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Aufbau eines Fix-Fokus-Parabolspiegels (Schefflerspiegel) und Entwicklung einer Montagelehre

Von: Marco Scheidegger  (SPF News-Artikel vom 25.05.2020)

Abbildung 1: Erstellter Schefflerspiegel mit Kochstelle (links), auf dem Dach des Institutes für Solartechnik (SPF) auf dem HSR Campus
Abbildung 1_Schefflerspiegel mit Kochstelle

Der Schefflerspiegel wurde von Wolfgang Scheffler und dem Team von Simply Solar (DE) entwickelt und wird laufend weiterentwickelt, um dessen Herstellung, Aufbau und Bedienung in den entlegensten Einsatzgebieten so einfach wie möglich zu gestalten.

In Ländern, in denen der Spiegel heute schon zum Einsatz kommt, wurde der Spiegel mehrheitlich lokal gefertigt und aufgebaut. Nicht selten handelt es sich dabei um Entwicklungsländer, die nicht auf moderne Fertigungstechniken zurückgreifen können.

Um die Funktionsweise des Spiegels zu gewährleisten, ist eine exakte Konstruktion unabdingbar. Schon kleinere Abweichungen bei der Spiegelfläche führen zu einer Diffusion der Strahlung und somit zu einem tieferen Wirkungsgrad. Eine exakte lokale Fertigung gestaltet sich jedoch oft als schwierig und führt dazu, dass das Endergebnis oft nicht dem Erwartungswert entspricht.

Optimierung von Bauform und Montage notwendig

Das Ziel dieser Arbeit war eine neuartige Bauform zu testen und eine Montagelehre (Hilfsmittel zur Konstruktion) zu erstellen, um den Aufbau und Betrieb des Schefflerspiegels für zukünftige Anwender zu vereinfachen. Dabei wurde der neuste Typ, welcher bis dahin nur als Prototyp existierte, innerhalb der Semesterarbeit erstellt und die Konstruktionsweise bewertet. Der Aufbau wurde von der Firma Simply Solar (DE) unterstützt und an der HSR vollendet. Für die Herstellung der einzelnen Bauteile wurden nur handelsübliche Werkzeuge verwendet. Die Fertigstellung des Spiegels an der HSR bereitete dabei besonders viel Freude. Einerseits aufgrund der guten Zusammenarbeit mit der Metallwerkstatt der HSR und dem Institut für Solartechnik (SPF) und andererseits wegen der von der HSR bereitgestellten Infrastruktur.

Visualisierung der Brennpunktfläche und Entwurf Kochstelle

Während des Erstellungs-Prozesses wurden kontinuierlich die Vor- und Nachteile der Konstruktionsweise ermittelt und zum Teil auch angepasst. Neben diversen Funktionstests wurde auch die Brennpunktfläche visualisiert, um den Konzentrationsgrad zu bestimmen (Abbildung 2). Je nach Absorptionskörper im Brennpunkt sind dabei bei klarem Himmel Temperaturen von bis zu 1000 °C möglich.

Abbildung 2: Visualisierung der Brennpunktfläche
Abbildung 2_Visualisierung der Brennpunktfläche
Abbildung 3: Konstruktion Fokuspunkt und Kochstelle
Abbildung 3_Konstruktion Fokuspunkt und Kochstelle

Um die konzentrierten Solarstrahlen zu nutzen, fehlte es noch an einer für diesen Typ Schefflerspiegel optimierten Kochstelle. Dazu musste zuerst die Position des Fokuspunktes bestimmt werden, was mit der Hilfe eines CAD Programmes ermöglicht wurde. Im CAD konnten die für die Bestimmung des Fokuspunktes relevanten Bauteile nachgezeichnet und der Fokuspunkt konstruiert werden (Abbildung 3). Anschliessend wurde die Konstruktion der Kochstelle entworfen und entsprechend gebaut.

Montagelehre – Ein Hilfsmittel zur Konstruktion

Die Montagelehre verfolgte das Ziel, den Aufbau der Spiegelfläche so einfach und exakt wie möglich zu gestalten, um die Fokussierung der Sonnenstrahlen und somit die Funktion des Schefflerspiegels zu gewährleisten. Die Form orientiert sich dabei am Negativ der Ursprungsparabel, die der Spiegelfläche zugrunde liegt.

Während des Erstellungsprozesses des Schefflerspiegels konnten wertvolle Erkenntnisse für die Konstruktionsweise der Montagelehre gewonnen werden. Aus diesen Erkenntnissen und durch Gespräche mit Simply Solar wurde schliesslich eine Anforderungsliste definiert, an welcher sich der Aufbau der Montagelehre stets orientierte.

Eine grosse Herausforderung für den Bau der Montagelehre war die Evaluierung eines geeigneten Werkstoffes. Dieser musste formstabil, feuchtigkeitsresistent, günstig, ökologisch und exakt zu bearbeiten sein. Holz schien dabei in vieler Hinsicht ein guter Werkstoff zu sein, jedoch dessen Feuchteeigenschaften bzw. die dadurch verursachte Ausdehnung bereiteten grosse Sorgen. Aus diesem Grund wurden verschiedene Holzwerkstoffe mit der Hilfe eines Klimaschrankes der HSR auf ihre Feuchteigenschaften untersucht. Schliesslich konnte mit Tricoya ein geeigneter Holzwerkstoff gefunden werden. Tricoya ist ein Folgewerkstoff von Accoya-Holz. Accoya ist ein Kieferholz, dass durch einen Acetylierungsprozess einzigartige Feuchteeigenschaften erhält.
Bei der Acetylierung wird das Holz unter hohem Druck und mit einer erhöhten Temperatur mit Essigsäureanhydrid behandelt. Dadurch wird die molekulare Zusammensetzung des Holzes so verändert, dass es dauerhaft wesentlich weniger Wasser aufnehmen kann und somit sehr formstabil bleibt.

Abbildung 4 zeigt das CAD-Modell der entworfenen Montagelehre:

Abbildung 4: CAD-Ergebnis der Entwickelten Montagelehre
Abbildung 4_Montagelehre

Anwendung von gelernten Kompetenzen

Die Arbeit ermöglichte es, wichtige Optimierungsfaktoren zu der Konstruktionsweise der neuartigen Bauform des Schefflerspiegels zu entdecken, sowie eine für den vereinfachten Aufbau geeignete Montagelehre zu entwickeln. Während des gesamten Prozesses wurden dabei im Studium angeeignete Fähigkeiten in den Bereichen CAD, Materialtechnologie, thermische Solartechnik, Projektmanagement, sowie indirekt noch von vielen weiteren Gebieten, angewendet und vertieft.


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Foto Autor Marco Scheidegger

Autor: Marco Scheidegger
Rahmen: Semesterarbeit
Studiengang: Erneuerbare Energien und Umwelttechnik

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