AT504338B1 - Verfahren und vorrichtung zum ausrichten zumindest eines heliostaten - Google Patents

Description

2 AT 504 338 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten zumindest eines Heliostaten oder mehrerer zu einem Heliostat-Array zusammengefasster Heliostaten auf den Fokusbereich eines Kollektors, wobei der Fokusbereich des Kollektors von einer Projektionsfläche umgeben und auf die Projektionsfläche ein die Projektionsfläche erfassendes photoempfindliches Element gerichtet ist.

In der Solartechnologie verwendet man unter anderem zur Lenkung von Sonnenlicht Heliostaten (das sind zweiachsig nachführbare gekrümmte oder ebene Spiegel samt Halterung). Mehrere Heliostaten sind in einem Heliostat-Array angeordnet, das Licht der Spiegel wird dann auf einen Fokusbereich eines Sonnenlichtkollektors gebündelt. Heliostaten sind seit langem bekannt, Heliostat-Arrays werden seit den siebziger Jahren, beispielsweise für Solarkraftwerke, eingesetzt. Aber erst in den letzten Jahren haben Privatfirmen versucht diese Technologie auch für kleinere und mittlere Anlagen kosteneffizient herzustellen. Besonders kritisch für Kosten und Zuverlässigkeit bei kleineren Heliostat-Arrays ist die Steuerung bzw. Ausrichtung der Heliostaten.

Speziell bei kleineren Anlagen ist es unter Umständen nicht kosteneffizient Hochpräzisionssteile zu fertigen, die notwendig sind um eine Steuerung nach berechneter Sonnenposition zu ermöglichen. Daher verfolgen kleinere Anlagen in der Regel den Ansatz den Sonnenstrahl, der vom Spiegel reflektiert wird, lokal zu messen und die Spiegelposition so zu optimieren, dass der Strahl im gewünschten Fokusbereich zu liegen kommt. Ist eine Fokusposition für einen Spiegel und eine bestimmte Tageszeit einmal gefunden, kann sie gespeichert werden und als Ausgangsposition für einen Nachbarspiegel sowie für den nächsten Tag verwendet werden um Justierzeit zu sparen. Vorliegende Erfindung macht das ebenfalls.

Bei Solarkraftwerken, die Energie - im Gegensatz zu einer Heliostaten/Kollektor-Anord-nung - durch direkte Bestrahlung von Solarzellenflächen gewinnen, werden zur bestmöglichen Ausnutzung des Sonnenstandes die bestrahlten Flächen ebenfalls nachgeführt. Aus der DE 44 23 778 A1 ist eine Sensoranordnung bekannt, die ein Signal für eine senkrechte Ausrichtung der Solarzellenflächen zur Sonne liefert.

Präzisionsheliostaten die ihre Position aufgrund von Zeit, Datum und geographischen Ort berechnen, benötigen eine relativ genaue Mechanik mit entsprechend hohen Anforderungen in der Fertigung beziehungsweise Kosten. Bei Energieerzeugung muss dieser Aufwand über größere Spiegel amortisiert werden. Kleine Heliostat-Arrays, wie sie beispielsweise in der US 2005/034752 A1 oder der US 2005/034751 A1 beschrieben sind, beruhen daher nicht auf berechneter Präzisionsjustierung sondern auf Justierung durch Sensorfeedback. Hier wird jeweils eine Zunahme und Abnahme des erzeugten Stroms gemessen und daraus die optimale Position eines Heliostaten abgeleitet. Eine derartige Steuerung funktioniert somit nur für eine Applikation, nämlich stromerzeugende Solarzellen.

Heliostat-Array Steuerungssysteme müssen sich mit dem sogenannten Heliostat-Array-Dilemma auseinander setzen. Beispielsweise spricht ein Sensor im Fokusbereich (nach veränderter Sonnenposition) an, und das System steht vor dem Dilemma, dass es nicht weiß, durch welchen Heliostaten das Signal ausgelöst wurde.

Die US 4,519,382 A löst dieses Problem durch einen dritten Hilfsmotor pro Heliostat der einen Signalspiegel ab- bzw. aufblendet. Dadurch kann das System feststellen von welchem Heliostaten das Signal am Sensor erzeugt wurde.

Die GB 2 329 976 A beschreibt eine Vorrichtung zum Nachführen eines Arrays von Heliostaten. Dabei wird gemäß einer Ausführungsvariante eine Abbildung der Reflexionsbilder der einzelnen Heliostaten auf ein Target von einer Videokamera aufgezeichnet. Die einzelnen Heliostaten werden danach derart gedreht, dass alle Reflexionsbilder im Zentrum des Targets zu liegen kommen. Dabei muss allerdings darauf geachtet werden, die Videokamera vor Überbelichtung 3 AT 504 338 B1 zu schützen, wenn viele Einzelspiegel gleichzeitig auf das Zentrum des Targets gebündelt werden. Ähnliche kameraunterstützte Systeme zur Ausrichtung von Heliostaten sind aus der DE 100 56 070 A1, der US 4,564,275 A und der WO 97/01030 A2 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Ausrichten zumindest eines Heliostaten oder mehrerer zu einem Heliostat-Array zusammengefasster Heliostaten zu vereinfachen, wobei das Verfahren auch auf bestehende Heliostat-Arrays anwendbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das photoempfindliche Element eine Blende mit einer Fokusblende aufweist, die den Fokusbereich des Kollektors abschattet. Aus dem sich ändernden Signal des photoempfindlichen Elementes kann nacheinander für jeden Heliostaten die optimale Ausrichtung auf den Fokusbereich berechnet werden. Die eigentliche Verstellung der einzelnen Heliostaten erfolgt beispielsweise elektromotorisch um zwei Achsen, über zwei Spindelantriebe, wie in der US 2005/034751 A1 beschrieben oder auf eine andere herkömmliche Art. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher auch auf bestehende Heliostat-Arrays anwendbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausrichten zumindest eines Heliostaten oder mehrerer zu einem Heliostat-Array zusammengefasster Heliostaten auf den Fokusbereich eines Kollektors, zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

Ausrichten eines photoempfindlichen Elementes auf den Fokusbereich und eine den Fokusbereich umgebende Projektionsfläche, wobei das photoempfindliche Element mit einer den Fokusbereich abschattenden Fokusblende ausgestattet ist;

Ausführen einer ersten Justierbewegung um eine erste Achse, z.B. die Azimuthaiachse, bei einem der Heliostaten, wobei die anderen Heliostaten still stehen, bis das photoempfindliche Element ein Helligkeitsminimum detektiert, das von zwei Helligkeitsmaxima umgeben ist;

Stoppen der ersten Justierbewegung im Helligkeitsminimum;

Ausführen einer zweiten Justierbewegung um eine zweite Achse, z.B. die Elevationsachse, des selben Heliostaten, bis das photoempfindliche Element ein Helligkeitsminimum detektiert, das von zwei Helligkeitsmaxima umgeben ist.

Stoppen der zweiten Justierbewegung im Helligkeitsminimum.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Blende ausgehend von der Fokusblende beispielsweise als Kreuzblende angeordnete, streifenförmige Führungsblenden auf. Dies dient dazu in zwei Justierebenen (Drehung um die Azimuthaiachse und die Elevationsachse) unabhängig voneinander justieren zu können.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Projektion der Führungsblenden auf der Projektionsfläche eine Breite b' aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser oder die Seitenlänge r der Reflexionsbilder der Heliostaten, sowie dass die Projektion der Fokusblende auf der Projektionsfläche einen Durchmesser oder eine Kantenlänge s' aufweist, die größer ist als die Seitenlänge r der Reflexionsbilder.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausrichten mehrerer Heliostaten auf den Fokusbereich eines Kollektors, Fig. 2 einen Axialschnitt des photoempfindlichen Elementes samt Blende, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Blende des photoempfindlichen Elementes, Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung einer Projektion der Blende gemäß Fig. 3 auf die Projektionsfläche, sowie Fig. 5 eine schematische Darstellung des Justiervorganges.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Ausrichten eines oder mehrerer zu einem 4 AT 504 338 B1

Heliostat-Array 2 zusammengefasster Heliostaten 3 auf den Fokusbereich 10 eines nicht weiter dargestellten Solarkollektors, so dass der von der Sonne 4 einfallende Lichtstrahl mit Hilfe der Heliostaten 3 in den Fokusbereich 10 reflektiert wird. Im Fokusbereich 10 kann ein Kollektor angeordnet sein, der das auftreffende Licht in Wärme umwandelt und an ein Wärmeträgermedium abgibt oder auch ein Kollektor, welcher das auftreffende Licht in elektrische Energie umwandelt. Der Fokusbereich 10 des Kollektors ist von einer Projektionsfläche 5 umgeben, die beispielsweise eine quadratische Begrenzung aufweist. Es wären allerdings auch andere geometrische Formen, beispielsweise eine rechteckförmige oder kreisförmige Projektionsfläche möglich. Auf die Projektionsfläche 5 ist ein im Wesentlichen die gesamte Fläche erfassendes photoempfindliches Element 6 gerichtet, welches mit einer in den Fig. 2 und 3 dargestellten Blende 7 ausgestattet ist. Die noch näher beschriebene Blende 7 weist eine Fokusblende 8 auf, die derart dimensioniert ist, dass der Fokusbereich 10 des Kollektors abgeschattet ist. Die Fokusblende dient unter anderem dazu, das photoempfindliche Element vor Überbelichtung zu schützen, wenn viele Spiegel Licht auf den Fokusbereich bündeln.

Strichliert sind in Fig. 1 einzelne Reflexionsbilder R1 bis R4 dargestellt, wobei R1 ein Reflexionsbild des schraffiert dargestellten Heliostaten 3 ist, der zunächst um eine erste Achse 17 (Azimuthaiachse) und danach um eine zweite Achse 18 (Elevationsachse) justiert wird. Zwei der Reflexionsbilder R2 und R3 überlappen sich, das Reflexionsbild R4 liegt teilweise im Fokusbereich 10 und wird - wie in Fig. 5 dargestellt (siehe Reflexionsbild X4) - von der Fokusblende 8 teilweise abgeschattet.

Wie in Fig. 1 angedeutet, kann das photoempfindliche Element 6 (beziehungsweise die bildgebende Kamera) am Heliostat-Array 2 befestigt sein, beispielsweise kann anstelle eines Heliostaten 3 oder eines Spiegels die Kamera 6 beweglich fixiert sein. Ein weiterer Vorteil, der sich aus dieser Art der Messung ergibt, besteht darin, dass das photoempfindliche Element lokal im Bereich des Heliostaten bzw. des Heliostat-Arrays angebracht wird und keine elektrischen Verbindungen zum Fokusbereich notwendig sind.

Aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 ist erkennbar, dass das photoempfindliche Element 6 beispielsweise als bildgebende Kamera ausgeführt sein kann, die mit einem Bildwandler 9 (z.B.: CCD-Chip) und einer Eintrittslinse 11 ausgestattet ist. Mit 12 ist ein Kameragehäuse angedeutet, welches eintrittsseitig die Blende 7 mit der Fokusblende 8 aufweist. Hinter der Blende 7 können Polarisationsfolien 13 angeordnet sein. Je nachdem, wie stark die Polarisationsfolien in ihrer Polarisationsebene gekreuzt werden, ergibt sich eine stärkere oder schwächere Verdunkelung. Die beiden Folien können auf einen bestimmten Abdunklungsfaktor fix eingestellt sein oder - um eine Adaption an sich ändernde Lichtverhältnisse vorzunehmen - verdrehbar ausgeführt sein.

Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Blende 7 - ausgehend von der Fokusblende 8 - beispielsweise als Kreuzblende angeordnete, streifenförmige Führungsblenden 14, 15 auf, welche dazu dienen, eine Justierung um eine erste Achse 17 und eine vorzugsweise normal darauf stehende zweite Achse 18 vorzunehmen. Weiters weist die Blende 7 einen äußeren Rahmen 16 auf, der den äußersten Rand, bzw. den Umgebungsbereich der Projektionsfläche 5 abschattet.

Diese Zusammenhänge sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt, aus welchen eine Projektion der Blendenumrisse auf der Projektionsfläche 5, sowie der abgeschattete Fokusbereich 10 erkennbar sind. Die streifenförmigen Führungsblenden 14, 15 haben eine Breite b und erzeugen auf der Projektionsfläche 5 eine Abschattung der Breite b'. Die Breite b' ist bevorzugt deutlich kleiner als die Seitenlänge r eines Reflexionsbildes, sodass es nie völlig verdeckt werden kann, aber doch groß genug, sodass die Helligkeit messbar gemindert wird, wenn das Reflexionsbild einen Streifen passiert. Die Projektion der Fokusblende 10 dagegen hat eine Seitenlänge s' die deutlich größer ist als die Seitenlänge r eines Reflexionsbildes; dies gewährleistet, dass ein Reflexionsbild durch die Fokusblende 10 vollständig überdeckt werden kann.

Claims (7)

1. 5 AT 504 338 B1 Die Kreuzblende gemäß Fig. 3, 4 und 5 unterteilt den Sichtkegel der Kamera in für sie sichtbare Bereiche (weiß dargestellt) und nicht sichtbare Bereiche 8, 14, 15, 16. Es ist dabei nicht notwendig, dass die Kamera exakt lotrecht zur Projektionsebene 5 angeordnet ist. Wenn die Kamera etwa seitlich angeordnet ist, kommt es zu einer perspektivischen Verzerrung sowohl der Projektionsfläche als auch der Reflexbilder. Das charakteristische Verhalten der Bildhelligkeiten bleibt jedoch gleich und der Algorithmus zur Justierung ebenfalls. Die seitliche perspektivische Verzerrung muss dann allerdings auch bei der Dimensionierung der Blende 7 berücksichtigt werden, das heißt sie muss in der Breite proportional vermindert werden. In Fig. 5 ist eine Abfolge von Reflexionsbildern (X1 bis X7) dargestellt, wie sie die Kamera 6 mit ihrer verblendeten Sicht auf die Projektionsfläche 5 wahrnimmt. Reflexionsbilder dieser Art werden durch eine Serie von azimuthalen Bewegungen eines Heliostaten erzeugt. Außerdem sind die Reflexionsbilder R5 von zwei weiteren Heliostaten dargestellt, die aber ihre Position während dieser Zeit nicht verändern. Die Kamera 6 „sieht“ dabei nur die weiß dargestellte Projektionsfläche und die einzelnen Reflexionsbilder, soweit sie nicht durch die Blende 7 und deren Teile (Fokusblende 8, horizontale und vertikale Führungsblenden 14, 15 oder den Blendenrahmen 16) verdeckt sind. Die Gesamthelligkeit des Bildes nimmt im Zuge der Bewegung (X1 bis X7) zunächst zu, nimmt in der Mitte (durch Teil- oder Ganzabschattung durch die Fokusblende 8 und die vertikale Führungsblende 15) wieder ab, nimmt nochmals zu und nimmt dann wieder ab, wenn das Reflexionsbild den Kamerabereich wieder verlässt. Die Reflexionsbilder X1 und X7 sind dabei für die Kamera nicht mehr sichtbar, das heißt sie tragen nicht zur Helligkeitssteigerung des Gesamtbildes bei. Der absolute Helligkeitswert ist unerheblich, interessant für die Justierung sind nur die relativen Veränderungen um die beste azimuthale Position zu finden. Die Lage der horizontalen Bewegungslinie ist ebenfalls egal, so lange sie sich im Projektionsbereich befindet. Die optimale azimuthale Position ist das Minimum zwischen linken und rechtem Maximum. Intuitiv ist dies im betrachteten Beispiel Position X4. Formal wird diese Position durch die Maximierung folgender Formel ausgedrückt: diff{pos) = (/max(pos) - h(pos)) + (rmax(pos) - h{pos)) h(pos) ist die Helligkeit einer bestimmten Position, lmax(pos) ist die maximale Helligkeit links einer bestimmten Position und rmax(pos) ist die maximale Helligkeit rechts einer bestimmten Position. Ein Beispiel wie das für die Positionen (X1 bis X7) aussehen kann ist in Tabelle 1 angegeben. Das Maximum der Funktion diff(pos) wird in Position X4 erreicht. pos X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 h(pos) 2000 2200 2390 2100 2400 2300 2000 Anax( POS) 2000 2000 2200 2390 2390 2400 2400 f-nax(POS) 2400 2400 2400 2400 2300 2000 2000 diff{pos) 400 0 -180 590 -110 -200 400 Tabe le 1 Das Auffinden der optimalen Elevationposition geschieht analog, die Serie der einzelnen Reflexbilder geht dann von oben nach unten, für die Auswertung gilt die gleiche Formel. Patentansprüche: 1. Vorrichtung (1) zum Ausrichten zumindest eines Heliostaten (3) oder mehrerer zu einem Heliostat-Array (2) zusammengefasster Heliostaten (3) auf den Fokusbereich (10) eines Kollektors, wobei der Fokusbereich (10) des Kollektors von einer Projektionsfläche (5) umgeben und auf die Projektionsfläche (5) ein die Projektionsfläche (5) erfassendes photoempfindliches Element (6) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das photoempfindli- 6 AT 504 338 B1 che Element (6) eine Blende (7) mit einer Fokusblende (8) aufweist, die den Fokusbereich (10) des Kollektors abschattet.
2. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (7) ausgehend von der Fokusblende (8) beispielsweise als Kreuzblende angeordnete, streifenförmige Führungsblenden (14, 15) aufweist.
3. 3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der Führungsblenden (14, 15) auf der Projektionsfläche (5) eine Breite b' aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser oder die Seitenlänge r der Reflexionsbilder der Heliostaten (3), sowie dass die Projektion der Fokusblende (8) auf der Projektionsfläche (5) einen Durchmesser oder eine Kantenlänge s' aufweist, die größer ist als die Seitenlänge r der Reflexionsbilder.
4. 4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (7) einen äußeren Rahmen (16) aufweist, der den Umgebungsbereich der Projektionsfläche (5) abschattet.
5. 5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das photoempfindliche Element (6) eine bildgebende Kamera ist.
6. 6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photoempfindliche Element (6) dem Heliostat-Array (2) zugeordnet ist oder bevorzugt anstelle eines der Heliostaten (3) am Heliostat-Array (2) fixiert ist.
7. 7. Verfahren zum Ausrichten zumindest eines Heliostaten oder mehrerer zu einem Heliostat-Array zusammengefasster Heliostaten auf den Fokusbereich eines Kollektors, gekennzeichnet durch folgende Schritt: Ausrichten eines photoempfindlichen Elementes auf den Fokusbereich und eine den Fokusbereich umgebende Projektionsfläche, wobei das photoempfindliche Element mit einer den Fokusbereich abschattenden Fokusblende ausgestattet ist; Ausführen einer ersten Justierbewegung um eine erste Achse, z.B. die Azimuthalach-se, bei einem der Heliostaten, wobei die anderen Heliostaten still stehen, bis das photoempfindliche Element ein Helligkeitsminimum detektiert, das von zwei Helligkeitsma-xima umgeben ist; Stoppen der ersten Justierbewegung im Helligkeitsminimum; Ausführen einer zweiten Justierbewegung um eine zweite Achse, z.B. die Elevationsachse, des selben Heliostaten, bis das photoempfindliche Element ein Helligkeitsminimum detektiert, das von zwei Helligkeitsmaxima umgeben ist. Stoppen der zweiten Justierbewegung im Helligkeitsminimum. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen