morsen. Maar laat het er liever niet opaankomen en blijf met het opbouwen van je proef in de keuken, de badkamer of buiten op het bal-kon of terras.

Afb. 84: eerst vul je de spuit met gedestilleerd water(zie pagina 55 Duitse handleiding)

Afb. 85: nu verwijder je alle luchtbellen uit de omgedraaide spuit(zie pagina 56 Duitse handleiding)

Als volgende gebruik je de net aangeleerde vaardigheid in het omgaan met de spuit, om het volu-me van de beide gastanks te bepalen. In je experimenteerdoos zit een zelfklevend stuk folie, waarde voor de tanks bedoelde opschriften opstaan. Zoals er op het vel staat, knip je eerst alle drieetiketten uit en trekt er daarna de zelfklevende folie af en plakt ze zoals afgebeeld in afb. 86 zoexact mogelijk op de gastanks resp. de waarschuwing boven op de watertank. Je moet er daarbijop letten, dat je het “waterstof”- etiket op de grotere, het “zuurstof”- etiket op de kleinere tank plakt.

Afb. 86: de zelfklevende etiketten worden uitgeknipt en op de beide gastanks en op de watertank van deauto geplakt (zie pagina 56 Duitse handleiding)

49

Nu bezitten beide tanks een verdeling, waarvan je de precisie in ieder geval moet controleren.Hiertoe sluit je eerst de kleine opening van de tank met een stuk plakband, en controleert dat ditgeen water doorlaat, Aansluitend plaats je het geheel op een tafelblad (afb. 87). Vul dan je spuit(zonder bellen!) tot precies aan de 15 ml- markering met gedestilleerd water en spuit daarvan pre-cies 3 ml in één van beide tanks. Noteer in de onderstaande tabel, tot aan welke markering op detank het water staat. Om de waarde correct af te lezen, kijk je zo op de tank, dat je het waterop-pervlak slechts als een streep ziet. Vuil nu nogmaals 3 ml water in de tank en schrijf wederom dewaarde op de tank in de tabel. Ga door het de proef, tot de eerste tank volledig met water is ge-vuld en noteer ook de totale inhoud van de tank. Maak de tank leeg en voer een soortgelijkemeetserie uit met de tweede tank.

Afb. 87: je moet de precisie van de tankindeling in ieder geval controleren. Noteer de waarden in de bijbeho-rende tabel (zie pagina 56 Duitse handleiding)

Nu heb je de tankinhoud van beide tanks gekalibreerd (d.w.z. “naar de juiste maat gemeten”) enkun je later uit jouw tabel het exacte volume voor een bereikte vulhoogte in de tank aangeven.

Water tankaanduiding (ml) H2 O2

(zie tabel op pagina 56 Duitse handleiding)

P12Opbouw en vullen van de brandstofcelIn deze proef bereid je de brandstofcel voor op het eerste gebruik als elektrolysecel. De eigenlijkebrandstofcel ligt voorgemonteerd in je Kosmos- experimenteerdoos. Dat heeft een goede reden:hij bestaat namelijk uit vele, voor een deel zeer gevoelige onderdelen, die in een precies voorge-schreven volgorde en met grote zorgvuldigheid samengevoegd moeten worden. Opdat zich geenongewenste moeilijkheden voordoen, is dit al door goed geschoolde experts voor jou gedaan. La-ter zul je echter toch nog precies leren, uit welke aparte onderdelen de brandstofcel bestaat en ofen hoe je ze uit elkaar kunt halen – maar vooral ook weer kunt samenbouwen. Voor de volgendeexperimenten gebruik je steeds de cel zoals je die in je bouwdoos vindt en probeer je in geen ge-val, de cel op een of andere manier uit elkaar te halen.

Afb. 88: aan beide kanten van de brandstofcel worden de op maat gesneden stukken slang gemonteerd enaan het andere uiteinde voorzien van afsluitdoppen resp. buisjes(zie pagina 57 Duitse handleiding)

Als eerste neem je de beide 5 cm lange stukken slang, die je bij de vorige proef al opzij gelegdhebt, en schuift ze zoals je ziet in afb. 88 op de beide bovenste buisjes aan beide kanten van debrandstofcel. De beide vrije uiteinden sluit je af met een rode afsluitdop. De beide stukken slangvan 17 cm worden steeds met de beide onderste buisjes van de brandstofcel verbonden en aanhet andere eind voorzien van een doorzichtige afsluitdop.Nu plaats je de brandstofcel zoals te zien in afb. 89 in de gleuf in het midden van de auto. Omlatere verwisselingen te voorkomen, is het belangrijk dat de kant die rood gemarkeerd is in de rij-richting (de tank zit bij de auto achter, de zonnemodule voor) aan de rechterkant van de auto ge-plaatst wordt.In de tekening is om te zien hoe de aansluitingenverlopen het zonnepaneel er afgehaald

Afb. 89: Nu wordt de brandstofcel op de wagen in de gleuf geplaatst, waarbij de rood gemarkeerdekant in de rijrichting rechts geplaatst is (zie pagina 58 Duitse handleiding)

50

Als volgende stap verbind je alle elektrische aansluitingen, die je voor het gebruik van de brand-stofcel voor de waterelektrolyse nodig hebt. Aan de waterstofkant (in de rijrichting rechts, vergelijkafb. 89) worden alle rode aansluitingen geplaatst: de kabel van de pluspool van de zonnemodule,de rode kabel naar de brandstofcel alsmede de rode kabel van de externe meetaansluiting wordenop één van de stekkerstrips aan de rechterkant van de auto gestoken zoals je ziet in afb. 89. Opdezelfde manier doe je het met de zwarte kabels aan de andere kant van de brandstofcel. In geengeval mogen rode en zwarte kabels zich na de elektrische aansluiting op dezelfde strip bevinden!Nu komt het laatste en belangrijkste gedeelte van de aansluiting: de cel vullen met gedestilleerdwater. Daartoe vul je eerst maar eens wat gedestilleerd water in een vlakke schaal of bak, waarinde reageerbuis past, en hangt het vrije uiteinde van de lange slang aan een van beide kanten vande brandstofcel er in (zie afb. 90). Dan open je de rode afsluitkap, die je op het korte bovenstestuk slang aan dezelfde kant van de brandstofcel zit en sluit daar de capillaire buis van de spuit opaan.

Afb. 90: zo vul je beide kanten van de brandstofcel zonder luchtbellen met gedestilleerd water(zie pagina 58 Duitse handleiding)

Nu trek je, zoals je ziet in afb. 90, met de spuit eerst alle lucht uit slangen en brandstofcel tot hethele systeem gevuld is met water. Dat het vol is, merk je natuurlijk, omdat je spuit zich nu lang-zaam met water vult. Nadat je de spuit van de korte slang afgetrokken hebt, sluit je de slang snelmet de rode afsluitdop. Daardoor vermijd je, dat het water weer terugvloeit in de schaal. Je kunthet beste de slang met duim en wijsvinger afklemmen, voor je de spuit er aftrekt. Hetzelfde doe jeaan de andere kant van de brandstofcel, terwijl de uiteinden van de lange stukken slang zichsteeds onder het wateroppervlak moeten bevinden. Let er op, dat de waterstand in de schaal vol-doende is en bevestig de slangen met een stukje plakband aan de rand van de bak (afb. 91). Zokun je voorkomen, dat je met de spuit lucht aanzuigt. En tot slot nog één keer de waarschuwing:Vul de brandstofcel alleen met gedestilleerd water! Gebruik geen leidingwater!

Afb. 91: zo zou je proefopstelling voor het spitsen van water in de brandstofcel er uit moeten zien

(zie pagina 59 Duitse handleiding)

P13Het splitsen van water in de brandstofcelBij het kopje boven deze proef denk je beslist, dat je nu proef 9 gewoon weer moet herhalen. Maarje zult al gauw merken, dat jouw brandstofcel een veel betere elektrolyseur is, dan de zelf in elkaargeknutselde aluminiumelektroden in de zoutoplossing ooit zouden kunnen zijn.In de vorige proef heb je al de opbouw van de proef voorbereid, waarmee je nu de elektrolyse vanwater zult beginnen. De brandstofcel is zonder luchtbellen gevuld met water, alle noodzakelijkeelektrische kabels heb je al aangesloten (afb. 89). De uiteinden van de beide lange slangen, dievan de brandstofcel komen, bevinden zich onder het wateroppervlak in de bak, die je nog van devorige proef op tafel hebt staan. Nu hoef je allen nog maar te zorgen voor voldoende belichtingvan de zonnemodule, om te beginnen met de elektrolyse.De totale opbouw is voor alle zekerheid nogmaals weergegeven in afb. 91. Zodra je de lamp in-schakelt, moet het eigenlijk beginnen: de eerste gasbelletjes worstelen zich aan beide kanten vande brandstofcel door de nauwe slangen, verdringen langzaam het water in de lange slangen enbereiken uiteindelijk de bak, waar ze langzaam naar boven parelen.Bedenk maar eens, welke wezenlijke verschillen je in vergelijking met de elektrolyse in de zout-oplossing (proef 9) kunt zien!

51

P14Kwalitatieve gasanalyses: knalgastest voor het bewijzen van waterstof, glimproef voor hetbewijzen van zuurstofHoe je waterstof kunt aantonen heb je al geleerd. In deze proef zul je bovendien ervaren, hoe zui-vere zuurstof het simpelste bewezen kan worden. Maar eerst willen we met het bewijzen van wa-terstof beginnen.Daartoe moet je natuurlijk eerst overleggen, aan welke kant van de brandstofcel eigenlijk het wa-terstofgas gevormd wordt. In tegenstelling tot de elektrolyse van de waterige zoutoplossing wor-den ditmaal aan beide kanten van de brandstofcel gassen gevormd en je ziet, tot je geluk, geen uitelkaar val- verschijningen aan de elektroden. Op grond van je evaluatie van de proeven 9 en 10weet je echter, dat waterstofgas gevormd wordt via het opnemen van elektronen van het wateraan de kathode van een elektro- chemische cel (reactie (1) uit het groene gedeelte op pagina 54).Ter herinnering: de kathode is de elektrode, die met de negatieve pool van de zonnecel verbon-den is. Als je nu goed kijkt naar de opbouw van proef 13 en de elektrische verbindingen volgt, zulje zien, dat de negatieve pool van de zonnecel (d.w.z. de zwarte kabel) weliswaar van de linker-kant van de auto komt, maar door de stekker éénmaal door de brandstofcel geleid wordt. Het ligtdaarom voor de hand te vermoeden dat het aan de rechterkant van de auto gevormde gas water-stof is (in de techniek worden gasflessen die waterstof bevatten, steeds door een rode kleur ge-kenmerkt. Om dezelfde reden is ook de waterstofgas producerende kant van de brandstofcel roodgemarkeerd!). Als je overigens nog eens goed kijkt, zul je vaststellen dat aan deze kant ook aan-zienlijk meer gas geproduceerd wordt. (Hoe snel de gasontwikkeling gaat, zullen we in de volgen-de proef exact vaststellen.) Om te controleren of het bij het zich aan de rechterkant gevormde gasdaadwerkelijk om waterstofgas gaat, zul je de al uit proef 10 bekende knalgastest uitvoeren metdit gas.Je kunt bij elk van beide gasanalyses het beste steeds de andere slang uit de waterbak halen.Daardoor vermijd je de onnodige verwisselingen. De technische uitvoering van de knalgastesthebben we al in de afbeeldingen 78 t/m 81 beschreven. Je brandende kaars heb je vanzelfspre-kend al van tevoren klaargezet. Ook voor de rest ken je het verdere verloop van de proef al uitproef 10.Nadat je nu geanalyseerd hebt, dat het aan de rechterkant van de brandstofcel gevormde gaswaterstofgas is, voer je dezelfde test ook uit met het aan de andere kant van de brandstofcel ge-vormde gas. Wat is het resultaat van deze tweede analyse? Natuurlijk, zul je zeggen, hoe kan erook aan beide kanten hetzelfde gas gevormd worden? Dus is er een nieuwe test nodig. In tegen-stelling tot de elektrolyse uit proef 9/10 breng je immers in de brandstofcel heel zuiver (gedestil-leerd) water in, zodat een oxidatie van opgeloste ionen net zo als bij reactie (2) van de chloor-ionen (groene box, blz. 54) niet mogelijk is. Ook het oplossen van de elektroden kun je niet zien,zodat een procedure zoals beschreven in reactie (3) (groene box, pag. 54) beschreven, niet mo-gelijk is. Wat blijven er dan eigenlijk aan mogelijkheden over? Nou, net zo als je water kunt redu-ceren en daarbij waterstof kunt produceren, kan men het natuurlijk ook oxideren. En daarbij ont-staat het bekendste oxidatieproduct van water, de zuurstof, waarvan er gelukkig genoeg in delucht om ons heen zit om te ademen. En natuurlijk is er ook een simpele maar tegelijk overduide-lijke test om zuurstof aan te tonen: de glimproef.Voor het uitvoeren van de glimproef heb je naast de tot nu toe gebruikte gereedschappen (rea-geerbuis en kaars) alleen nog een houtspaander nodig (of een zeer dikke en lange lucifer). Terwijlje nu het gas, dat uit de kleinere tank naar boven parelt, met de reageerbuis opvangt, breng je depunt van de houtspaander tot gloeien (afb. 92). Zodra de reageerbuis helemaal met het gas ge-vuld is, til je hem omhoog, zonder hem daarbij te draaien. Dan breng je van onderen de nog zwakgloeiende houtspaander in de reageerbuis. Wat zie je? Zuurstof is zoals bekend een zogenaamdbrandbevorderend gas, zonder zuurstof moeten alle vlammen doven. Als men nu anderzijds inplaats van lucht, die voor ongeveer 21% uit zuurstof bestaat, zuivere zuurstof tot zijn beschikkingheeft, lukt het om vlammen, die al bijna gedoofd zijn, weer tot branden te brengen. Dat is het prin-

52

cipe van de glimproef, die je net hebt leren kennen en met succes uitgevoerd hebt. Toe maar! Jemoet er daarbij alleen op letten, dat je reageerbuis werkelijk helemaal met zuurstof gevuld is. Datzal wat langer dan een half uur duren. En wat gebeurt er dan met de gloeiende houtspaander?Nou ja, we hebben eigenlijk alles al gezegd: “zonder zuurstof moeten alle vlammen doven”. Maarproberen gaat zoals bekend boven studeren.(zie pagina 56 Duitse handleiding)

Afb. 92: voor het uitvoeren van de glimproef heb je een zwak gloeiende houtspaander nodig, die jevan onderen in de met gas gevulde reageerbuis houdt.(zie pagina 60 Duitse handleiding)

Nu is het natuurlijk weer tijd, om de resultaten van de proef uit te drukken in de formuletaal van descheikundigen. Door de glimproef heb je immers aangetoond dat er aan de met de positieve poolvan de zonnecel verbonden elektrode (de anode) gasvormige zuurstof gevormd wordt. Zuurstofheeft de chemische formule O2. Het kan gevormd worden uit water, chemisch H2O gevormd wor-den dor afgifte van elektronen e-. Zoals je al weet, wordt deze procedure aangeduid als oxidatieen wordt het chemisch uitgedrukt door de formule:

H2O → ½ O2 (↑) + 2 H+ + 2 e- (4)

De pijl • bij O2 geeft weer aan, dat het gevormde product als gas uit de oplossing ontsnapt. Opdatje niet steeds terug hoeft te bladeren, zullen we hier voor de overzichtelijkheid nogmaals de reac-tievergelijking van de aan de kathode aflopende reductie van water opschrijven:

H2O + 2e- → H2 (↑) + O2- (1)

De reacties (1) en (4) vinden dus gelijktijdig plaats op verschillende plaatsen in onze brandstofcel.(Waar precies zul je in een later hoofdstuk nog te weten komen) Onze elektronenbalans kloptvoorlopig weer uitstekend: de beide aan de anode door een watermolecuul afgegeven elektronenworden aan de kathode door een ander watermolecuul weer opgenomen. Het stroomcircuit isdaardoor gesloten. Maar we kunnen onze elektronenbalans nog verder doorvoeren: Aan de anodeworden twee H+ - ionen gevormd, die samen met een O2- - ion, dat aan de kathode geproduceerdwordt, direct weer een watermolecuul vormen, als men ze bij elkaar laat komen. En natuurlijk isonze brandstofcel zo gebouwd, dat de beide ionen elkaar weer op een zogenaamd ionen- uitwis-selingsmembraan vinden en het watermolecuul kunnen vormen. Nu blijft er van onze beide verge-lijkingen werkelijk niet veel meer over: in totaal hebben we maar één watermolecuul gebruikt endaaruit één molecuul waterstof en een half molecuul zuurstof geproduceerd. Om deze hele proce-dure mogelijk te maken, hoeven er alleen maar twee elektronen door het stroomcircuit te vloeien.Het overblijvende totaal uit beide reactievergelijkingen (1) en (4) willen we nog een keer samenopschrijven:

H2O → H2 (↑) + ½ O2 H2 (↑) (5)

Vergelijking (5) is de zogenoemde totaalformule van de watersplitsing. Dit is een wezenlijk proces,om ook in de toekomst brandstoffen die opgeslagen kunnen worden beschikbaar te kunnen stel-len. Door de combinatie van een zonnemodule, die uit zonne-energie stroom kan produceren eneen brandstofcel, die deze stroom kan benutten voor de waterelektrolyse, staat ons hier blijkbaareen zeer elegante manier tot onze beschikking om dit belangrijke proces te realiseren. Hoe effici-ent deze combinatie functioneert, kun je in de nu volgende experimenten direct meten en bereke-nen.

53

P15Kwantitatieve metingen van de hoeveelheden gasvormingNadat we voor de beide gasstromen die bij de waterelektrolyse gevormd worden, de vraag naarhet “wat” duidelijk beantwoord hebben, zullen we ons nu wenden tot het “hoeveel?”, de zoge-noemde kwantitatieve (de hoeveelheid betreffende) analyse van de gevormde gassen. Voor hetmeten van de gevormde gashoeveelheden dienen de beide tanks, die je al uit proef 11 hebt lerenkennen. Nu kun je de tanks op je auto monteren en met de brandstofcel verbinden.

Afb. 93: voor de montage van de gastanks op de auto moet je de van de brandstofcel losgemaakte stukkenslang van 17 cm van binnen door de bovenste openingen steken(zie pagina 61 Duitse handleiding)

Eerst trek je daarvoor de beide langere stukken slang voorzichtig weer van de brandstofcel. Danworden de slangen van binnen door de beide bovenste tankopeningen gestoken (afb. 93) tot demet de afsluitdoppen voorziene uiteinden voelbaar inklikken. Tenslotte wordt de totale tankeen-heid in het lege waterbassin op het achterste gedeelte van de auto geschoven, waarbij de groterewaterstoftank aan de rechter, de kleinere zuurstoftank aan de linkerkant van de auto geplaatstwordt (afb. 94). Dat kan een beetje lastig gaan, wat vanwege de later gewenste gasdichtheidechter niet anders mogelijk is. Je moet echter in geen geval geweld gebruiken en er steeds opletten, dat de tanks niet gekanteld zijn. Ter afsluiting verbind je de beide vrije uiteinden van deslangen weer met de juiste buisjes aan beide kanten van de brandstofcel.Nu vul je de brandstofcel weer met gedestilleerd water. Daartoe schenk je eerst maar eens zoveelgedestilleerd water in de achter op de auto aangebrachte voorraadtank, dat deze net niet over-loopt. Dan trek je, zoals beschreven in proef 12, aan beide kanten van de brandstofcel met despuit eerst alle lucht uit de gastank, slangen en brandstof tot tenslotte het hele systeem met watergevuld is. (Vanwege het grote gasvolume, dat zich oorspronkelijk in het systeem bevindt, is hetonder omstandigheden nodig, de spuit meer dan één keer te gebruiken, voor het systeem metwater gevuld is.) Let er steeds op, dat de vulstand in het watervoorraadvat voldoende is, voor jemet de spuit zuigt, omdat je anders eventueel weer nieuwe lucht aanzuigt. Eventueel moet je nogwater in de tank bijvullen. En tot slot nogmaals de waarschuwing: vul de brandstofcel alleenmet gedestilleerd water! Gebruik geen leidingwater!

De juiste aansluitingen van de gas- en elektro- leidingen voor deze proef zijn afgebeeld in afb. 95.Vergelijk de opbouw nogmaals precies met deze tekening, voor je met de meting begint. Je hebtnog een stopwatch of op zijn minst een horloge of een wekker met een secondewijzer nodig.

Afb. 94: nu schuif je de gastanks in het waterreservoir, zonder ze daarbij te kantelen(zie pagina 62 Duitse handleiding)

In de tekening is om te zien hoe de aansluitingenverlopen het zonnepaneel er afgehaald

Afb. 95: Controleer svp precies, of je ook werkelijk alle gas- en elektro- leidingen juist aangesloten hebt,voor je met de waterelektrolyse begint(zie pagina 62 Duitse handleiding)

Tijdsduur gevormd Tijdsduur gevormd Tijdsduur gevormd tijdsduur gevormd (s) gasvolume (ml) (s) gasvolume (ml) (s) gasvolume (ml) (s) gasvolume (ml)

Afb. 96: In deze tabel kun je het bij de elektrolyse Afb. 97: Deze tabel gebruik je voor het in-vullen van gevormde volume waterstofgas invullen het gevormde zuurstofgasvolume

54

Afb. 98: zo zou het de ingevulde gashoeveelheid er in afhankelijkheid van de tijd uit moeten zien(zie pagina 63 Duitse handleiding)

Nu begin je met de eigenlijke proef, door de zonnemodule te belichten met de lamp en zo deelektrolyse in gang zet. Omdat de meetwaarden van de proeven 15 en 16 bij proef 17 gebruiktworden om het rendement van de elektrolyse te berekenen, is het bijzondere belangrijk dat je bij al(!) deze proeven steeds vergelijkbare bestralingscondities hebt. Dit bereik je, door de opstellingvan lamp en zonnemodule bij alle proeven gelijk te laten en noch de auto noch de lamp verschuift!Maak daarom de zonnemodule weer los van het chassis en plak het vast met plakband.

Afb. 99: in deze grafiek kun je jouw meetwaarden uit de tabellen 96 en 97 invullen(zie pagina 63 Duitse handleiding)

Je maakt nu de beslissing bij welke tank je eerst wilt meten en kijkt daar dan heel nauwkeurignaar. Zodra de eerste gasbelletjes de bovenste gasinlaat van de tank bereiken, begin je met detijdmeting. Na 15 seconden neem je de eerste meetwaarde op, door af te lezen tot aan welkemarkering de tank nu gevuld is en deze waarde vul je in in de tweede kolom van tabel 96 resp. 97.Elke 15 sec neem je nu een dergelijke meetwaarde op en schrijft die in de tabel. Als de tank he-lemaal met gas gevuld is, beëindig je de eerste meting. Nu moet je nog met de tabel, die je inproef 11 bij het kalibreren van de tank opgenomen hebt, de gemeten volumewaarde corrigeren,voor zover je geconstateerd hebt dat de schaalverdeling niet helemaal correct is.No beëindig je de elektrolyse heel eenvoudig, door de lamp uit te schakelen. Dan vul je de tanksen de brandstofcel weer volledig en start een tweede elektrolyse, waarbij je nu de volumemetingaan de andere tank uitvoert. Aan het eind van deze tweede meting moet je weer beslissen of je degemeten volumewaarden nog moet corrigeren. Daarna voer je een zogenoemde grafische evalu-atie uit van de zonet door jou gemeten data. Dat betekent: je brengt, zoals aangegeven in afb. 98,de meetwaarden uit de tabellenkolom 1 resp. 3 (tijdsduur van de proef) over op de x- as en 2 resp.4 (gevormd gasvolume, dat je eventueel gecorrigeerd hebt) op de y- as. Als je alle meetwaardenin afb. 99 ingevoerd hebt, teken je (zoals getoond in afb. 98), een zogenaamde afvlakkingsrechte,die door zo veel mogelijk meetpunten en natuurlijk ook door het nulpunt moet gaan en waarbij deafwijkende meetpunten zo mogelijk gelijk verdeeld boven en onder deze rechte lijn zouden moe-ten liggen. Dezelfde evaluatie voer je uit met de data van de tweede gasmeting, waarbij je dezelf-de grafiek kunt gebruiken.We willen deze grafiek gebruiken, om voor elk gas de snelheid van de vorming ervan te bepalen.In de wetenschap duidt met de snelheid meestal aan als “rate” en spreekt men daarom van gas-vormingsrate. Net als bij een auto de snelheid in de eenheid meter per seconde (m/s) of kilometerper uur (km/h) gemeten wordt, gebruikt men voor de gasvorming milliliter per seconde(ml/s) of liter per uur (l/h).Wiskundig gezien is de snelheid niets anders dan de stijging van de rechte lijn, die je in jouw af-beeldingen ingetekend hebt. Men bepaalt deze stijging heel eenvoudig door een zogenaamdestijgingsdriehoek, zoals deze in kleur in afb. 98 ingetekend is. Om het eenvoudig te houden begin-nen we met de stijgingsdriehoek precies in het nulpunt van de afbeelding. Zoals je ziet, werd er inhet getekende voorbeeld na 100 sec ongeveer 2,7 ml gas gevormd. De gasvormingsrate bedraagtdus 2,7 ml per 100 s oftewel 0,027 ml/s.Uit de beide rechte lijnen in afbeelding 99 bepaal je een vormingssnelheid voor zuurstof en voorwaterstof. Hoe verhouden deze beide waarden zich ten opzichte van elkaar? Probeer de verschil-lende snelheden te verklaren! Aanwijzing: hierbij zou vergelijking (5) je moeten kunnen helpen, diewe uit de vorige proef afgeleid hebben.In de tekening is om te zien hoe de aansluitingen verlopen het zonnepaneel er afgehaald

55

Afb. 100: met deze opbouw van de proef bepaal je de elektrolysespanning (zie pagina 64 Duitse handlei-ding)

In de tekening is om te zien hoe de aansluitingen verlopen het zonnepaneel er afgehaald

Afb. 101: zo moet je de schakeling veranderen, om de elektrolysestroom te meten(zie pagina 65 Duitse handleiding)

P16Elektrische metingen voor de elektrolyse: bepaling van stroom en spanningEen van de belangrijkste vragen bij de omzetting van een procédé in een technisch proces is hetrendement ervan. Onder het rendement verstaat men bij de elektrolyse het aandeel van de in decel gestoken energie, die uiteindelijk omgezet wordt in de brandstof waterstofgas. Omdat, zoals jeal weet, de elektrische energie die afkomstig is van de zonnecel, bepaald wordt door de aange-legde spanning en de daarbij vloeiende stroom, willen we deze beide grootheden in het volgendeexperiment voor de elektrolyse meten.Je bereidt weer alles voor zoals bij proef 15. Met de spuit trek je zo lang water door de beide tanksen de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder luchtbellen met het gedestil-leerde water gevuld zijn. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als in afb. 95. Voor dezekerheid willen we op deze plek nogmaals onze aanwijzing van het laatste experiment herhalen:Omdat je de meetwaarden van de proeven 15 en 16 bij proef 17 zult gebruiken om het rendementvan de elektrolyse te berekenen, is het heel belangrijk dat je bij al (!) deze proeven steeds verge-lijkbare bestralingsomstandigheden hebt. Dat bereik je, door de opstelling van lamp en zonnemo-dule bij alle proeven gelijk te laten.De spanningsmeting gaat heel simpel: zoals je al weet, meet men een spanning door de meterparallel met het stroomcircuit aan te sluiten. Daartoe kun je de op het chassis van de auto aange-brachte meetpunten gebruiken, die je zoals in afb. 100 aangegeven met de multimeter verbindt(let op de juiste poling!).Je begint de elektrolyse opnieuw door het inschakelen van de lamp. Je wacht af, tot je de eerstegasbellen in de tanks ziet en leest dan de waarde voor de elektrolysespanning af. Schrijf dezewaarde op, omdat je die bij de volgende proef beslist nodig hebt voor de berekening. Volg deelektrolyse nog een paar minuten en controleer op regelmatige afstanden de aangegeven span-ningswaarde. Wat stel je vast? Vergelijk de waarde van de elektrolysespanning met de span-ningswaarde die de zonnemodule bij nullast resp. op het MPP levert. Waarom zijn deze waardenverschillend?Je kunt de stroommeting gelijk in aansluiting op de spanningsmeting uitvoeren. Schakel de lampkort uit, om de elektrolyse en daarmee het vloeien van de stroom door de brandstofcel te onder-breken. Voor de stroommeting moet je de multimeter in serie met de andere componenten van hetstroomcircuit schakelen. Eén van de mogelijkheden om dit te doen zie je in afb. 101. Nadat je alleelektrische verbindingen correct veranderd hebt, schakel je eerst de multimeter en dan de lampweer in. Je wacht even tot de elektrolysesnelheid weer heel gelijkmatig verschijnt en leest dan deelektrolysestroom af op de multimeter en noteert ook deze waarde. Volg de elektrolyse nog eenpaar minuten en lees de stroomwaarde op regelmatige afstanden af. Wat zie je? Vergelijk dewaarde van de elektrolysestroom net de stroomwaarde die de zonnemodule bij nullast resp. ophet MPP levert. Waarom zijn deze waarden verschillend?

P17Het rendement van de waterelektrolyseWe hebben in de beide laatste proeven alle grootheden bepaald die we nodig hebben, om hetrendement van de brandstofcel voor de waterstofelektrolyse te berekenen. Voor we echter werke-

56

lijk van start kunnen gaan met het gereken, moeten we eerst nog eens nadenken, omdat het erallemaal op het eerste gezicht misschien nogal gecompliceerd uitziet. Je zult echter in de loop vandit experiment merken, dat het allemaal eigenlijk heel eenvoudig is, als je het principe eenmaalbegrijpt.In het algemeen wordt het rendement van een installatie of machine bepaald via de capaciteit(maar ook bij jouw rendement speelt de capaciteit een belangrijke rol: als je maar heel weinig ge-leerd hebt voor een proefwerk en desondanks een tien haalt, was het rendement heel groot. Als jedaarentegen hard geleerd hebt en je haalt desondanks een slecht resultaat, dan was het rende-ment wel heel er laag!). Om een installatie (hier is het jouw als elektrolyseur werkende brandstof-cel) te laten werken, heb je een bepaalde capaciteit nodig. Deze voer je in jouw geval door de inde belichte zonnemodule geproduceerde elektriciteit in de elektrolyseur. Later wil je uit de installa-tie weer een capaciteit halen. Deze capaciteitsreserve zit in de bij de elektrolyse gevormde brand-stof, dus in het waterstofgas. Nu, en het rendement is precies de verhouding (wiskundig uitge-drukt: het quotiënt) van capaciteitsreserve en ingevoerde capaciteit. Deze verhouding kan hoog-stens de waarde “1”aannemen, omdat men nooit meer capaciteit uit een installatie kan halen danmen er ingestoken heeft. En als men er helemaal geen capaciteit uit kan halen, bedraagt het ren-dement “0”, de installatie is in dit geval blijkbaar ondeugdelijk.

Afb. 102: het is wel een beetje priegelwerk, om het rendement te berekenen(zie pagina 66 Duitse handleiding)

Bij de elektrolyse heeft de brandstofcel de door de zonnemodule opgewekte capaciteit gebruiktvoor de gasproductie. Zoals je al in proef 7 geleerd hebt, is het elektrische vermogen P het pro-duct van de aangelegde spanning U en de stroomsterkte I. Met de eenvoudige formule

P [W] = U [V] x I [A] (6)

kun je dus direct uit de in proef 16 bepaalde waarden de bij de elektrolyse ingevoerde capaciteituitrekenen en krijg je het resultaat ook nog gelijk in de juiste eenheid Watt [W], voorzover je despanning in Volt [V] en de stroom in Ampère [A] gemeten hebt.Het bepalen van de bruikbare capaciteit is een beetje gecompliceerder. Zoals gezegd, deze capa-citeit steekt in het waterstofgas, dat men in een simpele omkering van de vergelijking(5) (groene box pag. 61) weer tot water kan verbranden:

H2 + ½ O2 → H2O (7)

Dat deze reactie het beste in de brandstofcel zelf uitgevoerd kan worden, zul je in het derdehoofdstuk van deze experimenteerdoos nog uitgebreid kunnen lezen. Hier willen we voorlopig al-leen een beetje “spelen” met de getallen. Het vermogen P is heel algemeen de verhouding van degeleverde arbeid resp. energie E tot de daarvoor benodigde tijd t. in formuletaal uitgedrukt is dat

P [W] = E [J] / t [s] (8)

waarbij de energie E in de eenheid Joule [J] en de tijd t in de eenheid seconde [s] gemeten wordt.Door zeer uitvoerige metingen hebben de chemici uitgevonden, hoeveel arbeid maximaal bij deverbranding van watergas volgens de formule (7) geleverd kan worden. Omdat jij je zeker kuntvoorstellen, dat de arbeid die bij de verbranding van een enkel molecuul H2 geleverd kan wordenzeer, zeer klein is, heeft in de chemie deze arbeid steeds betrekking op een “mol”. Een mol vaneen willekeurige stof bevat het onvoorstelbaar grote aantal van 600 quadriljard (dat is een getalmet 23 nullen) moleculen van deze stof. Deze vele moleculen nemen bij een gas als waterstof bijeen temperatuur van 25 °C en een luchtdruk van 100 kpA (onze normale luchtdruk) een volumevan 24 liter (l) in. Als men nu een dergelijke mol waterstof verbrandt, kan men in tabellen, waarinalle desbetreffende data van de chemici staan, voor de daarbij maximale arbeid/ energie een

57

waarde van 237.000 J vinden. Men zegt daarom “maximaal”, omdat men natuurlijk ook ineffectiefkan werken en daarbij een groot gedeelte van de mogelijke arbeid als warmte kan verliezen.

Afb. 103: nou, zie je wel, het is allemaal best heel simpel te begrijpen, of niet dan?!(zie pagina 67 Duitse handleiding)

Zo, nu hebben we eindelijk alle gegevens bij elkaar, om ook het nuttige rendement te berekenenuit de data, die je in proef 15 bepaald hebt. Daar had je de vormingssnelheid van waterstofgasberekend. Omdat deze waarde berekend werd in “ml/s”, moet je die eerst omrekenen in “mol”.Laten we bijvoorbeeld aannemen, dat de waarde 0,027 ml/s bedroeg, dan zijn dit 0,027/24.000mol/s (omdat 1 ml overeenkomt met 1/24.000 mol) oftewel 0,000.001.13 mol/s. Per mol bedraagtde maximale energie, die het systeem kan leveren, 237.000 J. Uit de H2- vormingssnelheid van0,000.001.13 mol/s krijgen we daardoor een geleidingscapaciteit van het systeem van

Pout = 0,000.001.13 mol/s x 237.000 J/mol = 0,267 J/s = 0,267 W (9)

Het rendement η van onze elektrolysecel is het quotiënt van capaciteitsvermogen en ingevoerdeenergie (η = Pout / Pin. laten we bijvoorbeeld aannemen, wat we bij onze proef bij de elektrolyse devolgende waarden gemeten hebben: I = 0,22 A en U = 1,62 V. Volgens vergelijking (6) betekentdit, dat we Pin = 0,356 W aan vermogen in de elektrolyse gestoken hebben. In dit geval berekenenwe voor η = 0,267 W / 0,356 W = 0,75. Dat betekent, dat 75% van de er ingestoken energie in debrandstof waterstofgas is opgeslagen. Deze energiehoeveelheid kan later weer benut worden, alshet waterstofgas bijvoorbeeld in een brandstofcel tot stroom omgevormd wordt.

P18Invloed van licht en schaduw op de splitsing van waterNadat het vorige hoofdstuk zeer zeker nogal moeilijk was, willen we de volgende proef zo inrich-ten, dat je lekker kunt uitrusten. Daartoe heb je de opbouw nodig, waarmee je al bij proef 15 ge-werkt hebt. Vergeet niet, ook hier weer een stopwatch en een potlood en papier klaar te leggen.Je bereidt alles weer net zo voor als bij proef 15 gedaan hebt: met de spuit trek je zolang waterdoor de beide tanks en de brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk vrij van lucht-bellen met gedestilleerd water zijn gevuld. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als inafb. 95. Nu begin je met de eigenlijke proef, door de zonnemodule te belichten met de lamp en zode elektrolyse op gang te brengen. Je wacht af, tot de eerste gasbelletjes de tank bereiken, enmeet en noteert de tijd die nodig is voor het vormen van 6 ml waterstof nodig is. Dan plaats je delamp op een twee keer zo grote afstand van de module en noteert weer de tijd, die nodig is voorde vorming van de volgende 6 ml waterstof (zie afb. 104). Daarna zet je de lamp zo dicht mogelijkbij de zonnemodule (denk er aan dat de lamp niet dichter dan 15 cm van de zonnemodule komt,omdat dat tot het smelten van de kunststofverzegeling van de zonnecellen kan leiden) en bepaaltopnieuw de vormingssnelheid van het waterstofgas. Verklaar wat je ziet aan de hand van wat je alweet van de zonnemodule!

Afb. 104 (zie pagina 68 Duitse handleiding)

Extra opgave voor de knutselaar: In experiment 4 heb je geleerd, de lampintensiteit te meten metde zonnemodule en de multimeter. Bepaal nu de lichtintensiteit voor alle drie posities van de lamp,die je in deze proef gebruikt hebt. De waarden voor de intensiteit en gasvormingsnelheid vul je inde tabel (afb. 105) in. Dan vul je in een grafiek de desbetreffende vormingsnelheid van waterstoften opzichte van de lichtintensiteit in (zie afb. 6). Verklaar de samenhang die je ziet tussen dezebeide grootheden!

58

Lichtintensiteit vormingssnelheid van waterstof (W/m2) (ml/s)

Afb. 105: In deze tabel kun je de desbetreffende vormingsnelheden van waterstofgas bij verschillende licht-intensiteit (verschillende afstanden tussen lamp en zonnemodule) invullen(zie tabel op pagina 68 Duitse handleiding)

Aan het begin van het tweede gedeelte van deze proef vul je de brandstofcel weer volledig metgedestilleerd water en begint de elektrolyse met de lamp in de middelste positie. Zodra de gas-tanks weer met gelijkmatige snelheid gevuld worden, neem je een blad papier en schaduwt daar-mee, zoals je kunt zien in afb. 107, een deel van de zonnemodule af. Zodra je minimaal één zon-necel van de module helemaal afgedekt hebt, zul je merken dat de gasvorming tot stilstand komt.Hoe kun je wat je hier ziet verklaren? Wat zal men in de praktijk doen, om te voorkomen dat hetuitvallen van een enkele foto- voltaïsche cel tot het volledig afbreken van de elektrolyse leidt? Deantwoorden op deze vragen vind je vind je bij de beschrijving van proef 2 in de groene box op pa-gina 19.

Afb. 106: in deze grafiek kun je waarde- paren invullen uit afb. 105, om de samenhang tussen gasvor-mingsnelheid en lichtintensiteit te bepalen(zie tabel op pagina 56 Duitse handleiding)

Tot slot nog een klein nadenkexperiment. De bij deze experimenteerdoos meegeleverde zonne-module levert een nullastspanning van ongeveer 3 V. Voor de elektrolytische watersplitsing is eencelspanning van minimaal 1,23 V noodzakelijk. Het zou dus theoretisch mogelijk zijn, een zonne-module met een half zo grote nullastspanning te gebruiken voor deze elektrolyse. Als je dus dezonnemodule uit elkaar zou halen en uit steeds 3 foto- voltaïsche cellen een enkele zonnemodulezou bouwen, zou je de mogelijkheid hebben met elk van deze modules apart de waterelektrolysete bewerkstelligen. Als je dan de beide modules parallel met elkaar schakelt, en zo voor destroomvoorziening van de elektrolysecel zou kunnen gebruiken, zou je rustig op één van dezetwee modules één of twee zonnecellen kunnen afdekken, zonder de waterstofvorming te onder-breken. Waarom?

Afb. 107: wat gebeurt er met de waterelektrolyse, als je één van de zonnecellen van de module vollediguitschakelt? (zie pagina 69 Duitse handleiding)

P 19Een geduldspelletje: volledige splitsing van al het water in de brandstofcelHet volgende experiment duurt weliswaar heel lang, maar het vraagt niet steeds al je aandacht,zodat je het er gewoon bij kunt doen. Misschien moet je sowieso nog een paar andere dingendoen, terwijl het experiment gewoon doorloopt. Opdat je echter met de resultaten van je bemoeie-nissen ook wat kunt doen, is het belangrijk de opbouw van de proef alles goed te doen en hierbij –zoals altijd – met volledige concentratie aan het werk te zijn.Je bereidt weer alles voor, zoals bij proef 15: met de spuit trek je zolang water door beide tanks ende brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder luchtbellen met het gedestilleer-de water gevuld zijn. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als bij afb. 95. Voor dezeproef heb je bovendien nog de multimeter, een stopwatch en natuurlijk weer papier en potloodnodig. Je meet de elektrolysespanning, door net zo als in afb. 100 de meter parallel aan hetstroomcircuit aansluit op de meetpunten op het voertuigchassis (let op de juiste poling!). Nu beginje met de eigenlijke proef, door de waterelektrolyse te laten beginnen door de belichting van dezonnemodule met de lamp en de tijd alsmede de elektrolysespanning noteert. Dan wacht je af totde eerste gasbellen de tank bereiken, en noteert de tijd. Om de gasvormingsnelheid te bepalen,

59

meet je nu ook de tijd, die nodig is voor de vorming van 6 ml, 12 ml, 18 ml en 24 ml waterstof en jebepaalt de vormingsnelheid zoals afgebeeld in afb. 98/99.

Afb. 108: ja, het duurt een tijdje, tot al het water uit de brandstofcel is verbruikt voor de gasvorming(zie pagina 70 Duitse handleiding)

Je bekijkt de proef in ieder geval net zo lang, tot beide gastanks volledig met waterstof en zuurstofgevuld zijn en de eerste gasbellen in de voorraadtank omhoog borrelen. Nu kun je je rustig terug-trekken en wat anders gaan doen. Je moet echter ongeveer elke 15 tot 20 minuten naar het ver-loop van het experiment blijven kijken. Zolang de gasbellen bij beide tanks met gelijkmatige snel-heid naar boven blijven borrelen en de waarde van de elektrolysespanning praktisch onveranderdblijft, laat je de proef gewoon doorlopen. Zodra je echter bij een controle merkt, dat de snelheidvan de gasvorming (aantal belletjes per tijd) duidelijk lager geworden is en gelijktijdig de waardevan de elektrolysespanning eveneens duidelijk gestegen is, is het tijd de proef te beëindigen. Danis al het water in de brandstofcel verbruikt resp. in waterstof en zuurstof omgezet. Tot aan datmoment kan het wel een halve dag duren. Voor de berekening in de volgende proef is het belang-rijk, de tijd van het einde van de proef op te schrijven en de totale tijd van de elektrolyse te bere-kenen.

Afb. 109: het is gewoon verbazingwekkend, welke hoeveelheid gas er uit een enkele druppel water gevormdkan worden (zie pagina 71 Duitse handleiding)

P20Nog een rekensommetje: hoeveel water zat er eigenlijk in de brandstofcel?Je hebt nu gemerkt, dat de elektrolyse lang doorgaat, zonder dat je ook maar één keer water in decel nagevuld hebt. Omdat er natuurlijk alleen maar gas gevormd kan worden als er van tevorenook water in de brandstofcel zat, rijst natuurlijk de terechte vraag: hoeveel water zat er dan eigen-lijk in de brandstofcel?Na jouw uitvoerige berekeningen uit proef 17 zou je deze vraag eigenlijk al haast zonder hulpkunnen beantwoorden. Maar hier is desondanks een kleine suggestie: In proef 19 heb je alle be-nodigde meetwaarden bepaald: gasvormingsnelheid rgas [ml/s] en totale elektrolysetijd ttotaal [s].Daaruit kun je eerst de totale hoeveelheid gevormd gas Vgas [ml] uitrekenen (om het simpel tehouden nemen we aan, dat de gasvorming tijdens de totale tijd van de proef even snel is verlo-pen):

Vgas [ml] = rgas [ml/s] x ttotaal [s] (10)

Zoals je nog weet uit proef 17, bevat 1 ml waterstofgas 1/24.000 mol H2. Door eenvoudig met de-ze factor te vermenigvuldigen bereken je dus, hoeveel mol waterstofgas er gevormd is. De elek-trolysevergelijking (5) (pag. 61) geeft aan, dat uit elke molecuul water precies één molecuul water-stofgas wordt gevormd. Dus is de molaire hoeveelheid water, die bij de elektrolyse verbruikt werd,precies evenveel als de molaire hoeveelheid aan gevormd waterstof. Nu ontbreekt er nog ééngegeven: 1 mol water komt overeen met 18 ml water. Door te vermenigvuldigen met “18” krijg jedus de hoeveelheid water, die zich in de brandstofcel bevond voor de gasproductie begon.

Aan de hand van ons al verschillende keren gebruikte rekenvoorbeeld willen we de berekeningnog eens samen uitvoeren:Met een vormingssnelheid van 0,027 ml/s hebben we 4 uur (dat zijn 4.60.60 = 14.400 s) lang wa-terstof gevormd, dus in totaal 0,027 . 14.400 = 389 ml H2. Dat is 389/24.000 = 0,016 mol waterstof.Daarmee werd dus ook 0,016 mol water omgezet, en dat is 0,016 . 18 = 0,29 ml water, dat zichoorspronkelijk in de brandstofcel bevond.

60

En ben je niet verbaasd, uit hoe weinig water de elektrolyse zoveel waterstofgas kan maken?Overleg maar eens, welke technische consequenties deze zeer grote hoeveelheid waterstof heeft,wanneer je dit onderbrengt in auto’s. Hoe kun je zo’n probleem oplossen?

P21De solaire watersplitsing: beter dan met een lamp?Tot nu toe hebben we alle proeven met elektrolyse uitgevoerd met kunstlicht, wat op onze breed-tegraad vaak wel zo eenvoudig is, omdat de zon tenslotte niet elke dag zo mooi schijnt als ons liefis.Je wacht met deze proef tot je op een mooie zonnige dag genoeg tijd hebt een paar proeven uit tevoeren met solaire elektrolyse van water. Tja, en wat je dan moet doen, weet je nog heel goed uitde proeven 15 en 16. Het enige verschil bestaat er nu uit, dat er geen lamp is die de zonnemodulebelicht. Hier zet je nu de auto zo in de zon, dat die precies loodrecht op de zonnemodule schijnt.Nu vul je de brandstofcel weer zo veel mogelijk zonder luchtbellen met gedestilleerd water, sluitalle elektrische leidingen correct aan en meet eerst de gasvormingsnelheden zoals beschreven inproef 15. Dan haal je de multimeter en meet de elektrolysespanning en de bijbehorende stroomprecies zo als je dat al bij proef 16 gedaan hebt. Dan laat je de auto gewoon in de zon staan, omnet als in proef 19 de tijd te bepalen die de zon nodig heeft om al het water in de brandstofcel omte vormen tot waterstof en zuurstof.Intussen heb je natuurlijk genoeg tijd om net als in proef 17 ook het rendement van de solairewaterelektrolyse te berekenen. Natuurlijk neem je hiervoor nu de waarden voor gasvormingsnel-heid, spanning en stroom, die je net bepaald hebt. Je zult deze keer vast wel veel sneller klaar zijnmet deze berekening en je kunt je weer om je langdurige experiment te bekommeren. Omdat dezon langzaam langs de hemel beweegt, moet je de auto steeds een beetje bijsturen, om er zekervan te zijn dat de zonnemodule nog steeds loodrecht door de zon beschenen wordt en niet al eenbeetje in de schaduw staat.Tenslotte vergelijk je de gasvormingsnelheden en de totale elektrolysetijd van de beide experi-menten met kunstlicht en solaire belichting met elkaar. Welke stralingsbron was er nu intensiever?Zijn de snelheden en totaaltijden in gelijke verhouding hoger of lager geworden? En komt dezeverhouding overeen met de verhouding van de lichtintensiteit die je al bij proef 4 bepaald hebt?

Afb. 110: Bij de waterelektrolyse met zonlicht moet je er op letten, dat de auto steeds naar de zon toege-keerd staat, om optimale elektrolyseresultaten te krijgen(zie pagina 72 Duitse handleiding)

P22Hoe lang blijft het gas in de tank?Je hebt het waterstofgas leren kennen als een zeer nuttige brandstof, die je door waterelektrolysekunt opwekken en daarbij in tanks kunt opvangen – en in het volgende hoofdstuk zul je dan ookeindelijk zien, hoe je uit dit gas in de brandstofcel weer stroom kunt winnen. Hier willen we onsechter tot slot nog bezighouden met de vraag, of de kunststoftanks van onze auto eigenlijk welgeschikt zijn als langdurige opslag voor de beide gassen zuurstof en waterstof.Je bereidt weer alles voor als bij proef 15: met de spuit trek je zo lang water door beide tanks ende brandstofcel, tot alle delen volledig en zo veel mogelijk zonder bellen gevuld zijn met gedestil-leerd water. Ook de elektrische aansluitingen blijven net zo als in afb. 95. Nu begin je met de ei-genlijke proef, doordat je de zonnemodule met de lamp belicht en zo de waterelektrolyse laat be-ginnen. Ditmaal belicht je de zonnemodule net lang genoeg, dat beide gastanks volledig met gasgevuld zijn en aan beide kanten de eerste gasbellen omhoog borrelen. Nu doe je de lamp uit enverwijder je ook de stroomverbinding van zonnemodule naar brandstofcel.

61

Je noteert de tijd, waarop je de elektrolyse beëindigd hebt. Ongeveer 2 uur later ga je weer naar jeexperimenteerauto, leest op beide gastanks de exacte vulstand af en noteert deze in een ge-schikte tabel (afb. 11a). Hetzelfde herhaal je nog een of twee keer met dezelfde tijdsinterval enlaat dan de opbouw onveranderd de hele nacht staan. De volgende ochtend lees je voor de laat-ste keer de vulstand van beide tanks af. Uit de tabel, die steeds de tijd en de vulhoogte van beidetanks bevat, maak je zoals je in afb. 111b ziet een grafiek, om de meetwaarden beter te kunnenoverzien. Een schema daarvoor vind je hieronder. Probeer wat je ziet te verklaren! Waar naartoeis het gas het meest waarschijnlijk verdwenen? Wat zou er volgens jou veranderd moeten worden,als men van jouw experimenteerauto een technisch product zou willen maken?

Afb. 111a: je noteert de desbetreffende vulhoogte van de tanks in bovenstaande tabel(zie tabel op pagina 73 Duitse handleiding)

Afb. 111b: Noteer je meetwaarden uit proef 22 in een grafiek (afb. 112)(zie pagina 73 Duitse handleiding)

Afb. 111: nadat beide gastanks volledig gevuld zijn, beëindig je de elektrolyse en kijk je naar deverandering van de vulhoogte in de volgende uren(zie pagina 73 Duitse handleiding)

Afb. 112: Ontwerp van de grafische evaluatie van proef 22(zie pagina 74 Duitse handleiding)

Tot slot nog enige algemene informatie over de huidige technische toepassing van de waterelek-trolyse. Hoewel het bij het elektrochemisch winnen van waterstof en zuurstof uit water om een alheel oud technisch procédé gaat, werd in de afgelopen jaren de groeiende behoefte aan waterstofhoofdzakelijk gedekt door de omvorming van aardolie of kolen, omdat dat op het ogenblik goed-koper is. De mogelijkheden van het elektrochemische procédé van de directe waterelektrolyse omte concurreren zijn alleen mogelijk bij zeer lage stroomprijzen. Daarom vind je

Bijvoorbeeld grote elektrolyse- installaties alleen in de buurt van waterkracht- centrales. De groot-ste installatie bij de Aswan- stuwdam in Egypte bezit een productiecapaciteit van 40.000 m3 wa-terstof per uur. Je ziet de klassieke brandstofcel voor de technische waterelektrolyse in afb. 113.De schematische opbouw van een zogenoemde bipolaire vind je in afb. 114. Om redenen, die naje experimenten met de waterelektrolyse zeker goed zult begrijpen, vindt de verdere verwerkingen het transport steeds onder druk plaats. Deze druk kan al in de elektrolysecel zelf geproduceerdworden. Op dit moment is echter het produceren van drukken boven 50 bar in de brandstofcel nogniet bevredigend opgelost, zodat het gas in de regel naverdicht moet worden. het is te voorziendat waterstof als energiedrager van een toekomstige energie- economie, die in toenemende materegeneratieve procédé’s als wind- en zonne-energie een steeds belangrijkere rol zal spelen!

SamenvattingIn de loop van de achter ons liggende experimenten heb je een heel bijzondere eigenschap vande brandstofcel leren kennen. Deze cel is in staat, vloeibaar water te splitsen in de gasvormigedelen waterstofgas en zuurstof. Om deze waterelektrolyse voor elkaar te krijgen, is het alleenmaar noodzakelijk een geringe spanning van buitenaf op de brandstofcel aan te leggen. Dezewordt in ons geval door de zonnemodule aan de brandstofcel geleverd. De beide gassen wordenaan verschillende kanten van de brandstofcel geproduceerd en kunnen daarom zonder problemenin gescheiden tanks verzameld worden.Je hebt gezien, met welke methoden het kwalitatief bewijzen van de beide gassen mogelijk is(knalgas- en gloeiproef). Door het meten van de gasvormingsnelheid en de daarbij vloeiendeelektrolysestroom alsmede van de bijbehorende spanning is het heel simpel het rendement • van

62

de waterelektrolyse te bepalen. Als je de zon gebruikt in plaats van je bureaulamp, stel je vast datde gasvormingsnelheid duidelijk hoger is. De zeer eenvoudige tanks van jouw experimeenteerautozijn helaas niet geschikt voor langdurige opslag van de gassen. In het volgende hoofdstuk zul jeervaren, hoe de geproduceerde gassen weer gebruikt kunnen worden voor het prfroduceren vanstroom.

Afb. 113: Al meer dan 100 jaar geleden voerde prof. Hofmann de eerste onderzoekingen betreffende deelektrochemische splitsing van water uit en gebruikte daarvoor het bovenstaande apparaat.Onze cel is gelukkig veel compacter!(zie pagina 75 Duitse handleiding)

Afb. 114: principe- opbouw van een bipolaire waterelektrolysecel, 1 – 3 zijn de elektroden, 4 is het diafragmavoor het scheiden van de gasruimten(zie pagina 75 Duitse handleiding)

Brandstofcel

VeiligheidsaanwijzingenBij het omgaan met de brandstofcel moet je op het volgende letten:Waterstof kan onder bepaalde omstandigheden explosieve gasmengsels vormen.Weliswaar zijn de in dit boek weergegeven experimenten zo ontworpen dat de uitvoering ervan opde beschreven manier ongevaarlijk is, maar toch moet er op de volgende aanwijzingen gelet wor-den:• De brandstofcel mag niet zonder toezicht gebruikt worden.• Waterstof (H2) is veel lichter dan lucht en stijgt daarom snel op. In combinatie met zuurstof kan

er een knalgasmengsel ontstaan, dat kan ontploffen. Een explosief knalgasmengsel ontstaatbij volume- aandelen van 4,0 tot 77,0 % in de lucht. Daarom geldt:

• De brandstofcel mag alleen in de openlucht of in voldoende geventileerde ruimtes gebruiktworden.

• Zuurstof (O2) is een sterk oxiderend gas. Bij contact met organische substanties (b.v. olie,vetten) kan dat al bij kamertemperatuur tot een verbranding komen.

Veiligheid van waterstof: vergelijking met andere energiedragersWaterstof is een brandbaar gas, dat kan exploderen, dat weliswaar in vergelijking met aardgasqua veiligheid andere veiligheidseigenschappen heeft, maar in totaal echter qua gevarenpotentiein dezelfde risicoklasse valt. Zo kan waterstof onder druk vergeleken worden met aardgas onderdruk en vloeibare waterstof met vloeibaar aardgas. De risico’s liggen eerder (onafhankelijk van hetgebruikte gas) in de drukniveaus. Terwijl bijvoorbeeld het parkeren van auto’s met vloeibaar gas(of het nou waterstofgas of aardgas is) in parkeergarages verboden is, is dat voor auto’s met aan-drijving door gas onder druk (of het nou om aardgas of waterstofgas gaat) toegestaan.Interessant is het feit, dat bij waterstof de onderste ontbrandingsgrens bij 4 volumeprocent en dedetonatiegrens bij 18 volumeprocent, en daardoor bij sterk verschillende mengsels liggen en an-derzijds de minimale ontstekingsenergie met 0,02 mJ zeer klein is. Zo neigt waterstofgas er toevoor het bereiken van een ontplofbaar mengsel af te branden.Een ongeluk, dat een treurige beroemdheid kreeg, was het ongeval met de met waterstof gevuldezeppelin hindenburg in het jaar 1937. De zeppelin hindenburg was in het Amerikaanse Lakehurstbij onweersachtige weersomstandigheden in brand gevlogen, waarschijnlijk door het overspringenvan elektriciteit tussen een di-elektrische lak en de metalen steunconstructie. Het waterstof brand-de bij een lage temperatuur. Gelijktijdig zakte de zeppelin naar de grond.

63

De passagiers die er niet in paniek uitgesprongen waren, konden vluchten. Als het luchtschip ge-explodeerd was, waren er waarschijnlijk noch overlevenden noch filmopnamen van de catastrofegeweest.In tegenstelling tot waterstof ontwikkelt elke koolstof- en zwavelhoudende energiedrager bij deverbranding een sterke hittestraling, alsmede een sterke roetontwikkeling.

Afb. 115: Zeppelin – luchtschip (zie pagina 76 Duitse handleiding)

P23Het beweegt!Je hebrt nu al een hele serie experimenten uitgevoerd, die je laten zien hoe stroom met behulpvan zonnelucht geproduceerd wordt door zonnecellen en hoe de brandstofcel water kan splitsen inde bestanddelen zuurstof en waterstof. Daarbij heeft de brandstofcel steeds als elektrolyseur ge-werkt. In de volgende proeven wordt de brandstofcel zijn andere kracht laten zien:Laad eerst de waterstof- en de zuurstoftank vol en maak dan de aansluitingen van de zonnemo-dule los. Houd de auto dan zo, dat de voorwielen geen contact met de grond hebben en sluit demotor aan op de brandstofcel, zoals je dat ziet in de volgende afbeelding:

Afb. 116: motor, aangesloten op brandstofcel (zie pagina 76 Duitse handleiding)

Afb. 117: opbouw voor de schakeling uit afb. 116 (zie pagina 77 Duitse handleiding)

Wat gebeurt er? De motor begint te lopen. Nu kun je de auto voorzichtig neerzetten en laten rij-den. Je hebt dus net eden auto gebouwd met brandstofcel- aandrijving!Hoe komt het dat de motor loopt? De motor heeft toch stroom nodig, om te lopen. Als hij begint telopen nadat je de brandstofcel aangesloten hebt, dan betekent dat dus, dat de brandstofcel destroom produceert.Maar waar komt die stroom vandaan? Om dat beter te begrijpen, kijk je eens precies naar de bei-de gastanks. Terwijl de auto rijdt, gaat dat natuurlijk niet zo goed. Je kunt de vooras eenvoudig opeen bok zetten, om de tanks in alle rust te bekijken.

Afb. 118

Afb. 119: auto op bok(zie pagina 77 Duitse handleiding)

Als je precies kijkt, dan zie je dat het water in de tanks langzaam maar onophoudelijk in de tanksomhoog stijgt. Dat is echter alleen mogelijk, als de gasvoorraad afneemt.We herinneren ons: bij de elektrolyse (proef 15) was het precies omgekeerd. Gas verdrong hetwater in de tanks. Om gas te produceren, moest de zonnemodule als stroombron aangeslotenworden.Nu is het omgekeerd: de gassen waterstof en zuurstof stromen uit de tanks in de brandstofcel te-rug, en daar worden ze weer tot water omgevormd. Bij dit procédé wordt stroom geproduceerd!

Brandstofcel I: Hoe functioneert de brandstofcel?Jouw brandstofcel is een reversible PEM- brandstofcel. De afkorting PEM heeft betrekking op hetmembraan, dat de zuurstofkant scheidt van de waterstofkant. De letters PEM staan voor Proton-Exchange- Membrane (Engels; in het Nederlands: protonen- uitwisselingsmembraan). Als mem-braan voor jouw brandstofcel wordt een folie uit de polymeer nafion gebruikt. Er zijn ook andereprocédé’s om waterstof- en zuurstofkant van elkaar te scheiden (zie box “Brandstofcel II”).

64

Reversibel betekent, dat de processen die zich daarin afspelen, in beide richtingen mogelijk zijn,dus dat de cel zowel als brandstofcel en als elektrolyseur kan werken.De elektrische contactplaten (elektroden) in jouw brandstofcel hebben verschillende namen, ten-slotte gebeurt er ook iets verschillends: de elektrode aan de waterstofkant wordt als anode aange-duid, de elektrode aan de zuurstof als kathode.Aan de anode worden elektrisch neutrale waterstofmoleculen (die in de watertank opgeslagenworden0 onder afgifte van elektronen geoxideerd tot waterstofionen. De daardoor positief geladenwaterstofionen ‘wandelen’ door het polymeerelektrolyt- membraan heen naar de negatief geladenkathode. Het membraan is zo gemaakt, dat de waterstofionen, die ook aangeduid worden alsprotonen, er doorheen kunnen, de grotere zuurstofionen echter niet (daarom de naam protonen-uitwisselingsmembraan).Aan de kathode reageren de waterstofionen met de daar aanwezige zuurstof en de elektronen, dievia de elektrische kabel toegevoerd worden, tot water. De waterstofionen en zuurstofionen wordenin zekere zin weer tot watermoleculen samengevoegd. Waar het bij de elektrolyse nodig wasenergie in de scheiding van de watermoleculen te steken, krijgen we nu bij het samenvoegen vande ionen tot water weer energie terug.Op deze manier komt het tot een elektrische spanning, die op de brandstofcel aanligt. Als nu opde anode en kathode weer een elektrische verbruiker wordt aangesloten, b.v. een elektromotor,dan vloeien de elektronen van de anode naar de kathode, er vloeit dus een elektrische stroom ende motor loopt.De elektronen zelf worden bij de plaatsvindende reacties niet veranderd, omdat de omzetting vanzuurstof en waterstof katalytisch afloopt. Men spreekt van een “koude verbranding”, want er ont-staat geen vlam. Er wordt bij de reactie echter wel warmte afgegeven. Misschien kun je voelen datde brandstofcel warmer wordt.Chemisch verlopen de volgende procedures aan de elektroden van de brandstofcel als volgt:

Anode: 2H2 → 4 H+ + 4 e-

Elektronenafgifte (oxidatie)

Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2OElektronenopname (reductie)

Totale reactie: 2 H2 + 2 O2 → 2 H2O

De vorming van het water aan de kathode (zuurstofkant) kun je overigens heel mooi bekijken. Leter maar eens op, hoe de brandstofcel stroom produceert. Hoe sterker de stroom is die er vloeit,des te sneller wordt het water uit de gassen waterstof en zuurstof teruggevormd (zie ook proef32).

Afb. 120: waterstof- en zuurstofmoleculen worden met elkaar verbonden tot water (weergave)(zie pagina 78 Duitse handleiding)

Brandstofcel II: verschillende types brandstofcellenNaast jouw brandstofcel bestaan er ook nog andere types brandstofcellen (in het Engels: FuelCell, FC). Ze verschillen in de elektrolyten en ingezette gassen, waardoor er weer verschillendewerktemperaturen ontstaan.Tot de brandstofcellen met lage temperaturen horen de alkalische brandstofcel (AFC), jouw mem-braanbrandstofcel (PEMFC), de direct- methanol- brandstofcel en de fosforzuurbrandstofcel(PAFC). Ze werken met waterstof, die b.v. via elektrolyse van water of omzetting van aardgas,biogas (methaan) of methanol geproduceerd wordt.

65

Tot de brandstofcellen met hoge temperaturen horen de carbonaatsmelt- brandstofcel (MCFC) ende oxide- keramische brandstofcel (SOFC), die ook geschikt zijn voor directe toepassing vankoolgas.In het overzicht zie je de verschillende types brandstofcellen in de tabel rechts:

Mischien kun je nog iets vaststellen: voel de temperatuur van je brandstofcel maar eens. Is diehoger of lager dan voor het gebruik?De cel is warmer geworden. Bij de omvorming van de gassen is er niet alleen stroom geprodu-ceerd, maar ook warmte. Verdere uitleg daarover vind je bij proef 33. Laten we alles eens samen-vatten. Als de motor aangesloten wordt op de brandstofcel (de gastanks moeten natuurlijk metzuurstof en watersof gevuld zijn), dan• begint de motor te draaien en• de gasvoorraden worden kleiner.En waarom dat zo is, weten we nu ook!

Afb. 121: William Grove(zie pagina 79 Duitse handleiding)

Brandstofcel III: historische ontwikkelingIn het jaar 1794 begon de Italiaanse natuurkundige Allessandro Volta (1745 – 1827) met experi-menten voor de elektrochemische stroomopwekking, nadat hij eerst plaatcondensatoren had ont-wikkeld. Hij dompelde een zink- en een koperstaaf in verdund zwavelzuur en produceerde zo eenelektrische spanning, die ongeveer 1 V bedroeg. Te zijner eer wordt de elektrische spanning inVolt aangegeven.De Engelse natuurkundige Sir William Robert Grove (1811 – 1896) geldt als de ontdekker van debrandstofcel. Al in 1839 toonde hij in zijn laboratorium het principe van de werkwijze. Hij onder-kende, dat er bij de splitsing van water in zuurstof en waterstof een chemische reactie plaatsvond,die hij beschreef als “koude verbranding”. In zijn “gasketen”, een opstelling bestaande uit meerde-re platina- elektroden in zwavelzuur, die door waterstof en zuurstof omspoeld werden, produceer-de hij een spanning van ca. één Volt. Hij vond ook uit, dat deze reactie herhaalbaar (reversibel)was.

Afb. 123a) : brandstofcel (1839) en b? gasketen (1842)(zie pagina 79 Duitse handleiding)

Benaming Elektrolyt Anodegas Kathodegas Werktemp. Stand

AFC kaliloog waterstof zuurstof onder 80 °C commercieelAlkaline Fuel Cell ontwikkeling

PEMFC polymeer- waterstof (direct zuurstof of tot 120 °C ontwikkelingProton Exchange membraan of uit omzetting luchtzuurstofmembrane Fuel Cell van methaan of

methanol

DMFC polymeer- methanol luchtzuurstof 90 – 120 °C ontwikkelingDirect methanolFuel Cell

PAFC fosforzuur waterstof (direct luchtzuurstof 200 °C ontwikkelingPhosphoric Acid uit omzettingFuel Cell van methaan)

66

MCFC gesmolten waterstof luchtzuurstof 650 °C ontwikkelingalkalicarbonaat methaan

koolgas

SOFC oxide-keramisch waterstof luchtzuurstof 900 – 1000 °C ontwikkelingelektrolyt methaan

koolgas

Afb. 122: verschillende brandstofceltypes (voor de Nederlandse benamingen zie de box Brandstofcel II)

Door technische problemen, vooral ontbrekende stabiliteit van de gebruikte materialen, alsmedevanwege de ontwikkeling van draaistroomgeneratoren raakten de brandstofcellen in de vergetel-heid. Daaraan veranderde ook het feit niets, dat al aan het eind van de 19e eeuw Wilhelm Ostwald(1853 – 1932) bewees, dat brandstofcellen ten opzichte van warmte- kracht- machines een aan-zienlijk hoger rendement hadden. Pas voor de toepassing in ruimtevaartuigen en onderzeebotenwerd de brandstofcel herontdekt.Zijn eigenschap energie zeer effectief om te vormen, maakt hem juist ook vanwege het aspect vande milieubescherming interessant.

Afb. 124: waterstof-zuurstofcel voor toepassing in de Apollo- ruimtecapsules(zie pagina 80 Duitse handleiding)

P24De motor op gang brengenAls de auto stopt omdat er opnieuw getankt moet worden, dan weet je wat je moet doen: de elek-trische verbinding van de brandstofcel met de motor wordt onderbroken en de zonnecellen wordenweer op de brandstofcel aangesloten. De zon zorgt voor de rest.Om natuurkundige redenen wordt het presteren van de brandstofcel bij iedere doorloop beter. Hetloont dus de moeite, de elektrolyse meerdere keren uit te voeren. Het kan zijn dat pas dan de autorijdt tot de hele tank leeg is. Ook als je de auto langere tijd niet gebruikt of alleen maar ’s nachtslaat staan, is het zinvol de elektrolyse meerdere keren te laten plaatsvinden, of het water te ver-vangen. Dat helpt altijd!Maar wacht daar nog een ogenblik mee. Zo lang de waterstof- en zuurstofvoorraad nog opge-bruikt, de tanks dus “leeg” zijn, kunnen we eerst nog wat anders uitproberen!Wanneer er namelijk een spanningsbron nodig is om de motor aan het draaien te krijgen – hoegaat het dan als je de motor draait? Wordt er dan spanning opgewekt? Dat proberen we gelijk uit.Doe motor moet gierbij voorlopig nog niet op de brandstofcel aangesloten zijn.

Afb. 125: motor alleen (zie pagina 80 Duitse handleiding)

Draai nu voorzichtig de wielen, die via de aandrijving met de motor verbonden zijn. met een stift inde spaken kun je wielen goed laten draaien. Maar voorzichtig: begin niet meteen te hard te draai-en, omdat anders de wielas in de behuizing zou kunnen glijden – er zou dan geen kracht op demotor overgebracht kunne worden.

Afb. 126: draaien met stift in de spaken (zie pagina 80 Duitse handleiding)

Eventueel moet je met de andere hand de aandrijving zo vasthouden, dat deze bij het draaien vande wielen niet heen en weer wiebelt.Na een paar omdraaiingen haal je de stift er weer uit en kijk je precies, hoe lang de wielen nogdoorlopen en hoe makkelijk of moeilijk het was, de wielen aan het draaien te krijgen. Als je in ver-

67

gelijking daarmee de achterwielen laat draaien, zul je merken dat die veel langer blijven draaien.Blijkbaar remt de aandrijving af.

P25De andere draaiHerhaal nu de proef (nog steeds met lege tank), ditmaal echter met aangesloten brandstofcel,zoals weergegeven in afb. 128.

Afb. 127: motor aangesloten op brandstofcel (zie pagina 81 Duitse handleiding)

Breng de motor met de stift zoals hiervoor weer op gang en haal de stift er dan weer uit. Wat ge-beurt er nu? Kun je het verschil met de vorige variant vaststellen? Zo ja, welk verschil is er?In tegenstelling tot de eerste keer (proef 24) stoppen de wielen niet gelijk met draaien, maar zeblijven nog even doordraaien. Ze kunnen alleen wat moeilijker in beweging gebracht worden. Hoezijn deze verschillen te verklaren?Door het draaien van de motor wordt er een spanning opgewekt. Als de motor op de brandstofcelis aangesloten, dan ligt de spanning ook aan op de brandstofcel, waarin onmiddellijk water in wa-terstof en zuurstof gesplitst wordt. De gashoeveelheden, die in de korte tijd van de omdraaiingenopgewekt worden, zijn weliswaar zo gering dat je ze niet als opstijgende belletjes kunt zien, maarde gassen zijn toch aanwezig. Als je nu stopt met draaien, levert de motor geen spanning meer.De zonet geproduceerde kleine hoeveelheden waterstof en zuurstof worden echter in de brand-stofcel gelijk weer tot water omgevormd, waarbij weer een spanning opgewekt wordt. En dezespanning brengt de motor, die nog op de brandstofcel is aangesloten, weer aan het draaien.Daarom loopt de motor nog even door en houdt niet direct weer op zoals dat in de vorige proef 24het geval was. De weerstand ervan en de daaraan afvallende spanning zorgen ervoor, dat demotor moeilijker aangedraaid kan worden.In plaats van een van de wielen met een stift aan te draaien, kun je de auto ook in zijn geheel opde grond aanschuiven: eenmaal zonder en eenmaal met aangesloten brandstofcel. Ook dan zouje een verschil in het nalopen moeten kunnen vaststellen. het verschil is echter duidelijker te zienbij de stiftvariant.

Afb. 128: opbouw voor de schakeling van afb. 129; spanningsbereik 2000 mV=(zie pagina 81 Duitse handleiding)

P28Metingen aan de dynamo Dat er in de motor daadwerkelijk een spanning opgewerkt wordt, kan ook op de volgende manieraangetoond worden. Sluit daartoe de multimeter aan op de motor (de motor moet nu weer losge-koppeld zijn van de brandstofcel, zoals je in afb. 128 en 129 ziet. Draai de wielen zoals hiervoor.Wat geeft de multimeter aan? Hoe sneller je de motor draait, hoe hoger is de spanning die opge-wekt wordt en op de digitale meter aangegeven wordt.Komt je dat met de opwekking van spanning door een draaiende motor misschien bekend voor?Natuurlijk! Er gebeurt niets anders dan wanneer je fietst en de dynamo ingeschakeld hebt. Onzemotor werkt dus als een dynamo.

Afb. 129: spanningmeter aan de motor (zie pagina 82 Duitse handleiding)

Als op de dynamo een elektrische verbruiker aangesloten wordt (of dat nu de brandstofcel is of deverlichting van je fiets), dan leidt de elektrische weerstand ervan en de daarop afvallende span-ning tot het remmen van de dynamo, die daardoor moeilijker loopt.

68

Meet nu nog de spanning, als je de wielen draait, terwijl de motor (dynamo) op de brandstofcelaangesloten is (afb. 130 en 131).

Afb. 130: spanningsmeting op motor + brandstofcel (zie pagina 82 Duitse handleiding)

Ook dan wordt er weer een spanning opgewekt. Is deze spanning lager of hoger dan in het gevalmet de niet aangesloten brandstofcel? Probeer het verschil te verklaren.Laten we het samenvatten. Onze motor werkt als dynamo, de brandstofcel als elektrolyseur enopslag. En als de motor niet met de hand verder gedraaid wordt, dan wordt hij door de cel, die nuals spanningsbron dient, van stroom voorzien en aangedreven.Overigens: Dit effect maakt het bij elektro- auto’s die aangedreven worden door batterijen mogelijkbewegingsenergie op te slaan in de accu!En ook de trein gebruikt hetzelfde principe. Als een trein geremd wordt, dan wordt de bewegings-energie in de nu als dynamo werkende elektromotoren omgezet in een spanning, die gevoedwordt aan de bovenleiding en op deze manier aan andere treinen ter beschikking gesteld wordt.In waterkrachtcentrales wordt de bewegingsenergie van het naar beneden vallende water ge-bruikt, om stroom op te wekken. Het vallende water drijft via reusachtige turbines dynamo’s aan(ook wel generatoren genoemd) en produceert op deze milieuvriendelijke manier stroom.

Afb. 131: opbouw voor de schakeling van afb. 130 (zie pagina 82 Duitse handleiding)

P29Bereik van de autolaten we eens kijken hoe ver en hoe snel je auto kan rijden, als hij volgetankt is.Laad de auto op, tot de tanks met waterstof resp. zuurstof gevuld zijn. Dan kan het beginnen resp.vertrekken. Een traject is het makkelijkst te meten als het lijnrecht is. Dat hoef je dan alleen nogmaar met een centimeter op te meten. Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Want het ishelemaal niet zo gemakkelijk de auto ervan te overtuigen echt rechtuit te rijden. En zelfs als datgebeurt, moet het traject nog vrij zijn van obstakels. Daarom behelpen we ons met een trucje. Welaten de auto gewoon in een cirkel rijden. Dan hoeven we alleen maar het aantal rondjes te tellendie de auto aflegt en te overleggen hoe lang een rondje is… En als je de tijd opneemt die de autovoor de hele rit nodig heeft, kun je ook nog de snelheid ervan berekenen.Zet voorlopig de wielen maar in de richting van een bocht. De bocht moet natuurlijk zo uitgezetzijn, dat de auto nergens tegenaan kan stoten. Aan de andere kant mag de bocht niet te krap zijn,omdat anders de achterwielen tamelijk hard zouden slepen. Eventueel moet je de schroef, waar-mee motor, aandrijving en voorwielen aan de carrosserie bevestigd zijn, met een schroevendraai-er vastdraaien (voorzichtig, niet te vast aandraaien!), zodat de ingestelde straal niet verandert.Markeer de startpositie en daar gaan we. De auto zal heel wat rondjes rijden. Tel de ronden. Leter daarbij ook op of de cirkel waarop de auto rijdt niet enigszins verloopt. Je kunt een paar puntenvan de cirkel b.v. met krijt of met plakband markeren. Het komt er daarbij ook niet heel precies opaan dat de auto exact op dezelfde lijn van de cirkel rijdt. Waarschijnlijk zullen de cirekels eenbeetje verschuiven.

Afb. 132: markeren van de cirkel (zie pagina 83 Duitse handleiding)

Hoeveel rondjes heeft de auto gereden?

Aantal ronden = …………..

Hoelang heeft de auto daarover gedaan?

69

Tijd = ……………. s (Aanduiding in seconden)

Bepaal nu de diameter van de cirkel. Daartoe moet je twee tegenover elkaar liggende punten ne-men.

Afb. 133: diameter van de cirkel (zie pagina 83 Duitse handleiding)

Noteer de diameter van de cirkel gelijk in meters (b.v. 120 cm = 1,2 m)

Diameter = …………. M

De afstand die je auto bij het ronddraaien afgelegd heeft, dus de omvang van de cirkel, wordt danals volgt berekend:

Omvang = π . diameterDe Griekse letter π (spreek uit als “pi”) staat voor de getalwaarde 3,1415926…Misschien zit π ookop je rekenmachine. Reeds de Griekse wis- en natuurkundige Archimedes (ca. 287 – 212 v. Chr.)kende het getal π met vele cijfers achter de komma.Voor onze resultaten is het voldoende de door jou gemeten diameter te vermenigvuldigen met3,14, dan heb je zo ongeveer de omvang van de cirkel.

Omvang = π . diameter

= 3,14 x ………. m (jouw waarde) = ………. m (jouw resultaat)

Nu vermenigvuldig je de op deze manier bepaalde omvang met het aantal rondes en dan weet je,welke afstand de auto afgelegd heeft.

Afstand = aantal rondes . omvang

= ……… . ……… (jouw waarden)

= ……… m (jouw resultaat)

Als de cirkel b.v. een diameter had van 1,2 m, en de auto heeft 53 ½ ronden afgelegd, dan heefthij: afstand = 53,5 x π . 1,2 m = 201,6 mdus ruim 200 m, gereden.En hoe snel heeft hij (gemiddeld) gereden? Daartoe hoef je alleen maar de gemeten resp. bere-kende waarden in de volgende formule in te vullen:

Snelheid = afstand / tijd

= ……..m / ……… s (jouw waarden) = …….. m/s (jouw resultaat)

Afb. 134: onderbreking van de zuurstoftoevoer (zie pagina 84 Duitse handleiding)

70

P28Een luchtige aangelegenheidV oor de werking van de brandstofcel zijn waterstof en zuurstof nodig, en die krijg je uit de split-sing van water. Goed, waterstof kun je nu eenmaal niet zo maar in de supermarkt kopen (tenmin-ste op dit moment nog niet). Maar zuurstof is toch overal! Tenslotte bestaat de lucht die we in-ademen, voor ongeveer 20% uit zuurstof. Zou de brandstof dan ook met de zuurstof uit de luchtkunnen werken? Laten we dat eens uitproberen!Laad de tanks zoals gebruikelijk op. Als ze vol zijn, onderbreek je de gastoevoer van de zuurstof-tank naar de brandstofcel door de slang te knikken en met de metalen gleuf vast te zetten (afb.134). Daarna trek je de zo gesloten lange slang en ook het korte stuk slang van 5 cm behoed-zaam van de brandstofcel af. Nu kan er door beide openingen lucht in de brandstofcel komen.

Afb. 135: vrijgemaakte openingen (zie pagina 84 Duitse handleiding)

Nu kun je de “luchtige“ proef starten door de motor aan te sluiten. En, wat gebeurt er? De auto rijdtook met luchtvoorziening. Om te vergelijken of de auto zich qua duur gelijk of anders verhoudt,kun je de auto het beste weer met dezelfde bochtinstelling in een cirkel laten rijden als bij proef 27.Tel weer het aantal ronden die de auto rijdt. Wat kun je vaststellen? Probeer wat je ziet te verkla-ren.Voor je verder gaat met de volgende proef, maak je de slangverbinding tussen brandstoftank enbrandstofcel weer in orde, verwijder je de metalen keep en sluit je ook het korte stuk slang voorhet doortrekken van het water weer aan.

P29Een lift met waterstofaandrijvingje hebt vast al wel de rode draadrol en de draad gezien bij de accessoires, en misschien kun jezelf al wel bedenken waarvoor ze gebruikt zullen worden. in de volgende proeven zullen ze ge-bruikt worden.Het chassis van de auto is zo geconstrueerd, dat hij ook tot lift omgebouwd kan worden. Daarmeekun je bijvoorbeeld een gewicht omhoogtrekken: van vloer op de kast, van de tuin op het bal-kon…en daarnaast kunnen we ook het vermogen van de lift bepalen.

Afb. 136: bevestiging van de draad met behulp van een stukje plakband(zie pagina 85 Duitse handleiding)

Voor de montage verwijder je eerst het zonnepaneel. Als volgende komt de vooras aan de beurt.Maak de schroef waarmee de aandrijving op het chassis bevestigd is, los. Verwijder de aandrijvingbehoedzaam de aandrijving met de motor en op zijn minst het wiel dat zich aan de kant van demotor bevindt, zodat je de draadrol zoals afgebeeld op de as kunt schuiven. Dat vraagt een beetjegeduld, omdat de draadrol maar moeilijk verschoven kan worden. Dat moet echter ook zo zijn, hijmoet tenslotte ook vast op de as zitten en niet wegglijden. Plaats dan de aandrijfunit, zoals afge-beeld in afb. 138, in het chassis.Bevestig de draad, zoals afgebeeld in afb. 136, met een stukje plakband op de draadrol. Daarnaplaats je het zonnepaneel weer.

Afb. 137: In elkaar zetten in de nieuwe positie(zie pagina 85 Duitse handleiding)

Is er weer water door de tank en door de brandstofcel getrokken? Als de tanks weer gevuld zijnmet waterstof en zuurstof, kan de lift beginnen met zijn werk. Hij kan net zo in- en uitgeschakeldworden als de auto.

71

Let er op, dat de lift niet door een te zwaar gewicht gaat kantelen. Je kunt het chassis extra stabi-liseren met een klosje van passende hoogte onder de houder van de motor/ aandrijving (zie afb.139).

Afb. 138: paperclip als haak voor het gewicht(zie pagina 85 Duitse handleiding)

Afb. 139: klosje als oplegvlak voor het opstaande chassisdeel(zie pagina 86 Duitse handleiding)

Afb. 140:(zie pagina 86 Duitse handleiding)

P30Welk vermogen levert de lift?Wat presteert de lift, dus welk vermogen heeft hij? Daartoe roep je kort in herinnering, hoe hetvermogen berekend wordt (zie ook proef 5):Vermogen is energie per tijd, of om met de gebruikelijke afkortingen te werken:

E P = --

t

Als de energie een gewicht omhoogtilt, is daar een bepaalde energie voor nodig. Hoe korter de tijdis, die de lift nodig heeft om het gewicht omhoog te tillen, hoe groter is het vermogen waarmee hijdat voor elkaar krijgt.Welke energie wordt hier eigenlijk bedoeld? Als een voorwerp b.v. van de vloer naar de hoogtevan de tafel getild wordt, dan wordt de plaats- energie van dit voorwerp groter, want de (hoogte-)plaats van het voorwerp is verhoogd. Deze plaats- energie wordt overigens ook aangeduid als“potentiële” energie, afgekort met Epot. Hoe groter het hoogteverschil is, hoe groter is ook de po-tentiële energie van het voorwerp. (als er een voorwerp op onze voet valt, dan doet dat in het al-gemeen zeer. (Als datzelfde voorwerp van een nog grotere hoogte op de voet, dan is dat duidelijkonaangenamer).

Voor de berekening van de potentiële energie kunnen we de volgende formule gebruiken:

Epot = m x g x h

Daarbij hebben de gebruikte aanduidingen de volgende betekenissen:Epot potentiële energie, berekend in J (Joule)m massa van het opgetrokken voorwerp, gemeten in kg (kilogram)g aardversnellingconstante; op onze breedtegraad ongeveer 9,81 m/s2

h hoogteverschil, gemeten in m (meter)

Als de lift bijvoorbeeld een gewicht met eden massa van 100 g (dus 0,1 kg) twee meter omhoogmoet trekken, dan bedraagt de daarvoor benodigde energie

Epot = m x g x h = 0,1 kg x 9,81 m/s2 x 2 m = 2,0 Nm = 2,0 J

72

En als de lift dat in , laten we zeggen, 35 seconden doet, dan is het vermogen P 2JP = --- = 0,057 W 35 s

Nu beginnen we echter met de meting: je hebt nog een weegschaal, een meetlint en een stop-watch nodig. Kies een passend gewicht uit. Het moet niet te licht maar ook niet te zwaar zijn. (Alshet te zwaar is, dan slipt de draadrol op de as of de as in de aandrijving. Bovendien zou de heleopstelling kunnen kantelen) met een gewicht met een massa van 100 g kun je goede resultatenbehalen. Het gaat b.v. heel goed met een plak chocolade, die zijn er namelijk met een gewicht van100 g (maar niet gelijk opeten!).Breng de lift in positie. Vraag je vader of moeder om assistentie: laat hen de auto op een hogeplek, b.v. boven op een kast of op een vensterbank zo neerzetten, dat de draad loodrecht naar onderen kan hangen en de hoogte van de auto niet meer verandert. Wikkel dan zoveel draad op, datdeze precies spant.

Afb. 141 (zie pagina 87 Duitse handleiding)

Start dan de motor en meet de tijd, die nodig is voor het omhoog trekken. De draad wordt op dedraadrol opgewikkeld en trekt zo het gewicht omhoog. Schakel de motor weer uit, als het bovenaangekomen is.Nu hoef je alleen nog maar de waarden die je gekregen hebt, in bovenstaande formule ingevuld teworden. Meet daarvoor de hoogte, die het gewicht (in dit geval de chocolade) omhooggetrokkenwerd. Voer de waarden gelijk in de passende eenheden in de formule (dus b.v. 0,1 kg en niet 100g). Dan krijg je de beschreven nuttige energie ook in de aangegeven eenheid:

t = …………… s benodigde tijd om het omhoog te trekkenh = ………….. m hoogteverschilm = …………. kg massa van het gewicht

Epot = m x g x h

= ……kg x 9,81 m/s2 x …… m

= ……. J

De voor de energie berekende waarde gebruik je in de volgende formule en deelt die door de tijd:

P = Epot / t = ……… J / ……… s = ……… W

P31Lift: geleverde energieHoeveel energie steekt er dan praktisch in de tank? De theoretische energie- hoeveelheid (maxi-maal presterende energie/ arbeid) die in de vorm van waterstof opgeslagen is, kunnen we op ba-sis van de data uit proef 17 berekenen. Deze bedraagt 237 J bij een aangenomen volume van 24ml waterstof.Laten we nu eens kijken naar de in totaal in mechanische arbeid omzetbare, daadwerkelijk nuttige

73

hoeveelheid energie, die naar de verliesrijke omvorming van de motor van elektrische naar me-chanische energie overblijft.De energie voor het één keer omhoogtrekken heb je in de vorige proef berekend. Als we tellen,hoe vaak het gewicht met één tanklading omhooggetrokken kan worden, dan kunnen we de totaalopgewekte mechanische arbeid berekenen. Tel dus, hoe vaak je het gewicht met één tankvullingomhoog kunt laten trekken. Het elke keer naar beneden laten tussendoor vraagt wat geduld. Jemoet steeds de motor uitschakelen en het gewicht voorzichtig naar beneden trekken.Als het gewicht b.v. tien keer omhooggetrokken kan worden, dan bedraagt de in mechanischearbeid omgezette energie bij onze voorbeeldwaarden uit proef 30 in totaal

E = 2 J x 10 = 20 J

E = …….. J . ……… (jouw waarden)

= ……. J (jouw resultaat)

Als je de meting beëindigd hebt en het gewicht net omhooggetrokken is, probeer dan eens hetvolgende: Laat het gewicht de draad bij een op de brandstof aangesloten motor afwikkelen. Jemoet het gewicht mogelijkerwijs nog iets vergroten en iets bij de chocolade er aanhangen. De danin werking gezette motor werkt weer als generator zoals in proef 25 en 26, en misschien stel jezelfs een gasontwikkeling vast. (Voor verdere proeven is de chocolade niet meer nodig…)

Afb. 142 (zie pagina 88 Duitse handleiding)

P32Het meten van nullastspanning, werkspanning en kortsluitstroom van de brandstofcelNet als bij de zonnemodule kunnen we ook bij de brandstofcel een paar capaciteitsdata bepalen,bijvoorbeeld de nullastspanning en kortsluitstroom (vergelijk proef 3). Op dezelfde manier kan ookde karakteristiek van de brandstofcel opgenomen worden (vergelijk proef 7).De tanks moeten weer met waterstof resp. met zuurstof gevuld zijn. Stel de multimeter voor hetmeten van de nullastspanning in op het bereik 2000 mV gelijkspanning en sluit hem aansluitenddirect aan op de brandstofcel, zoals weergegeven in het onderstaande schema:

Afb. 143: meten van de nullastspanning (zie pagina 88 Duitse handleiding)

Gemeten nullastspanning UOC: ……… mV

Nadat je de op de brandstofcel aanwezige spanning gemeten hebt, als er geen verbruiker (dusb.v. de motor) aangesloten is, bepaal je nu de spanning die ingesteld wordt als er een elektrischeverbruiker aangesloten is. Deze spanning wordt ook wel “werkspanning” genoemd. Gebruik daar-voor de elektrische schakeling zoals beschreven in proef 26 (afb. 145 en 146):

Afb. 144: opbouw voor de schakeling afb. 143(zie pagina 88 Duitse handleiding)

Afb. 145: opbouw voor de schakeling afb. 146(zie pagina 89 Duitse handleiding)

Afb. 146: meten van de werkspanning(zie pagina 89 Duitse handleiding)

74

Kijk naar de spanning: welke waarde wordt er ingesteld?Eerst heeft de werkspanning een hoge waarde, maar valt al heel snel af naar een lagere waarde.Tenslotte wordt er een spanning ingesteld, die gedurende langere tijd ongeveer gelijk blijft. Diemoet ongeveer in de buurt van de 800 mV liggen.

Gemeten werkspanning

UG = …….. mV

Vergelijk de werkspanning en de nullastspanning: waarom zijn ze verschillend? De waarde van dewerkspanning heb je zo meteen nodig bij proef 33 voor een berekening van het rendement.Koppel de multimeter voor het meten van de kortsluitstroom eerst los van de brandstofcel en stelhem in op het bereik van 10 Ampère. Sluit de kabels op de multimeter en de brandstofcel aan,zoals afgebeeld in de beide volgende afbeeldingen:

Afb. 147: meten van de kortsluitstroom(zie pagina 89 Duitse handleiding)

Afb. 148: opbouw voor de schakeling van afb. 147(zie pagina 89 Duitse handleiding)

Gemeten kortsluitstroom: ………. A

Vergelijk de kortsluitstroom met de stroom die bij de elektrolyse vloeit. Zijn er verschillen? Waar-om?Nu is er een goede gelegenheid, de vorming van het water te volgen. Want bij de meting van dekortsluitstroom vloeit de in de brandstofcel de grootst mogelijke stroom. Waterstof en zuurstofworden dus bijzonder snel weer tot water samengevoegd (uitleg daarover in de box “brandstofcelI”). Kijk dus, terwijl je de brandstofcel met kortsluitstroom laat werken, precies naar de waterfilmaan de zuurstofkant. Wat stel je vast?

Afb. 149: waterfilm aan de zuurstofkant(zie pagina 90 Duitse handleiding)

P33Rendement van de brandstofcelIn tijden van toenemende krapheid aan de tot nu toe gebruikelijke energiedragers (kolen, gas,uranium) en vanwege de schade aan het milieu, is het van groot belang energie zo efficiënt moge-lijk om te vormen en te gebruiken. Een maat voor de efficiëntie van de omvorming is het rende-ment. Wat een rendement is, heb je al bij de zonnecellen gezien (proef 8). In het algemeen geefthet rendement aan, welke verhouding er bestaat tussen bruikbare energie en in totaal ingezetteenergie.Laten we bijvoorbeeld eens kijken naar eden gebruikelijke gloeilamp. Deze heeft de taak licht televeren. Daartoe heeft de lamp energie nodig, die hij krijgt in de vorm van elektrische stroom. Alsde totale energie zonder verliezen in licht omgevormd zou worden, dan zou de lamp 100% van deenergie omzetten in de gewenste nuttige energie – het rendement zou dus 100% bedragen. Inwerkelijkheid bedraagt het rendement van een gloeilamp echter slechts 10%, dus maar 10% vande toegevoerde energie wordt in het gewenste licht omgevormd, de rest wordt omgezet in warmte.Hoe ziet het er nu uit met jouw brandstofcel? Hoe hoog is daar het rendement?Daartoe moeten we de energie, die we kunnen benutten, weer in verhouding brengen tot de inge-brachte energie. We hebben in de brandstofcel meerdere fases van energie- omzetting, namelijk

75

• Omvorming van de elektrische energie uit de zonnemodule door de waterelektrolyse in water-stof/ zuurstof

• Omvorming van waterstof/ zuurstof door de brandstofcel in elektrische energie.

De rendementen van deze aparte fases worden gekoppeld tot een totaalrendement. Dat kan ge-beuren volgens de volgende formule (strikt genomen is de formule niet helemaal volledig, maarom ongeveer een voorstelling te krijgen van de grootte van het rendement, is deze formule ruim-schoots voldoende). Hier kun je waarden invullen, die je al gemeten hebt:

werkspanning v.d. brandstofcelη brandstofcel = --------------------------------------------

elektrolysespanning

Als je bijvoorbeeld een werkspanning (proef 32) van de brandstofcel van 0,8 V alsmede een elek-trolysespanning (proef 16) van 1,62 V hebt gemeten, dan kan het rendement van je brandstofcelals volgt berekend worden:

0,8 Vη brandstofcel = ----------- = 0,49

1,62 V

Dat is 49%. Het verschil tot 100%, in dit voorbeeld 51%, wordt in warmte omgezet, de brandstofcelwordt dus tijdens het gebruik opgewarmd.

Afb. 150: efficiëntie van het energieverbruik: rendementen van verschillende technieken met elkaar vergele-ken(zie pagina 91 Duitse handleiding)

BlokverwarmingcentralesVaak wordt de afvalwarmte bij het opwekken van stroom niet gebruikt. Bij blokverwarmingcentra-les wordt er echter van de nood een deugd gemaakt en gebruikt men de bij de stroomproductietoch al vrijkomende warmte voor verwarming. Daardoor wordt het aandeel van de in totaal ge-bruikte energie groter: het rendement van het totale systeem wordt groter.

Vul nu jouw waarden in:

η brandstofcel = ……. V / …….. V = ……….

Het rendement van brandstofcellen ligt hoger dan bij b.v. de gebruikelijke auto’s. In de boven-staande afbeelding zijn een paar rendementen weergegeven.

Er wordt op het ogenblik van uitgegaan, dat zelfs een rendement van 75% mogelijk is, maar totdeze waarde ook in de praktijk bereikt wordt, moet er nog veel onderzoek gedaan en ontwikkeldworden. Het theoretische rendement van een auto- verbrandingsmotor (let op het verschil tusseneen diesel- en een benzinemotor) ligt met maximaal 40% veel lager – een duidelijke plus voor debrandstofcel.

Verminderd vermogen van de brandstofcelAls het vermogen van de brandstofcel minder wordt, dat merk je aan de ontbrekende trekkrachtvan de motor, moet je het gedestilleerde water vervangen en met de spuit vers water doortrekken.

76

Dat geldt vooral als de brandstofcel langere tijd niet gebruikt is.Meerdere achter elkaar uitgevoerde laad- en ontlaadprocedures verbeteren het prestatievermogenvan de brandstofcel weer. Daartoe is het zinvol, de motorleidingen er af te halen en de ontladingvan de brandstofcel alleen uit te voeren via de meter (10 A- bereik).

Een vermindering van de capaciteit kan ook veroorzaakt worden door een verminderde aandrukbinnen de brandstofcel. Met een 8 mm zeskantige sleutel kunnen de moeren voorzichtig aange-trokken worden (voor een hogere druk naar rechts draaien).Let op! je moet de moeren maar heel voorzichtig natrekken, opdat de draad niet beschadigdwordt!

Afb. 151: explosietekening van de brandstofcel (zie pagina 92 Duitse handleiding)

Opbouw van de brandstofcelNu heb je een groot aantal experimenten met de brandstofcel uitgevoerd. De opbouw van de po-lymeer- membraan- brandstofcel werd in principe al bij proef 23 (pag. 78) beschreven. Hoe is debrandstof nou echter concreet opgebouwd?Je kunt natuurlijk in principe de brandstof uit elkaar halen en weer in elkaar zetten.

Maar hierbij een waarschuwing:Overleg goed, of je het niet liever laat bij het bekijken van de tekening, want het uit elkaarnemen van de brandstofcel kan leiden tot beschadiging van de nafion- folie. Dit zou dan jelaatste experiment zijn, je zou de experimenten met de brandstofcel niet meer kunnen her-halen! De cel zou niet meer kunnen functioneren!Voor het geval dat je de cel toch uit elkaar wilt halen, kunnen wij geen garantie geven dathet in elkaar zetten weer tot een brandstofcel leidt die goed functioneert.De brandstofcel mag alleen in absoluut droge toestand uit elkaar gehaald worden. Andersrolt de nafion- folie op. Het is dan praktisch uitgesloten hem weer glad te leggen. De cel zoudan geruïneerd zijn!

Afb. 152: opbouw voor de schakeling afb. 153(zie pagina 93 Duitse handleiding)

P34Zonne- waterstof- hybride autoTot nu toe heb je de auto of met de zonnecellen of met de brandstofcel als stroombron laten rij-den. Maar wat gebeurt er, als de zonnecellen en de brandstofcel op de auto aangesloten zijn?Gebruik daarvoor de volgende parallelschakeling (afb. 152 en 153):

Afb. 153: Motor met brandstofcel en zonnemodule parallel geschakeld(zie pagina 93 Duitse handleiding)

Bovendien moeten de gasvoorraden in de tanks helemaal opgebruikt zijn.Zo, we hopen dat de zon ook schijnt. Anders neem je maar een lamp, die op de zonnemoduleschijnt. Het beste is een sterke zaklantaarn, zodat je het licht ook kunt “bijsturen”. De auto begintte rijden, zodra het licht voldoende is. Nadat hij een tijdje gereden heeft, beschaduw je de zonne-cellen (of je schakelt de lamp uit), zodat er geen of nog maar weinig licht op de zonnecellen valt.Wat nu? De auto rijdt gewoon door? Maar dat is toch duidelijk, nietwaar? De zonnecellen produce-ren stroom, zodra ze met voldoende licht beschenen worden: de motor kan beginnen… Dat ken jeal uit proef 1. Terwijl daar alleen de motor van stroom voorzien werd, kreeg echter ook de brand-stofcel stroom van de zonnemodule, want zonemodule, motor en brandstofcel zijn parallel ge-

77

schakeld. Als de spanning op de brandstofcel minimaal 1,5 V bedraagt, dan werkt deze als elek-trolyseur en produceert waterstof en zuurstof. De gassen worden weer in de tanks opgeslagen…en ook dat ken je inmiddels. Deze procedure noemen we het laden.

Afb. 154 (zie pagina 93 Duitse handleiding)

Wanneer nu echter de zonnecellen beschaduwd worden, dan valt de spanning op de als elektroly-seur werkende brandstofcel af, en als deze spanning onder een bepaalde waarde afgevallen is(ongeveer 1,0 V), dan produceert de brandstofcel weer stroom uit de kort daarvoor nog in de tanksopgeslagen gasvoorraden – hij rijdt in opslagwerking.Werken bij laden en opslag kunnen elkaar steeds afwisselen. En het beste: je hoeft daarvoor he-lemaal geen aansluitingen te veranderen, want op grond van de op dat moment aanliggendespanning “merkt” de brandstof enigszins, wanneer welke manier van werken nodig is.Natuurlijk moet er tussendoor steeds weer genoeg licht aanwezig zijn, om de voorraden op te fris-sen, maar in principe heb je nu een auto die onafhankelijk van andere stroomvoorzieningsbronnenzoals b.v. een benzinepomp kan rijden. En dat met geen enkele vorm van uitlaatgassen. Want gasen water worden in een gesloten circuit in elkaar omgevormd. Je hebt een nul- emissie- auto.Fantastisch!

VooruitzichtenAan de hand van de experimenten heb je een indruk kunnen krijgen hoe brandstofcellen functio-neren en hoe ze toegepast kunnen worden. Misschien heb je zelf ook ideeën ontwikkeld, hoe jouwbrandstofcel nog meer toegepast zou kunnen worden.Inderdaad zijn er vele toepassingsgebieden. En hoewel het idee van de brandstofcel al in hetmidden van de 19e eeuw ontdekt werd, kan het deze nog verder ontwikkeld en verbeterd worden.Juist vanwege de steeds groter wordende milieuproblemen wordt de toepassing steeds interes-santer en belangrijker.Want vanwege het hoge rendement, vergeleken met de gebruikelijke energie- omvormers, zoalsb.v. verbrandingsmotoren (zie afb. 150), hebben brandstofcellen ecologische voordelen (energie-besparing, vermindering van de CO2 – uitstoot). Er moeten echter nog problemen opgelost wordenop het gebied van de efficiënte opslag van de energiedrager waterstof.Overeenkomstig groot zijn de inspanningen op het gebied van onderzoek en verdere ontwikkelingvan de benodigde componenten en systeemtechniek. Niet in de laatste plaats tekent zich met dehier beschreven techniek ook een winst belovende markt af.Door de modulaire bouwwijze zijn brandstofcellen van batterij voor apparaten tot aan krachtcen-trale universeel toepasbaar. Vooral in de volgende bereiken is de toepassing van brandstofcellenveelbelovend: brandstofcel- blokverwarming als “privé- krachtcentrales”: gelijktijdige productie vanwarmte en stroom b.v. voor flats en eengezinswoningen, decentrale stroomproductie, dus toepas-singen zoals bij gebruikelijke batterijen en accu’s (b.v. diskman, modelbouw, mobieltjes, hobby-elektronica, laptop) en, zoals weergegeven in onze experimenten, in het verkeer.In de grootschalige techniek komt de waterstof voor de brandstofcellen nog hoofdzakelijk uit deomvorming van aardgas. Omdat daarbij CO2 vrijkomt, wordt via deze omweg het broeikaseffectversterkt, net zoals door een benzine- of dieselauto. Zodra er echter regeneratieve stroombronnenvoor de productie van H2 toegepast worden, krijgen we een ingrijpende verandering: schadelijkeuitstoot wordt uitgesloten of op zijn minst drastisch gereduceerd.Je hebt nu een auto, die bij gebruik geen emissies produceert; water wordt met behulp van hetzonlicht via de zonnemodule en de brandstofcel gesplitst in waterstof en zuurstof en weer in debrandstofcel onder afgifte van energie tot water teruggevormd, waar het opnieuw gesplitst kanworden – een waterstofcircuit. Heel gauw zou dat op grote schaal mogelijk kunnen zijn.

78

We blijven hopen dat de toepassing van de brandstofcellen in toenemende mate verder ontwik-keld en ook door de maatschappij, dus door ons allemaal, gedragen wordt.Met jouw experimenteerdoos heb jij in ieder geval een naar de toekomst wijzend concept in han-den.

Afkortingsregister

Symbool Betekenis Eenheid, waarde RelatiesAl aluminiumCl chloore elektronE Energie, arbeid, warmte J (Joule, spreek uit “zjoel”) 1 J = 1 Ws (Wattseconde)

Nm (Newtonmeter) 1 kW = 3.600.000 Ws

1 Nm = 1 JEmax maximaal te leveren J/ mol Emax = 237 kJ/mol

energie/ arbeid per mol

Epot potentiële energie, J opslagenergie

g aardversnellingconstante 9,81 m/s2 (op onze breedtegraad)H waterstofH2 waterstofgasH2O waterI intensiteit W/m2

I stroomsterkte A (Ampère) 1 A = 1 C/sImpp Stroom op Maximum

Power Point AIsc kortsluitstroom (shortcut) Am massa kgO zuurstofO2 gasvormige zuurstofP vermogen W (Watt) 1 W = 1 J/s = 1 VA= 1 VC/sQ elektrische lading C (Coulomb)t tijd s, min, h 1 h = 60 min = 3.600 srgas gasvormingsnelheid ml/s, mol/sU spanning V (Volt)UB Werkspanning VUmpp spanning op Maximum V

Power PointUoc nullastspanning “open V

circuit”)V volume m3, cm3 1 m3 = 1,000 l

l (liter), ml (milliliter) 1 l = 1000 mlη rendement

79

De auteurs

Dr. Detlef Bahnemann (geb. 1953)is afgestudeerd chemicus. Hij werkt als afdelingsleider van de afdeling “fotochemie en Dunne laag– techniek” aan het Instituut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH)(Duitsland) op de locatie Hannover (Sokelantstrasse 5, D-30165 Hannover, BRD)De zwaartepunten van deze afdeling liggen bij het produceren en beproeven van nieuwe soortendunne lagen zonnecellen alsmede solaire water- en luchtreiniging.

Christopher Berge (geb. 1972)is afgestudeerd natuurkundige. Hij schreef zijn proefschrift in de afdeling “Foto- Voltaik” aan hetInstituut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH) (Duitsland). Het doelvan deze afdeling is het ontwikkelen van zeer efficiënte silicium zonnecellen tegen een econo-misch verantwoorde prijs. Op dit moment (begin 2000) werkt de heer Berge met een EU- beurs bijhet “Ente per le Nuove Tecnologie, lÉnergia e lÄmbiente” ENEA) in Rome op het gebied “Karakte-risering van dunne lagen”.

Francisco Pujiula- Krügeris afgestudeerd natuurkundige. Het zwaartepunt van zijn werk ligt op het gebied van regeneratieveenergietechnieken. Hij was lange tijd werkzaam bij het volwassenen- onderwijs en kwam in hetkader van een door hem ontwikkeld concept naar de voortgezette lerarenopleiding naar het Insti-tuut voor Onderzoek naar Zonne-energie” in Hameln/ Emmertal (ISFH) (Duitsland). Als weten-schappelijk medewerker werkt hij daar op het ogenblik aan een onderzoeksproject voor de ontwik-keling van een Input/ Output controle- procedure voor zonne-installaties.