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Die Sonne schenkt uns Energie – Bau von Solarkochern (Kl. 9/10)

Ziele

Mit einfachen Mitteln die faszinierende Nutzung der Sonnenenergie kennen lernen. Im Team gemeinsam ein Problem lösen, verschiedene Lösungen vergleichen und bewerten.

Fachbezug

• Physik (Solarkonstante, Wahlthema Energie und Umwelt, Strahlenoptik, Wärmelehre),
• Geographie (Beleuchtungszonen der Erde, Die Erde und das Leben der Menschen auf den Kontinenten),
• AWT (Einsatz von Sonnenkollektoren),
• Astronomie (Aufbau der Sonne, Energieabstrahlung der Sonne),
• Biologie (nachwachsende Rohstoffe)
• Fächer verbindender Unterrichtsabschnitt Sonne – Quelle des Lebens (Kultusministerium des Landes Mecklenburg-Vorpommern, 1998) mit den oben angeführten Themen

Vorbereitungs- und Durchführungsaufwand

II (mittel)

Zeitbedarf

5-7 Unterrichtsstunden – ideal als ein Projekttag.

Voraussetzungen und Vorbereitung

Solarkochen ist für uns in Deutschland eher nicht die typische Nutzungsform der Sonnenenergie. Dennoch - oder gerade deshalb - macht Solarkochen Spaß. Zudem lassen sich Solarkocher relativ einfach bauen, und am Beispiel der Solarkocher können die SchülerInnen grundlegende Techniken, Herausforderungen und naturwissenschaftliche Hintergründe der Wärmegewinnung aus Sonnenenergie kennen lernen.

Ganz einfache Solarkocher können aus stabiler Pappe (Kartonagen aus der Altstoffsammlung, reichliche Menge besorgen!) hergestellt werden. Zusätzlich werden Aluminiumfolie, dickere transparente Kunststofffolie, schwarze Farbe, Schere, Cutter, Kombizange, Klebstoff bzw. Klebeband, starker(!) Draht bzw. dünne Metallstangen sowie eventuell Bindfaden eingesetzt. Wenn Sie die Verbrauchsmaterialien geschickt auswählen, müssen Sie für eine ganze Klasse nicht mehr als 10,- bis 20,- Euro ausgeben. Vielleicht können auch Ihre Schüler die Materialien mitbringen.

Für etwas anspruchsvollere Geräte werden – je nach Konstruktionsprinzip – Isoliermaterialien (Schaumpolystyrol, Knüllpapier oder alte Textilien), Konstruktionsstoffe (Holz oder Metall) und Hilfsmittel zu deren Verarbeitung (z.B. Säge, Hammer und Nägel) benötigt. Ein Teil dieser Materialien kann kostenlos besorgt werden, insgesamt sollten auch dann für einen solchen Solarkocher nicht mehr als 20,- bis 30,- Euro veranschlagt werden. Wenn Sie „richtig“ mit Glas und Holz arbeiten möchten (Arbeitsanleitungen finden Sie am Seitenenende), wird es allerdings deutlich teurer und auch zeitaufwändiger.

Zum Test werden Töpfe (1 – 2 l Fassungsvermögen, möglichst dunkel und mit Deckel) sowie Thermometer benötigt.

Innerhalb eines Tages kann eine Klasse mehrere einfache Solarkocher entwerfen, herstellen und ausprobieren. Voraussetzung hierfür ist, dass Sie alle Materialien für Ihre Schüler im Vorfeld besorgt haben.

Die Lehreinheit muss im Sommer realisiert werden, für den Test der Kocher ist sonniges Wetter erforderlich

Durchführung

Einführung (½-1 Stunde)

Ein durchschnittlicher Quadratmeter Boden in der Bundesrepublik Deutschland empfängt pro Jahr etwa 1000 kWh an Sonnenenergie. Das entspricht der Energie, die bei der Verbrennung von 100 l Heizöl frei wird. Die Leistung der Sonne entspricht an einem wolkenlosen Sommertag ca. 1000 W/m².

Diesen unermesslich reichen Schatz gilt es zu nutzen, zumal bei steigenden Heizölpreisen. Dafür müssen heute – während die fossilen Energieträger allmählich aufgebraucht werden – praktikable und marktfähige Technologien entwickelt werden.

Für die Einführung gibt es verschiedene Möglichkeiten - wählen Sie aus, was für Ihre Klasse gut passt:

• Filme wie „An Inconvenient Truth“ (von Friedensnobelpreisträger Al Gore) oder "The Oil Crash" führen die Herausforderung einer Energiewende anschaulich vor Augen (Bezugsquellen am Seitenende). Sie als Lehrer sollten den entsprechenden Film vorher gesehen haben und dann Ihrer Klasse evtl. nur einige ausgewählte Kapitel zeigen, damit die "passive" Medienrezeption keinen zu großen Anteil an dem Projekttag bekommt. Zudem sollten Sie dann anschließend den Bogen vom konkreten Thema des Films zur Solarenergie und zum Solarkochen schlagen.
• Sie können Ihre SchülerInnen im Vorfeld über Zusammenhänge zwischen Energiewirtschaft und Klimawandel sowie über die Chancen der erneuerbaren Energien recherchieren lassen (Material dazu gibt es u.a. auf den Seiten Klimaschutz sowie erneuerbare Energien); die SchülerInnen können dann die Einführung in das Solarprojekt selber mit Impulsvorträgen gestalten.
• Die Klasse kann ausrechnen, welchen Geldwert an Energie Ihre Schule pro Jahr von der Sonne empfängt (Grundfläche des Schulgebäudes in m² x 100 l/m² x Heizölpreis [am 14.3.2008 in Deutschland beispielsweise 77,00 € / 100 l, nach www.tecson.de/pheizoel.htm]).
  Der tatsächliche Nutzwert der Sonnenenergie ist dann allerdings geringer, denn in einer heute üblichen Photovoltaikanlage können Sie nur ca. 15% der eingestrahlten Energie in Strom umwandeln, und bei einer solarthermischen Anlage gewinnen Sie ca. 50% der eingestrahlten Energie als nutzbare Wärmeenergie. (Diese Angaben zum Systemwirkungsgrad sind ganz grobe Schätzwerte; technische Verbesserungen sind in den nächsten Jahren zu erwarten.)

Konstruktion (½-1 Stunde)

Die Schüler sollen nun das Solarkochen als ein einfaches und anschauliches Beispiel für die Nutzung der Sonnenenergie kennen lernen.

Bereiten Sie Ihre Klasse auf die Aufgabe vor, indem Sie die beiden grundlegenden Konstruktionsprinzipien der Kocher – nämlich Reflektor und Kollektor – erläutern! Gehen Sie dabei auch auf die unten benannten konstruktiven Probleme und Herausforderungen ein! Stellen Sie die bereitgestellten Materialien und Werkzeuge vor und besprechen Sie mit der Klasse den weiteren Ablauf des Projekttages.

 

Funktionsprinzip Kollektor

Ein Kollektor lässt sich recht einfach herstellen, da hier die Grundform eines Pappkartons kaum verändert werden muss. Schon mit der "einfachsten Ausführung" können Wärmegewinne erzielt werden - zum Kochen reicht das aber keinesfalls aus. Daher sollten die Schüler unbedingt ermutigt werden, an der Optimierung ihres Kochers zu arbeiten! Sie sollten die Kartonwände gut gegen Wärmeverluste dämmen. Sie sollten das Fenster, durch welches Sonnenlicht eintritt, mit einer Glasscheibe oder mit einer doppelten Folienabdeckung (1-2 cm Abstand zwischen beiden Folien) versehen, damit auch dort nicht zu viel Wärme entweichen kann. Zudem ist es sehr komfortabel, wenn der Kocher einen klappbaren Deckel hat.

Funktionsprinzip Reflektor

Die parabolische Schüssel, die für den Reflektor benötigt wird, ist schwerer zu bauen. Erklären Sie Ihren Schülern die mathematische Grundform oder geben Sie diese als Schablone vor! Gut geeignet ist z.B. eine Parabel der Funktion y=1/2x² mit –1<x<+1 (siehe Abbildung). Gebaut wird die Schüssel aus mehreren Segmenten; diese werden z.B. mittels zweier kreuzweis angeordneter parabolischen Schablonen in Form gebracht. Dieser Kocher funktioniert um so besser, je größer der Reflektor ist. Mit dem Durchmesser steigt jedoch auch der Anspruch an die mechanische Belastbarkeit. Zusätzlich muss gewährleistet werden, dass der Topf sicher im Brennpunkt fixiert wird und dass der Spiegel dennoch nach der Sonne ausgerichtet – also bewegt – werden kann. Dies kann so realisiert werden, dass ein stabiler Rahmen geschaffen wird (z.B. großer Pappkarton), in diesen Rahmen wird eine starre Achse eingebaut, welche den Topf und den – beweglich angebauten – Parabolspiegel trägt (Profigerät: siehe Foto).

Alle diese Herausforderungen sollten bereits in der Konstruktionsphase gründlich durchdacht worden sein.

 

Anschließend teilt sich die Klasse nach Sympathie in Gruppen zu 4-5 Schülern auf.

In den Gruppen besprechen die Schüler, welchen Kochertyp sie herstellen wollen und wie sie ihr Modell aus den vorhandenen Materialien bauen können. Lassen Sie sich die Entwürfe vorstellen und greifen Sie bei Bedarf unterstützend ein!

Bau (2 Stunden)

Wenn den Schülern klar ist, wie sie vorgehen wollen, können sie sich mit den notwendigen Materialien versorgen und mit dem Bau beginnen.

Test (1-2 Stunden)

Gehen Sie nun mit Ihrer Klasse ins Freie zu einem Platz, an dem Sie volle Sonneneinstrahlung haben. Die Kocher werden hier so aufgestellt, dass sie optimal zur Sonne zeigen. Um möglichst große Wärmegewinne zu erzielen, können die Kollektoren bzw. müssen die Reflektoren nach jeweils ca. einer halben Stunde entsprechend der "Sonnenbahn" erneut ausgerichtet werden.

In jedem Kocher wird ein Topf mit Wasser erwärmt. In Abständen von 5 Minuten wird die Wassertemperatur gemessen, die Messwerte werden protokolliert.

Der Test kann als Wettbewerb durchgeführt werden: Welcher Kocher erwärmt binnen einer Stunde einen Liter Wasser am stärksten? Welcher Kocher schafft es eventuell sogar, das Wasser bis zum Sieden zu erwärmen? Um faire Wettbewerbsbedingungen zu schaffen, müssen alle Töpfe mit der gleichen Menge Wasser befüllt und alle Kocher gleichzeitig getestet werden.

Wenn die Schüler den Test in der Schulöffentlichkeit durchführen oder gar mit einer Solarwürstchen-Aktion (siehe unten) verbinden, können sie vielleicht etwas von der Faszination der Solarenergie verbreiten.

Mit der Betreuung der Kocher und der Aufnahme der Messwerte ist nicht die ganze Klasse beschäftigt. Daher können Sie evtl. parallel Arbeitsaufträge verteilen wie z.B.:

• Findet heraus, wo es Solarkocher zu kaufen gibt, was für Geräte das sind und was sie kosten!
• Findet Rezepte für Gerichte, die sich zum Solarkochen eignen!
• Findet heraus, wo in unserer Stadt / in unserer Gegend Wärmeenergie aus der Sonnenstrahlung gewonnen wird (Stichwort für die Recherche: Solarthermie)!
• Findet heraus, wie man die Leistung eines Solarkochers berechnen kann!

 

Sonnenscheiben oder Solarwürstchen

Den Bau bzw. Test von Solarkochern können Sie durch eine Solarkoch-Aktion ergänzen. Diese ist in dem am Seitenanfang angegebenen Zeitaufwand nicht enthalten; sie muss also parallel durchgeführt werden, oder der Zeitaufwand kommt hinzu.

Ein einfaches Solargericht zuzubereiten und zu verzehren, ist für die meisten Menschen viel anschaulicher als alle Mess- und Rechenwerte, die Sie vielleicht im Rahmen der Unterrichtseinheit bereits ermittelt haben. Sie können z.B.:

• Solarwürstchen oder
• Sonnenscheiben (mehr dazu hier...)

kochen. Beide Gerichte müssen nur erwärmt / gedünstet werden und eignen sich daher sehr gut für das Solarkochen. Dabei sind die "Sonnenscheiben" umweltpolitisch noch stimmiger, denn mit unserem hohen Fleischkonsum tragen wir ganz erheblich mit zum Klimawandel bei (siehe Aktion "Alles Wurst?!").

Hierzu benötigen Sie einen Solarkocher mit einem ausreichend großen Topf. Entweder haben Ihre Schüler ein wirklich funktionsfähiges Gerät gebaut, oder Sie leihen sich einen professionellen Kocher wie den SK 14 (siehe auch Abbildung oben) bei einer Umweltinitiative aus. Zudem müssen Würstchen, Brot, Senf und Ketschup, ein Tisch mit Tischtuch, Topflappen, Teller und eine Würstchenzange besorgt werden.

Diese Aktion kann nur bei sommerlich-sonnigem Wetter durchgeführt werden.

Bauen Sie Kocher und Tisch auf. Ab etwa 10.00 Uhr liefert die Sonne ausreichend Energie, um den Kocher zu betreiben. Der Kocher SK 14 (1,5 m² Reflektor, Leistung über 1.000W) benötigt dann eine Stunde Zeit, um einen großen Topf mit 8-10 l Wasser auf die notwendigen 80 - 100 °C zu erhitzen. Schneller geht es, wenn der Topf nur zur Hälfte gefüllt wird.

Lassen Sie den Kocher nicht ohne Aufsicht!

Wenn das Wasser heiß ist, können die Sonnenscheiben bzw. die Würstchen erwärmt werden. Achten Sie darauf, dass die bei der Zubereitung von Speisen selbstverständlichen hygienischen Bedingungen eingehalten werden! Sonnenscheiben können Sie aus Zahnstocher gespießt verteilen. Würstchen werden zwischen Brotscheiben bzw. auf Keramikgeschirr ausgegeben. Vermeiden Sie Wegwerfteller! Die gemeinsame Mahlzeit ist der Höhepunkt der Aktion.

 

Auswertung (1 Stunde)

Die Auswertung konzentriert sich zunächst auf die gebauten Modelle. Sie kann dann zu einer weitergehenden Diskussion über die Nutzung der Solarenergie ausgedehnt werden.

Folgende Fragen können die Schüler erörtern:

• Die erfassten Messwerte werden als Diagramm dargestellt. Wie kann der Temperaturverlauf interpretiert werden? Welche Schlussfolgerungen für den praktischen Einsatz lassen sich hieraus ziehen?
• Was unterscheidet die einzelnen Kocher voneinander? Wodurch zeichnen sich die Kocher aus, die besonders hohe Energiegewinne eingefangen haben? Wie könnten auch diese Kocher weiter optimiert werden?
• Sind die gebauten Modelle für den breiten Einsatz in Mitteleuropa geeignet? Warum bzw. warum nicht? Wo bzw. unter welchen Rahmenbedingungen könnten die gebauten Solarkocher sinnvoll eingesetzt werden?
• Welche Funktions- und Konstruktionsprinzipien liegen den Solaranlagen zugrunde, die auf vielen bundesdeutschen Dächern Warmwasser bereiten? Welche beim Solarkocherbau gewonnenen Erfahrungen könnten auch beim Bau dieser solarthermischen Anlagen angewendet werden?
• Wo arbeiten großtechnische solarthermische Anlagen und wie funktionieren diese? (Neben der parabolischen Schüssel kommt hier auch die parabolische Rinne zum Einsatz, siehe Skizze oben).

Die beiden letzten Fragen eignen sich auch für eine nachfolgende Vertiefung im Physik- oder Technikunterricht.

Erfahrungen und Ergebnisse

Schon mit simpel gebauten Solarkochern können messbare Wärmegewinne realisiert werden. Wenn Sie einen richtig funktionsfähigen Kocher bauen wollen, müssen Sie aber mehr Zeit und Geld aufwenden, als Ihnen für einen Projekttag normalerweise zur Verfügung steht. Auch muss dann sehr sorgfältig gearbeitet werden, damit die Wärme im Kollektor "gefangen" bleibt bzw. damit der Reflektor die Strahlung sehr genau auf den Kochtopf bündelt.

Ein Kollege hat mir vor einigen Jahren einen kleinen Solar-Backofen gebaut, in dem ich sogar Betriebstemperaturen von über 200°C erreiche und damit Kekse backen kann (siehe KEBAM I).

Ich habe mit meinem SK 14 schon mehrfach öffentlich Solarwürstchen zubereitet und dabei vom "einfachen Mann" bis hin zum Oberbürgermeister der Hansestadt Stralsund oder zu Frau Dr. Angela Merkel (damals noch Bundesumweltministerin) alle Zielgruppen bedient. Die Aktion ist einfach und dabei so anschaulich, dass sich kaum jemand der Faszination der Sonnenenergie entziehen kann.

Spezielle Tipps

Achtung: Bei Reflektoren ab ca. 1 m Durchmesser ist Vorsicht geboten! Wenn solche Kocher gut konstruiert sind, bündeln sie das Sonnenlicht sehr stark. Wer ungeschützt in den Reflektor schaut, kann sich die Augen schädigen. Daher sollte nur gut eingewiesenes Personal direkt am Kocher arbeiten und eine Sonnenbrille tragen.

Wenn mehr Zeit zur Verfügung steht (Projektwoche oder Arbeitsgemeinschaft), können die Schüler auch anspruchsvollere Modelle bauen, die zu ihrer Konstruktionsidee passenden Materialien selbst auswählen und die zur Auswertung angegebenen Fragen recht tiefgreifend erarbeiten. Tipps und Anregungen dazu finden Sie auf der Seite Solarkocher.

Literatur und Kontakte

Zur Einführung geeignete Online-Ressourcen sowie Fachbücher und Lehrmaterialien finden Sie in der Mediathek.

Viele Bauanleitungen und Praxisbeispiele, Kontaktadressen und Rezepte für „Solargerichte“ präsentiert: Solarkocher-Baugruppe (Hrsg.): Das Solarkocher Buch. Energiewende Verlag, Eschringen 1995. Hier wird auch die Anwendung von Solarkochern in Entwicklungshilfeprojekten erörtert.

Rolf Behringer und Michael Götz gehen in ihrem Buch "Kochen mit der Sonne" insbesondere auf die Nutzung von Solarkochern bei uns in Mitteleuropa ein - sie präsentieren geeignete Kochermodelle und Rezepte (Ökobuch; 1. Auflage 2008; ISBN 978-3-936896-39-8).

Vielfältige, detaillierte und kenntnisreiche Tipps zum Bau von Solaranlagen vermitteln Kuhts, Christian / Böhmeke, Georg / Grawert, Jens: Einfälle statt Abfälle: Sonnenwärme – 12 Bauanleitungen. Verlag Christian Kuhts, Kiel 1990. Baumaterial ist fast ausschließlich alter Schrott, der in einer Schule mit Hilfe des Hausmeisters, der Schüler und Eltern – ohne Kosten! – beschafft werden könnte. Diese Broschüre ist für eine Solar-Tüftler-AG hervorragend geeignet!

Versuchsreihen für Physik- und Techniklehrer bietet Butt, Regina: Nutzung von Sonnenenergie und Umgebungswärme - Sonnenkollektor. Versuchsthemen Energie Teil 1, Phywe-Schriftenreihe, Göttingen (ohne Jahresangabe)

Ein gut aufbereitetes Unterrichtsmaterial mit Arbeitsaufträgen für Schüler, Experimenten, Kopiervorlagen u.v.m. ist: Greenpeace Schweiz / Universität Bern: Die Klima-Experimentierwerkstatt. AOL-Verlag / Verlag Die Werkstatt, Lichtenau 1996

Bitte nutzen Sie auch folgende Informationen auf diesem Server:

• Eine Solaranlage für die Schule

Diese Unterrichtseinheit wurde zuerst publiziert in: Tilman Langner: Die Fundgrube für den Umweltschutz in der Sekundarstufe I. Berlin: Cornelsen Scriptor, 2000

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