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Erneuerbare Energien – Modellierung und Optimierung eines Solarkraftwerks

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Neue Materialien für einen realitätsbezogenen Mathematikunterricht 9

Part of the book series: Realitätsbezüge im Mathematikunterricht ((REIMA))

  • 1123 Accesses

Zusammenfassung

Der Einsatz effizienter erneuerbarer Energieformen wird mit Blick auf den fortschreitenden Klimawandel immer bedeutender. In diesem Workshop werden Solarkraftwerke betrachtet, bei denen flache Spiegel Sonnenstrahlen auf ein Rohr fokussieren in dem sich ein Wärmeträgerfluid, z. B. Wasser, befindet. Dieses wird erhitzt und im Falle von Wasser verdampft. Mithilfe einer Dampfturbine wird elektrische Energie erzeugt. Im Workshop entwickeln die Lernenden ein Modell für die Ausrichtung der Spiegel und die Leistung eines Solarkraftwerks. Anschließend werden verschiedene Kraftwerksparameter optimiert und Modellverbesserungen eingebaut. In diesem Kapitel werden Materialien für die Mittelstufe (ab Klasse 9) und die Oberstufe vorgestellt. Im Mittelstufenworkshop kommen zahlreiche geometrische Überlegungen zum Einsatz. Der Schwerpunkt im Oberstufenworkshop liegt auf der Optimierung. Die Materialien der beiden Workshop-Versionen können beliebig kombiniert und erweitert werden.

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Notes

  1. 1.

    www.frenell.de/, letzter Aufruf: 01.10.2020

  2. 2.

    www.flagsol.com/, letzter Aufruf: 01.10.2020

  3. 3.

    Nahe Sevilla steht das Solarkraftwerk PS. 20 und bei Upington das Solarkraftwerk Khi Solar One, siehe https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stations, letzter Aufruf: 27.07.2020.

  4. 4.

    Die Symbole , , und  spiegeln die Modellierungsschritte wieder. Die genaue Bedeutung der einzelnen Symbole wird in Abschn. 1.1 detaillierter beschrieben.

  5. 5.

    Im Rahmen einer Modellierungswoche ausgerichtet von dem Schülerlabor CAMMP der RWTH Aachen. www.cammp.rwth-aachen.de, letzter Aufruf: 06.09.2020

  6. 6.

    Die wesentlichen Bausteine der Arbeitsblätter und deren jeweilige Besonderheiten werden in Abschn. 2.3.2 beschrieben. Um den strukturellen Aufbau der Arbeitsblätter besser nachvollziehen zu können, wird dem Leser / der Leserin die Lektüre dieses Abschnitts empfohlen.

  7. 7.

    Der hier eingeführt Sonneneinfallswinkel \(\alpha \) entspricht dem in Abschn. 3.3 eingeführten transversalen Einfallswinkel \(\alpha _t\).

  8. 8.

    In den Lösungen wird der Code, der von den Lernenden eingegeben wird, fett hervorgehoben. Alle übrigen angegebenen Bestandteile des Codes sind bereits auf dem digitalen Arbeitsblatt vorhanden.

  9. 9.

    Diese Vereinfachung lässt sich auch so interpretieren, dass wir die Tiefe von Spiegel und Rohr auf \(1\textrm{m}\) festlegen.

  10. 10.

    Diese Vereinfachung lässt sich auch so interpretieren, dass wir die Tiefe von Spiegel und Rohr auf \(1\textrm{m}\) festlegen.

  11. 11.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Bedarf_an_elektrischer_Energie, letzter Aufruf: 27.07.2020.

  12. 12.

    Das zur Optimierung eingesetzte Paket heißt Ipopt. Weitere Informationen sind unter https://coin-or.github.io/Ipopt/ zu finden. Zugriff am: 06.11.2020

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Danksagung

Der Workshop zum Thema Solarkraftwerk ist über viele Jahre hinweg weiterentwickelt und durch das Mitwirken verschiedener Personen stetig verbessert worden. Allen Mitwirkenden möchte die Autorin an dieser Stelle herzlich danken.

Ein besonderen Dank gilt dabei Pascal Richter, der dieses Projekt all die Jahre u. a. durch fachlichen Rat, anregende Diskussionen, konstruktive Ideen und tolle Abbildungen unterstützt hat. Zudem gilt ein besonderer Dank Carolin Kreutz (ehemals Krahforst) und Christina Roeckerath, die im Rahmen ihrer Staatsexamensarbeiten einen wesentlichen Beitrag zu der Entwicklung des Lernmaterials geleistet haben. Insbesondere die Arbeitsblätter 1 bis 4 des Workshops für die Mittelstufe sind basierend auf den Arbeiten von Carolin Kreutz und Christina Roeckerath entstanden. Weiterhin dankt die Autorin Maike Gerhard, Katja Hoeffer und Philipp Otte für ihren Beitrag zur Entwicklung der Workshops und Thomas Camminady sowie Peter Lürßen für das kritische Korrekturlesen dieses Kapitels. Ein weiterer Dank gilt Mark Schmitz und der TSK Flagsol für die jahrelange Unterstützung dabei, das Thema Solarenergie im Rahmen verschiedener Projekte von CAMMP zu etablieren. Dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., der ebl und sbp dankt die Autorin für die freundliche Bereitstellung verschiedener Bilder.

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Authors and Affiliations

  1. Karlsruher Institut of Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland

    Sarah Schönbrodt

Authors
  1. Sarah Schönbrodt
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Corresponding author

Correspondence to Sarah Schönbrodt .

Editor information

Editors and Affiliations

  1. Steinbuch Centre for Computing, Karlsruhe Institute of Technology, Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland

    Martin Frank

  2. Lehrstuhl für Angewandte und Computergestützte Mathematik, RWTH Aachen University, Aachen, Deutschland

    Christina Roeckerath

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© 2022 Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature

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Schönbrodt, S. (2022). Erneuerbare Energien – Modellierung und Optimierung eines Solarkraftwerks. In: Frank, M., Roeckerath, C. (eds) Neue Materialien für einen realitätsbezogenen Mathematikunterricht 9. Realitätsbezüge im Mathematikunterricht. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-63647-3_3

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