Verschiedene Getriebe mit Rutschkupplung für Scheffler Reflektoren

von Michael Tyroller

1. Einleitung
2. Der Scheffler Reflektor
3. Die verschiedenen Nachführungen
a. Das Antriebsgewicht
b. Die Übersetzung
c. Rechenbeispiel einer Übersetzung
d. Die verschiedenen Getriebearten
e. Die Rutschkupplung
f. Das Pendel
4. Mechanische Nachführung mehrerer Reflektoren
5. Fazit

 

1. Einleitung

Die Grundlegende Idee, die zur Entwicklung der Scheffler-Spiegel führte, war das solare Kochen so bequem wie möglich zu gestalten. Gleichzeitig sollte der Solarkocher so gebaut sein, dass es in jeder ländlichen Schweißwerkstatt in südlichen Ländern nach einer gewissen Ausbildungsphase hergestellt werden kann.

Um den Spiegel mit der Sonne zu drehen, gibt es verschiedene Getriebe, die so entwickelt wurden, dass sie mit den örtlich vorhandenen Materialien gebaut werden können. In der nun folgenden Ausarbeitung werden verschiedenen Getriebesysteme vorgestellt.

 

2. Der Scheffler Reflektor

mech01 Der Spiegel ist ein kleiner, seitlicher Ausschnitt eines wesentlich größeren, runden Paraboloids. Durch die schräge Schnittführung entsteht dabei die typische elliptische Kontur des Scheffler-Reflektors. Das von diesem Ausschnitt des Paraboloids reflektierte Licht fällt von der Seite auf den ein Stück weit entfernten Brennpunkt.

Die Achse für die tageszeitliche Nachführung liegt in Nord-Süd Richtung, parallel zur Erdachse und läuft durch den Schwerpunkt des Reflektors.

So ist er immer im Gleichgewicht und das Uhrwerk muss nur mit einer geringen Kraft angetrieben werden, um ihn synchron mit der Sonne zu drehen.

Damit sich der Brennpunkt dabei nicht bewegt, liegt er auf der Rotationsachse. Der Abstand zwischen Brennpunkt und Reflektormitte hängt von der gewählten Ausgangsparabel ab.

Das konzentrierte Licht wird so während des Tagesverlaufs nur um sein eigenes Zentrum rotieren, sich aber in keiner Richtung seitlich bewegen. Der Brennpunkt bleibt also fixiert.

Der Schefflerreflektor wird nun seit ca. 20 Jahren in vielen südlichen Ländern der Welt gebaut. Die Leistung eins solchen Reflektors (8m²) beträgt je nach Jahreszeit (hoher bzw. niedriger Sonnenstand) zwischen 1,7 KW im Sommer und 2,5 KW im Winter, bei einer Sonneneinstrahlleistung von 700 Watt pro m².

Eingesetzt wird der Reflektor zum Kochen (Direkterhitzung) oder aber auch zur Dampferzeugung (siehe Bild oben).

 

3. Die verschiedenen Nachführungen

Grundsätzlich kann man von vier verschiedenen Nachführungsarten der Reflektoren sprechen, die den Reflektor mit der Sonne drehen:
  • Mechanische Nachführung eines einzelnen Reflektors
  • Mechanische Nachführung mehrerer Reflektoren
  • Photovoltaiknachführung eines einzelnen Reflektors
  • Photovoltaiknachführung mehrerer Reflektoren

 

Die Mechanische Nachführung eines einzelnen Reflektors

Die Mechanische Nachführung eines einzelnen Reflektors wurde 1990 zum ersten Mal in Indien eingesetzt. Zuvor wurden die Reflektoren von Hand nachgestellt, was den Nachteil hatte, dass es nicht kontinuierlich erfolgte und sich der Brennpunkt in der Zwischenzeit wegbewegt. Dies resultiert in verminderter Kochleistung und das Nachdrehen der Reflektoren von Hand ist eine unbeliebte Arbeit.

Die mechanische Nachführung basiert auf dem gleichen Konzept wie eine Kuckucksuhr. Der Reflektor wird Morgens per Hand gedreht bis der Brennpunkt an der korrekten Stelle ist. Dabei wird ein Gewicht in die Höhe gezogen. Das Gewicht möchte natürlich sofort nach unten fallen. Damit der Reflektor mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie die Sonne über den Himmel wandert, bremst ein Pendel den Fall des Gewichts. Es gibt dem Gewicht in regelmässigem Takt die Möglickeit stückweise nach unten zu fallen. Somit liefert das Gewicht die Antriebskraft für die Drehbewegung des Reflektors. Die Pendelperiode ist so berechnet, dass die Drehbewegung des Reflektors die Erddrehung kompensiert.

Die mechanische Nachführung besteht aus folgenden Komponenten:

  • Antriebsgewicht
  • Übersetzung
  • Rutschkupplung
  • Pendel

 

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a. Das Antriebsgewicht

Das Antriebsgewicht von ca. 50 Kg ( 500 Newton ) wird über einen Hebel, welcher auf der Rotationsachse des Spiegels über einen Rundbogen (Weightchannel) angebracht ist, auf den Spiegel übertragen.

Der Rundbogen besitzt einen Radius von 0.3m, dadurch wirkt eine Drehmoment von 150 Nm auf das System.

Bei kleineren Spiegeln (2m²) kann das Gewicht durch eine Feder ersetzt werden, die über einen Asymmetrischen Halbbogen gespannt, ist um die Antriebskraft immer konstant zu halten.

b. Die Übersetzung

Damit sich der Spiegel in 12 Stunden um 180° mit der Sonne dreht, muss eine relativ große Übersetzung gebaut werden, damit ein Pendel mit einer Frequenz von 0,7 - 4,5 Sekunden den Spiegel langsam dreht.

c. Rechenbeispiel einer Übersetzung

(Zahnradgetriebe aus Fahrradteilen)

1 Tag hat 24 Stunden;1 Stunde 60 Minuten; 1 Minute 60 Sekunden
à 24 * 60 * 60 = 86400 Sekunden

 

1. Über den Trackingchannel (180° Drehung = halber Tag) ist eine Kette gespannt, die 200 Glieder besitzt. Sie greift in ein Ritzel mit 5 Zähnen.

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2. Das Ritzel mit den 5 Zähnen ist auf einer Achse mit einem Ritzel von 96 Zähnen verbunden. Diese greifen in ein Ritzel mit 6 Zähnen.

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3. Das Ritzel mit den 6 Zähnen sitzt auf einer Achse mit einem Ritzel von 46 Zähnen. In dieses Ritzel greift das Pendel ein.

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Das Pendel muss also mit einer Taktfrequenz von 1,46 Sek. schwingen.

 

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d. Die verschiedenen Getriebearten

1. Kettengetriebe aus Fahradteilen

2. Zahnradgetriebe aus Fahrradteilen

3. Zahnradgetriebe aus Airblower

4. Zahnradgetriebe - Spezialanfertigung

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1. Das Kettengetriebe

aus Fahrradteilen ist eines der älteren Getriebe bei Scheffler Reflektoren

Es besitzt drei Kugellagerachsen, welche aus dem Vorderrad eines Fahrrades zweckentfremdet wurden. Der Vorteil dieses Getriebes liegt in der einfachen Bauweise. Im Gegensatz zu den darauffolgenden Zahnradgetrieben ist das Lager hier bereits vorgefertigt. Der Abstand der einzelnen Gänge wird über Langlöcher in den Befestigungswinkeln eingestellt.
Der Nachteil dieses Getriebes liegt in der hohen Reibungszahl. Auch reitet die Kette manchmal auf das Zahnrad auf und blockiert die Bewegung.
Die hohe Reibungszahl wird sowohl durch die schlechte Qualität der Fahrradkugellager verursacht, als auch durch die Reibung der Kette. In Gegenden mit hoher Luftverschmutzung (Staub und Sand) ist ein regelmäßiges Säubern des Getriebes unumgänglich.

 

mech082. Das Zahnradgetriebe aus Fahrradteilen

aus Fahrradteilen ist die Weiterentwicklung des zuvor aufgeführten Getriebes. Wie in der darauffolgenden Skizze und Bild erkennbar, werden zwei große Fahrradritzel miteinender versetzt verschraubt. Diese greifen in ein kleines selbstgebautes Gegenstück. Dadurch ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 96 zu 6, wodurch ein kompletter Gang im Vergleich zum obigen Getriebe entfällt. Des weitern wird dieses Getriebe in einem selbstgebauten Gleitlager gelagert (Messing/Stahl). Dies hat den Vorteil, dass es weniger gefettet werden muss und dadurch wartungsfreier ist.

 

3. Das Zahnradgetriebe

aus einem handbetriebenen Gebläse ist ein fertige Übersetzung, die ebenfalls zweckentfremdet wurde (siehe Bild unten links). Ihr Vorteil liegt darin, dass die Übersetzung nur eingebaut werden muss. Des weiteren ist dieses Getriebe sehr kostengünstig und z.B. in Indien überall erhältlich. Der Nachteil liegt in der Qualität, welche sehr große Unterschiede aufweist, man kann/muss Glück haben um ein gutes Getriebe zu erwischen.

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4. Das neueste Zahnradgetriebe

Diese Spezialanfertigung ist in der mechanischen Getriebetechnologie für Solarkocher das neuste Produkt. In Indien wird es im Moment von drei Spiegelherstellern in unterschiedlichen Ausführungen produziert. Es ist sehr laufsicher und kostengünstig. Im Gegensatz zu den anderen Getrieben ist es in einer sehr kleinen abgeschlossenen Box untergebracht. Es ist ein 3gang Getriebe. Die Buchsen bestehen aus Messing und die Achsen aus Eisen. (siehe Bild oben rechts) Es ist sehr Staub unempfindlich und mit Getriebefett geschmiert.

e. Die Rutschkupplung

mech11Die Rutschkupplung funktioniert in allen Systemen nach dem selben Prinzip. Sie wird am letzten Gang ( vor dem Pendel oder Antriebsmotor) angebracht.

Ihre Aufgaben:

Das Getriebe und Pendel vor zu großer äußerer Kraftteinwirkung zu schützen. Die Krafteinwirkungen können durch unsachgemäßen Umgang mit dem System entstehen, als auch durch höhere Gewalt, da der Spiegel mit einer Flächen von 8-12 m² meist auf offenen Gelände steht. Starke Windböen können daher starken Zug oder Druck auf das Getriebe ausüben. Durch die Rutschkupplung können dadurch Schäden am Getriebe verhindert werden.
Einstellfunktion. Um am nächsten Tag den Spiegel wieder auf die Sonne auszurichten, muss er zurückgedreht werden. Dazu ist ein Freilaufritzel in der Basis des doppelten Kettenrades eingebaut. Will man den Spiegel in Richtung des Sonnenlaufes bewegen, so erlaubt das das Uhrwerk mit seiner konstanten Geschwindigkeit nicht. Durch kräftiges Drehen des Spiegels wird dann die Rutschkupplung ausgelöst und man kann den Spiegel vorausstellen.
Der Aufbau der Rutschkupplung ist in der Bild oben erkennbar. Die Kraftübertragung wird durch das Zusammenpressen von zwei Platten mit einer oder mehreren Federn gewährleistet. Zwischen den Platten befindet sich eine Filz und eine Plastikscheibe, die auf Reibung reagieren. Durch die Schraube (Bild oben) lässt sich die Reibungsstärke einstellen.

 

f. Das Pendel

Da das Pendel am Ende der Kraftübertragung liegt, muss dieses am reibungsfreisten gelagert werden. Aus Erfahrung lässt sich sagen, dass die Lagerung des Pendels am effizientesten ist, wenn sie auf einer Nadelachse oder auf einer Rasierklinge lagert. Pendel die über andere Gleitlager oder Kugellager gelagert werden, sind sehr anfällig auf Stillstand.

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Am Pendel befinden sich Gewichte, durch die die Geschwindigkeit (Schwingungsfrequenz) eingestellt werden kann.

 

4. Mechanische Nachführung mehrerer Reflektoren

Die Mechanische Nachführung mehrer Reflektoren ist sehr neu.

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Sobald zwei oder mehrere Spiegel zusammenhängen, wird die Zugkraft auf das Uhrwerk zu groß. Es ist daher nicht möglich die gesamte Zugkraft der Spiegel auf das Uhrwerk zu lenken.
Um die Kraft, die auf das Uhrwerk wirkt zu reduzieren, wird als erste Übersetzung eine Seilwinde mit Schneckengetriebe verwendet (Bild oben), welche die Zugkraft der Spiegel aufnimmt. Diese Winde wird so gelagert, dass sie gerade noch selbsthemmend ist (? = 0,5). Das Uhrwerk wird über eine eigene Zugkraft (Pfeil 2) angetrieben, die der Kraft eines einzelnen Spiegels entspricht. Dadurch kann ein vorhandenes Uhrwerk ohne größere Modifikationen verwendet werden.

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Vorteile dieser Nachführung sind der Preis und die Stabilität. Das Uhrwerk kann mit einfachen Hilfsmitteln in kleinen Workshops per Handarbeit angefertigt werden. Was bei den niedrigen Lohnkosten wesentlich günstiger kommt als fertige Elektrische Nachführvorrichtungen, welche importiert werden müssen.

Bei Defekten kann diese Nachführung im Gegensatz zu den elektrischen leicht repariert werden, was die Ausfallszeit sehr senkt. Die Reparatur oder der Ersatz durch ein neues mechanisches Uhrwerk kann innerhalb Indiens in etwa 2-7 Tagen geschehen. Die Elektrischen Nachführungssysteme können, da sie meist aus Kostengründen nicht auf Lager sind, Ausfallzeiten von 1 bis 2 Monaten haben, bis sie aus Deutschland importiert und fachgerecht eingebaut werden.

Die Nachteile der mechanischen Nachführung liegen in der Gängezahl der Nachführung. Durch die hohe Reibung der bis zu 5fachen Übersetzung, kann es einerseits zu Stillständen, als auch zu Verlangsamung der Laufgeschwindigkeit kommen, wenn das Getriebe nicht optimal aufeinander abgestimmt ist.

 

5. Fazit

Es hat sich herausgestellt, dass die Getriebe mit einer höheren firmeneigenen Fertigungstiefe weniger ausfallen und dann kürzere Ausfallzeiten haben.

Ein weiterer interessanter Gesichtspunkt ist die Verwendung von Gleitlagerbuchsen.

Die ersten Getriebe wurden mit Kugellager entwickelt, was durch die langsame Drehfrequenz sinnvoll erschien. Aus Erfahrungswerten stellte sich jedoch heraus, dass durch das verwenden von selbstgebauten Gleitlagerbuchsen eine höhere und längere Laufsicherheit der Anlage gewährleistet ist.

Aus eigener Erfahrung kann ich sagen, dass je höher die Fertigungstiefe eines solchen Produkts ist, die Qualität ansteigt. Bei der Entwicklung des Getriebes für mehrere Reflektoren stellte sich heraus, dass auf dem örtlichen indischen Markt keine geeigneten Kugellager zu finden waren. Durch das Bauen der Gleitlagerbuchsen in der hauseigenen Werkstatt wurde durch das Wissen um die Wichtigkeit der Anlage eine viel höhere Qualität und Funktionalität erzielt.

Bauanleitung für Uhrwerk zum Runterladen