Computational And Mathematical Modeling Program

Mit Laptop und Mathe für eine bessere Zukunft: Stromerzeugung durch Sonnenstrahlen

Atom- und Kohlekraft haben ausgesorgt. Die Welt braucht neue, saubere Energie. Aber wie kann man Kraftwerke konzipieren, die ohne CO2-Ausstoß und Nuklearabfälle auskommen? Und können Mathematik und Computer bei der Beantwortung dieser Frage
helfen? Die Antwort lautet: Ja! In diesem Workshop planen Schüler/innen in kleinen Teams ein Solarkraftwerk, welches mit Spiegeln und Sonnenstrahlung Energie gewinnt. Wer Freude an Mathematik hat, gerne mit dem Computer arbeitet und sich vielleicht fragt, wie er damit unsere Zukunft verbessern kann, der ist hier genau richtig!

Die Schüler/innen lernen so genannte Fresnelkraftwerke kennen. Dabei handelt es sich um eine der innovativen Technologien, die für sonnenreiche Länder als Zukunftsmodelle der Energieerzeugung gehandelt werden. Die Funktionsweise dieser Kraftwerke ist verhältnismäßig simpel: Spiegel reflektieren Sonnenstrahlen auf ein Rohr, durch das Wasser geleitet wird. Das Wasser wird durch die Erhitzung zu Dampf, welcher eine stromerzeugende Turbine antreibt. Da sich die Position der Sonne im Laufe des Tages ändert, müssen die Neigungswinkel der Spiegel über den Tag hinweg stets angepasst werden.

Der Workshop ist in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Industrie und RWTH Aachen entstanden, die im Bereich der Entwicklung und Optimierung von Fresnelkraftwerken forschen.

Die Schüler/innen beschäftigen sich mit der Frage, wie das Kraftwerk aufgebaut und betrieben werden muss, damit möglichst viel Energie erzeugt wird. Die Schüler/innen werten reale Daten mit Hilfe des Simulationsprogramms mit einer graphischen Rückmeldung aus und schulen fachliche Kompetenzen aus den Bereichen der Trigonometrie und Funktionen. 

Es existieren zwei Varianten des Workshops.

Variante für die Mittelstufe: Empfohlen wird diese Variante für Klassen, die sich zum Durchführungszeitpunkt des CAMMP days mit Winkeln und den trigonometrischen Funktionen beschäftigen. So dient das Modul als Ergänzung zum Unterricht. Das Modul ist jedoch auch ohne die Behandlung der trigonometrischen Funktionen durchführbar.
Inhalte: Geometrie, Trigonometrie, Winkelbeziehungen im Dreieck
Vorwissen: Winkelpaare
Teilnehmer: Mathematikkurse ab der 8. Klasse
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Variante für die Oberstufe: Das Lernmodul bietet in dieser Variante eine Anknüpfung an die Berechnung von Integralen über Ober- und Untersummen und der Darstellung von Sonnenstrahlen als Geraden in Parameterform. Der Fokus liegt neben der physikalisch-technischen Modellierung des Kraftwerks insbesondere auf der Optimierung von verschiedenen Kraftwerkparametern. Die Schüler/innen entwickeln kreativ eigene Optimierungsverfahren und vergleichen verschiedene Modellierungsansätze beim Formulieren von Optimierungsproblemen.
Inhalte: Geometrie, Trigonometrie, Winkelbeziehungen im Dreieck, numerische Integration, Geraden in Parameterform, Optimierung
Vorwissen: Winkelpaare, Geraden in Parameterform
Teilnehmer: Mathematikkurse ab der 11. Klasse
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Dauer: Projekttag (4 - 6 Stunden) oder als Projektzeit (4 - 5 Doppelstunden)  
Erstellt von: Martin Frank, Philipp Otte, Pascal Richter, Christina Roeckerath, Sarah Schönbrodt
Anmeldung: Termine können individuell per E-Mail am KIT oder an der RWTH Aachen vereinbart werden.

Bildquelle: https://pixabay.com/de/photos/solarstrom-california-solar-strom-1742186/

Liste von Publikationen und Vorträgen zu diesem Modul:

  • Schönbrodt, S.: Solarenergieforschung mit Schüler/innen im Rahmen eines computergestützten Projekttages - Optimierung der Spiegel in einem Fresnelkraftwerk (Sek I/II) (Vortrag), ISTRON-Tagung, Berlin, 2019.

  • Hattebuhr, M.: Komplexe Modellierung: Solarenergieforschung mit GeoGebra (Workshop), ISTRON-Tagung, Hamburg, 2017.

  • Frank, M.; Roeckerath, C.; Hattebuhr, M.:Komplexe Modellierung: Solarenergieforschung mit GeoGebra, GDM-Tagung, Potsdam, 2017.

  • Krahforst, C: Didaktisch-methodische Weiterentwicklung des CAMMP day Moduls Spiegelaufstellung in einem Solarkraftwerk für den Einsatz in der Mittelstufe, Schriftliche Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung, dem Landesprüfungsamt für Erste Staatsprüfungen für Lehrämter an Schulen, 2016.

  • Frank, M.; Roeckerath, C.; Hattebuhr, M.: Optimierung der Spiegel in einem Solarkraftwerk – Projekttag des EducationLabs CAMMP der RWTH Aachen. Vortrag, GDM-Tagung, Basel, 2015.

  • Roeckerath, C.: Mathematische Modellierung der Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks im Rahmen einer Modellierungswoche und einer Projektwoche in der Sek. II, Schriftliche Hausarbeit im Rahmen der Zweiten Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien und Gesamtschulen, 2012.