Hühnerwasser-Heizung – 1. Teil, Theorie und Planung

Energie

Die wichtigsten Energieformen sind:

Chemische Energie,
Kinetische Energie,
Elektrische Energie,
Gravitationsenergie,
Potentielle Energie,
Thermische Energie und
Kernenergie.

Hier nun ein Überblick über diese Energieformen:

Potentielle Energie:
Energie in physikalischem System, welches durch Lage im Kraftfeld oder durch aktuelle System-Konfiguration bestimmt wird.
Kinetische Energie:
Auch genannt „Bewegungsenergie“, und ist die Energie, die ein Objekt durch seine Bewegungen enthält. Sie ist abhängig von der Masse und Geschwindigkeit des bewegten Körpers.
Gravitationsenergie:
Die potentielle Energie die bei der Kontraktion (Schrumpfen) von Himmelskörpern freigesetzt wird.
Chemische Energie:
Wird in Form einer chemischen Verbindung gespeichert, und kann bei einer chemischen Reaktion freigesetzt werden.
Thermische (Wärme-)Energie:
Thermische Energie ist in der ungeordneten Bewegung von Atomen und Molekülen enthalten, und ist ein Teil der inneren Energie und ändert sich mit mit der Größe des (betrachteten) Systems. Sie wird in Joule gemessen.
Elektrische Energie:
Dies ist der Strom der mittels Elektrizität übertragen wird oder aber in elektrischen Feldern (diese wirken durch Coulumbkraft auf elektrische Ladungen) abgespeichert wird.
Kernenergie:
Wird mit der Kernspaltung für die Erzeugung von Strom genutzt, doch die ebenfalls in diese Kategorie fallende Kernfusionsenergie wird voraussichtlich erst in einigen Jahren zur Stromerzeugung genutzt werden können.

Apfelexperiment und Schlussfogerungen

Wir haben einen Apfel geviertelt und in 2 Viertel je 2 Münzen gesteckt. Eine davon bestand aus Zink und die andere aus Kupfer. Nun wurden die Apfelstückchen an den Münzen mit einem Messgerät verbunden.

So hat unser Versuch ausgesehen – den Apfel haben wir dann nicht mehr gegessen 😉

Messwert: -0.972 Volt
Dann vertauschten wir die Anschlüsse. Damit war klar, wo der Pluspol ist.
Messwert: 0,972 Volt Die Leuchtdiode leuchtet allerdings noch nicht.
Nun machten wir eine Serienschaltung indem wir zwei präparierte Apfel-Viertel an das Messgerät anschlossen. Die beiden Elemente wurden in Serien, d.h. hintereinander geschaltet. Es wurde der Minuspol des ersten Elements mit dem Pluspol des zweiten verbunden. Die Spannung wurde dann an den beiden „losen“ Polen (+ und – ) gemessen.
Neuer Messwert: 1,943 V. Nun hatten wir ausreichend Spannung und die Leuchtdiode leuchtete.
Erkenntnis: Das unedlere Metall (Zink) zersetzt sich. Genauer: es sondert Elektronen ab und wird dadurch abgebaut. Die Elektronen lagern sich auf dem edleren Metall (Kupfer) ab bzw. reagieren mit den Kupferionen in der Kupfersulfatlösung, sodaß neues Kupfer gebildet und auf der Elektrode angelagert wird. Die Ionenbrücke sorgt für den Ionen-Autausch, ohne den der Ausgleich der Ladungen zu schnell stattfinden und dann kein Strom mehr fließen würde.

Hier der Aufbau einer Galvanischen Zelle:
Kupfersulfat
Zinksulfat

Batterien und Akkus

Batterien und Akkus sind elektrochemische Energiespeicher. Der Unterschied zwischen einem Akku und einer Batterie ist, dass man dem Akku wieder aufladen kann. Das Prinzip, das hinter diesen Energiespeicher steckt ist die sogenannte galvanische Zelle benannt nach dem italienischen Arzt Luigi Galvoni (1737-1798). Da Batterien und Akkus auf galvanischen Zellen beruhen, nennt man sie oft zusammenfassend galvanische Elemente.
Galvani untersuchte die Anatomie von Fröschen. er hängte Froschschenkel mit einem Kupferhaken an ein Eisengeländer und fand so zufällig herauß das die Froschschenkel immer wenn sie das Eisengeländer berührten zuckten. Galvani konnte es nicht erklären erst Alessandro Volta entwickelte das Prinzip weiter 1799 baute er die erste elektrochemische Spannungsquelle die voltasche Säule.

Eine voltasche Säule ist eine besondere Schaltung galvanische Zellen. Die Spannungen der einzelnen Zellen addieren sich zur Gesamtspannung. Batterien bestehen aus einer oder mehreren galvanischen Zellen.

Überschlagsrechnng für die Energie

Infos

Wir wollen 1l Wasser von -5 auf +1 Grad erwärmen
∆Q = m * c * ∆T
∆T=6°C = 6°K
c=4,19 kJ/kg*K (Konstante)
∆Q = 1[kg] * 4,19 [kJ/kg*K]*6[K]
∆Q = 25,14kJ
1kJ = 1000J = 0,28 Wh
25,14kJ = 7,04 Wh
Um 1l Wasser um 6° zu erwärmen, braucht man ca. 7Wh
D.h. man pumpt eine Stunde lang 7W in das System oder eine halbe Stunde 14W oder eine viertel Stunde lang 28W

Dämmmatten ausmessung

Um nicht unnötige Wärmeenergie zu verpulvern, haben wir beschlossen den Hühnerstall auch an den Seitenwänden zu dämmen. Die Dämmung wird außen an den Wänden aufgebracht – wir werden dazu Hartschaumplatten verwenden (kostengünstig und wetterfest).
Wie wir unsere Demmplatten ausgemessen haben:
Wir rechneten Länge des Hühner mal Breite des Hühnerstalls.
l=205,5cm
b=28,5cm
h=135cm
205,5cm * 135cm= 27.742,5 * 2 = 55.485cm 5,5m2
98,5 * 135 = 13.297,5 * 2 = 26.595cm2 ≈ 2,7 m2
= 8,2m2 Dämmmaterial

Wir beim Dämmen:

Kostenvergleich Solar-Versorgung vs. Stromversorgung

Um abschätzen zu können, um wieviel teurer de Versorgung des gesamten Systems im Vergleich zur Herstellung der Versorgung mit Netz-Strom kommt, haben wir die folgende Tabelle erstellt:

Solarpanel	1	85,00 €
Akku 100Ah	1	120,00 €
Laderegler	1	10,00 €
		215,00 €


Kabel	10m	0,40 €	4,00 €
Heizstahler 1500W	1 Stk.	22,90 €	22,90 €
Verlegerohr	10m		8,40 €
Schütz	1 Stk.	60,00 €	60,00 €
Grab- und Verlegearbeiten		Eigenleistung
			95,30 €

Trotz der geringeren Kosten, die für die Erstellung Versorgung mit Netz-Sgtrom, haben wir uns nach Rücksprache mit den Hühnermanagern und dem Finanzmanager entschieden, die Stromversorgung mit Solar-Energie zu realisieren.

Energie

ist eine fundamentale physikalishe Größe.
kann in einem abgeschlossenen System weder vermehrt noch vermindert werden (Energie – Erhaltungsgesetz)
Energie ist z.B. nötig um:
einen Körper (entgegen einer Kraft) zu bewegen
eine Substanz zu erwärmen
ein Gas zusammenzudrüken
im leeren Raum matrielle Teilchen etstehen zu lassen
elektromagnetische Wellen abzustrahlen
elektrischen Strom fließen zu lassen
jede Art von Warenproduktion zu ermöglichen
Lebewesen das Leben zu ermöglichen
in einem Reibungsfreien, mechanischen System bleibt die Gesamtenergie immer gleich, wenn sie von außen nicht beeinflusst wird.

Energieformen

Mechanische Energie
Chemische Energie
Thermische Energie
Elektrische Energie

Physikalische Arbeit

Arbeit = Kraft * Weg/W = F * S [Nm]
Anders ausgedrückt: es wird physikalische Arbeit verrichtet, wenn eine Kraft längs eines Weges angewandt wird. Holz verbrannt, wird die gespeicherte Energie
Das Produkt aus Kraft und Weg ändert sich nie (Die goldene Regel der Mechanik)

Energie-Speicher

Die Sonnenenergie ist im Holz des Baumes gespeichert.Wird das Holz verbrannt ,wird die gespeicherte Energie wieder frei.
Allerdings werden nur 0,1% des gesamten, auf die Erde fallenden Sonnenlichts durch natürliche Photosynthese gespeichert und in Biomasse umgewandelt.

Welches Problem und wie wir es lösen wollen.

Unser Problem ist, dass im Winter das Trinkwasser der Hühner einfriert. Wie wir es lösen wollen, ist mit einem programmierten Arduino. Im Winter hat es natürlich Minusgrade, wir rechnen mit maximal -10°. Wir überwachen die Wassertemperatur mit einem Thermometer, das am Arduino angeschlossen ist.

Das ist ein Arduino

Der Arduino ist ein Micro-Controller, den wir so programmieren, dass, wenn das Wasser unter +1°C fällt, es den Wärmestab aktiviert und so das Wasser aus der Gefrierzone bringt. Außerdem haben wir in einer früheren Leitstudie schon eine automatische lichtsensible Hühnerstalltür gebaut, die oft nicht richtig zu/auf geht. Auch diese Funktion lassen wir vom Arduino überwachen und den Zustand der Tür (gemeinsam mit der Temperatur im Hühnerstall und der Wassertemperatur) über eine Handy-App ausgeben.

Ohmsches Gesetz

Versuch Ohmsches Gesetz

Wir haben mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes die Stromstärke durch einen Widerstand berechnet, bei dem eine bestimmte Spannung angelegt ist. Die Werte waren U = 9V, R = 33Ohm. Das Ergebnis: (I=U/R) I = 0,273A (man kann auch sagen: 273mA).
Danach haben wir das Ergebnis durch einen Versuch verifiziert.
Versuchsaufbau:

Tatsächlich sind rund 270mA durch den Widerstand geflossen. Der Widerstand war demnach tatsächlich 33,33 Ohm. Das kommt daher, da jedes elektronische Bauelement Toleranzen besitzt, also nicht genau den Wert hat, der auf dem Bauteil angegeben ist. Auf unserem Widerstand, den wir im Versuch verwendet haben, war +/-5% aufgedruckt – ein Hinweis auf die Toleranz. Der Widerstandswert kann also maximal um 1,65 Ohm (=5% von 33 Ohm) größer oder kleiner sein (34,65 bzw. 31,35 Ohm).

Ohmsches Gesetz

U = Spannung [V]
I = Stromstärke [A]
R = Widerstand [Ω]
P = Leistung [W]
U=R*I
I=U/R
R=U/I

Elektrische Leistung

P=U*I
I=U/P
U=I/P

Ohmsches Gesetz in Verbindung mit elektrischer Leistung

P=U*I
P=R*I*I
P=R*I²

P=U*I
P=U*U/R
P=U²/R