Regenerative Energietechnik im Wohnhaus -
Schriftliche Hausarbeit von Thomas Bauer

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   Inhalt und Relevanz der Arbeit
 
Der vom Menschen verursachte Klimawandel und die begrenzte Reichweite von Rohstoffen begegnen Schüler in ihrem Leben und werden in ihrer Zukunft eine große Rolle spielen, so dass dies starke Argumente sind, auch im Unterricht regenerative Energietechnik zu behandeln. Regenerative Energietechnik kann zudem als lebensweltlicher Kontext für physikalische Themen verwendet werden, so dass Physik bei den Schülern einen subjektiven Erklärungswert erhält.

Herr Bauer hat in seiner Schriftlichen Hausarbeit „Regenerative Energietechnik im Wohnhaus“ mit drei regenerativen Energietechniken, nämlich Photovoltaik, Wärmepumpen und Wärmedämmung, beschäftigt. Im Kapitel 2 werden die drei regenerative Energietechniken fachlich behandelt, wozu die physikalischen Grundlagen und Informationen zur technischen Realisierung gehören. Im Kapitel 3 wird vorgestellt, wie man diese Energietechniken im Unterricht behandeln kann. Dazu werden zu jeder der drei Techniken zuerst Lehrplanbezüge hergestellt, Elementarisierungen vorgeschlagen, Versuche vorgestellt, die man im Unterricht durchführen kann, und anschließend Konzepte für Unterrichtsstunden präsentiert. Dazu werden im Anhang Arbeitsblätter vorgelegt.

Bei der Photovoltaik gehen die Ausführungen von Halbleitern, Störstellenleitung, Rekombination und p-n-Übergang über ideale und reale Solarzelle bis hin zu Photovoltaischen Systemen, Einflüsse auf die Bestrahlungsstärke, Typen von Solarzellen, Ertragsrechnung und Wirtschaftlichkeit. Die Elementarisierung besteht hier neben dem Verzicht auf Gleichungen und der Betonung der Grundeffekte in der Verwendung des Teilchenmodells statt dem Bändermodell und dem Verzicht auf den Löcherstrom. Außerdem wird die Bedeutung des Diffusionsstromes am Lichtstrom berücksichtigt. Es wurden viele verschiedene Versuche durchgeführt und drei ansprechende Java-Applets erstellt.
Bei der Wärmepumpe werden auf thermodynamische Grundlagen eingegangen, verschiedene Bauarten und die technischen Bauelemente vorgestellt sowie die Funktionsweise der Kompressionswärmepumpe und die Wirtschaftlichkeit erläutert. Die bekannteste Elementarisierung besteht in der Erläuterung der Vorgänge in den Bauteilen in vier Schritten, so dass aber unklar bleibt, wie thermische Energie vom Ort niedriger zum Ort höherer Temperatur fließen kann. Hier wird vorgeschlagen, zuerst deutlich zu machen, dass eine Druckänderung eine Temperaturänderung bewirkt und die thermische Energie dadurch sowohl im Verdampfer als auch im Verflüssiger vom Ort niedriger zum Ort höherer Temperatur fließt.
Bei der Wärmedämmung werden neben physikalischen Grundlagen die Wärmeverluste im Haus, die Dämm-möglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit vorgestellt. Ein als Java-Applikation erstelltes Berechnungsprogramm kann zur Berechnung des U-Wertes eines Bauteils oder zur Berechnung der notwendigen Dicken verwendet werden.
 
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Die vollständige schriftliche Hausarbeit [Download als pdf, 10 MB]
 
   Erstellte Simulationen
 

 

Diffusion roter und blauer Teilchen Innerer Photoeffekt und Rekombination freier Elektronen
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Funktionsweise einer Solarzelle Berechnung des U-Wertes (oder der Dicke)
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   Veröffentlichung
 
BAUER, T.; WILHELM, T.
Die Wärmepumpe. Wie gelangt eigentlich Wärme vom Kalten ins Warme?
Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 61, Nr. 6, 2012, S. 34 - 36
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| Prof. Dr. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt am Main |
| vorher: Didaktik der Physik, Universität Augsburg |
| ehemals: Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik, Universität Würzburg |
 
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