Om koekjes te bakken is naast bloem en water ook energie onmisbaar. Stel je voor dat je geen elektriciteit hebt... zouden we een zonne-oven kunnen bouwen voor onze koekenbak?
Het is eigenlijk altijd een goed moment om zelf koekjes te bakken! Vroeger vond ik het fantastisch om het deeg te kneden tot de gekste vormen en met het allerleukste op het einde: de versiering met disco-balletjes! Om alle lekkers te bakken is ook energie onmisbaar. Stel je eens voor dat er geen elektriciteit is, je woont op een verlaten plek of de stroom is voor wieweethoelang afgesneden. Meestal kun je dan wel nog rekenen op de zon als energiebron. Kunnen we onze koekjes bakken met de zon?
Om lekkere koekjes te krijgen, moeten we deze 15 à 20 minuutjes bakken in een voorverwarmde oven van 170°C. Een klassieke bakoven thuis heeft een vermogen van ongeveer 2000 tot 2500 W. Een energieverslinder die ongeveer 60(!!) keer zoveel energie nodig heeft dan een LED TV. De zon is gelukkig een grote energiebron met een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 6000°C. Meer dan voldoende om koekjes te bakken, toch?
De superkracht van de zon
De uitgezonden straling per oppervlakte-eenheid van de zon bedraagt 6,32.104 W/m², of 3,86 1026W voor de gehele zon. Door het reizen van het zonlicht door de atmosfeer verliest de zon helaas heel wat van zijn energie. De sterkte van de straling kan op de middag echter tot ongeveer 1000 W/m² bedragen. Dit is nog ruim voldoende om onze oven na te bootsen met zonne-energie.
De energie van de zon bereikt ons voornamelijk onder de vorm van licht. Net zoals geluid zich voorplant via geluidsgolven, plant licht zich voort met lichtgolven, die elektromagnetische golven worden genoemd. Een deel van de lichtstralen kunnen we met ons blote oog zien, wat we het zichtbaar licht noemen. Dat zichtbare licht heeft een spectrum tussen de kleuren rood en blauw, de kleuren van de regenboog. Daarnaast worden er ook ultraviolet (UV) – en infraroodstralen (IR) uitgezonden die we niet met ons oog kunnen zien. Die stralen kennen we als de ‘gevaarlijke’ stralen van de zon, waardoor je kunt verbranden. Het IR licht kan gezien worden als de warmtestralen van de zon.
Eén van de belangrijkste eigenschappen van een elektromagnetische golf is de golflengte. Lichtgolven, radiogolven, infraroodgolven… maken een karakteristiek patroon als ze door de ruimte reizen. Elke golf heeft een bepaalde vorm en lengte. De afstand tussen twee toppen van de golf wordt golflengte genoemd. Hoe korter de golflengte, hoe meer energie die golf transporteert en hoe gevaarlijker de golf.
Ook zonnestralen hebben grenzen
De zonnestralen geven ons niet alleen licht, maar ook warmte…warmte die we kunnen voelen op een warme zomerdag, maar ook de warmte die we kunnen gebruiken om onze koekjes te verwarmen!
De energie van de zon is erg sterk maar er er schuilt wel een addertje… Slechts een klein deel van deze uitgezonden energie valt op de buitenste rand van de dampkring. En van dat kleine gedeelte wordt de helft teruggekaatst in de ruimte of geabsorbeerd door de lucht en wolken. De andere helft bereikt effectief onze aarde. Deze zonnestralen aan het aardoppervlak worden gedeeltelijk geabsorbeerd en omgezet in warmte. Afhankelijk van waar je je bevindt op onze wereldbol wordt er dus meer of minder energie geabsorbeerd. Op sneeuw- en ijsvlakten wordt het licht grotendeels teruggekaatst, op donkere oppervlakten zoals oceanen of asfalt wordt het licht geabsorbeerd en warmt het oppervlak op.
Het effect van absorptie kun je zelf eenvoudig uitproberen: plaats een gesloten zwarte doos voor een poosje in de zon en je merkt al snel dat de binnenkant van de doos opgewarmd wordt. Met die zonnewarmte kan je een temperatuur van 70°C behalen. Warm, maar niet warm genoeg om koekjes te bakken.
Fotonica snelt ter hulp!
Hoe verhogen we de temperatuur in de doos tot minstenst 180°C? Eerste idee: we richten gewoon meer zonnestralen op de doos! Dit kan lukken via een mechanische constructie met reflecterend materiaal als spiegels, of gewoon met aluminiumfolie. Dit is het concept van een zonne-concentrator waarmee zonlicht opgevangen en samengebracht wordt op een kleine oppervlakte. Zo klein als een fijn lijntje of een punt. Op de grote zonne-energiecentrales of solar plants wordt deze methode ook toegepast om zo een maximale hoeveelheid elektriciteit te kunnen opwekken op een zo klein mogelijke oppervlakte.
Om te begrijpen hoe dit werkt, is het belangrijk te weten dat er twee soorten zonne-systemen bestaan: de thermische zonnecellen en de photovoltaïsche zonnecellen. Bij het thermisch systeem wordt zonlicht omgezet in warmte, bijvoorbeeld om water of olie op grote schaal op te warmen om een stoomturbine aan te drijven.
De fotovoltaïsche zonnecellen gaan zonlicht omzetten in elektriciteit. Dit is ook het soort zonnecellen dat we op onze daken kunnen terugvinden.
Bij beide systemen kunnen zonne-concentratoren gebruikt worden om zonlicht op te vangen en samen te brengen op een kleine oppervlakte. Op die kleine oppervlakte kan dan het water-of olievat worden geplaatst bij een thermisch systeem, of de zonnecellen bij een fotovoltaïsch systeem.
Concentratoren met een parabolische trog vorm worden gebruikt om licht samen te brengen op een lijn. Dit kan worden gebruikt om water in een buis op te warmen, waarmee men vervolgens elektriciteit opwekt via een turbine.
Concentratoren in een parabolische schotel vorm gaan het zonlicht concentreren in een punt. Indien de zonnecel op dit ene punt wordt geplaatst, kunnen een maximaal aantal lichtdeeltjes door de zonnecel worden opgenomen, wat resulteert in een maximale elektrische stroom. Op dat ene punt, kan het wel 350° tot 1000°C worden! En hiermee kunnen we dus zeker aan de slag om koekjes te bakken!
We weten dat we koekjes kunnen bakken met zonlicht. Kunnen we zo ook een knapperig vers brood bakken? Een brood heeft een langere baktijd nodig, en bovendien draait de zon draait voortdurend. Zou het niet fantastisch zijn moest ons collector-systeem de zon kunnen volgen zoals zonnebloemen meedraaien met de zon? Dan zouden we de maximale energie gedurende een hele dag halen. We kunnen dit nabootsen door een zonnevolgsysteem te bouwen. Deze systemen kunnen meedraaien met de richting van de zonnestralen en zorgen zo voor een optimale energieopbrengst.
Zot van koekjes en zin gekregen om zelf een zonne-oven te bouwen? De instructies voor deze en meer boeiende uitdagingen vind je via B-PHOTONICS. Alle projecten gebruiken fotonica of lichttechnologie om holograms te maken, verkeerslichten in te zetten voor communicatiesystemen, of voor slimme lampen.
Aan de B-PHOTONICS Challenger cup kan iedereen uit de 3e graad SO gratis deelnemen, alleen of met de klas. Je kunt rekenen op een budget van €160 voor de aankoop van materialen voor het bouwen van je eigen prototype, en er staan fotonica super heroes klaar om je met raad en daad te helpen. Ready for kick-off? B-PHOTONICS Challenger Cup start in de 2e helft van oktober, de deadline voor de videopresentatie van het prototype valt op 1 mei 2019.
Schrijf je nu in !
Ben je leerkracht van 3e graad SO? Op 26/09/2018 van 15 tot 17 uur kun je deelnemen aan een infosessie waarbij je alles te weten komt over de nieuwste B-PHOTONICS CUP. Inschrijven is de boodschap en kan eenvoudig via deze link !
