DE102009022155B4

DE102009022155B4 - Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators einer solaren Energiegewinnungsanlage

Info

Publication number: DE102009022155B4
Application number: DE102009022155A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Säck Jan Peter; Dipl.-Ing. Belhomme Boris
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: DE102009022155A1

Abstract

Bei einer Energiegewinnungsanlage, die Sonnenstrahlung mit einem der Sonne nachgeführten Heliostaten auf einen Konzentrator (13) richtet, welcher die Strahlung in einem Fokus (F) in einem Sonnenofen konzentriert, ist eine Kalibrierung des Konzentrators (13) erforderlich, damit sämtliche Sonnenstrahlen exakt im Fokus (F) zusammengeführt werden. Zur Kalibrierung wird der Heliostat mit einer Targetfläche (35) bedeckt, welche zahlreiche Abbildungspunktmarkierungen RP enthält, die den einzelnen Facetten (30) des Konzentrators zugeordnet sind. Ein Laser (1) wird im Fokus (F) positioniert. Der Lasersg zunächst auf den Konzentrator 13 und von diesem in Richtung auf den Heliostaten gelenkt. Die Justierung der Facette (30) erfolgt in der Weise, dass der auf die Targetfläche (35) auftreffende Lichtpunkt die betreffende Abbildungspunktmarkierung trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators einer solaren Energiegewinnungsanlage, die einen der Sonne nachführbaren Heliostaten, einen im Strahlenweg dem Heliostaten nachgeordneten Konzentrator mit zahlreichen reflektierenden Facetten und einen den Fokus des Konzentrators enthaltenden Sonnenofen aufweist.
Eine bekannte Energiegewinnungsanlage der Anmelderin, die in DIR Nachrichten, Ausgabe 109, Januar 2005 beschrieben ist, weist einen der Sonne nachführbaren Heliostaten auf, der die Sonnenenergie unabhängig von dem jeweiligen Sonnenstand auf einen Konzentrator lenkt. Der Konzentrator fokussiert die Sonnenenergie auf einen Fokus, der sich im Inneren eines Sonnenofens befindet. Ein Heliostat ist eine Reflektoreinrichtung, die um eine horizontale Elevationsachse und um eine vertikale Azimutachse herum geschwenkt werden kann, so dass die Flächennormale im Abbildungspunkt des Heliostaten stets die Winkelhalbierende zwischen Sonne, Abbildungspunkt und Zielfläche ist. Ein Konzentrator kann nach Art eines Hohlspiegels aus einer einzigen gebogenen Reflektorfläche bestehen oder aus zahlreichen reflektierenden Facetten, die einzeln ausgerichtet werden können, so dass sie auf einen gemeinsamen Fokus gerichtet sind. Die Facetten können entweder plan sein oder konkave Krümmungen aufweisen. Bei der oben erwähnten Energiegewinnungsanlage weist der Konzentrator ein Facettenfeld von etwa 12 × 13 Facetten auf, die bienenwabenförmig gestaltet sind und zwischen denen nur relativ schmale Spalte bestehen, so dass eine gute Flächenausnutzung erreicht wird. Jede der Facetten kann auch separat ausgerichtet bzw. justiert werden.
Das Kalibrieren des Konzentrators erfolgt im Stand der Technik mit Sonnenlicht. Der Konzentrator wird mit einer Ein-Loch-Maske abgedeckt, die nur eine einzige Facette freilässt. Das Sonnenlicht, das auf den Heliostaten fällt, wird größtenteils von der Maske absorbiert, so dass nur die freigelassene Facette das einfallende Licht auf den Fokus lenkt. Auf diese Weise kann jede Facette einzeln justiert bzw. kalibriert werden. Dies ist ein aufwändiges Verfahren, bei dem unterschiedliche Facetten nacheinander von der Ein-Loch-Maske freigelassen werden müssen. Das Kalibrierverfahren erfordert Sonnenlicht, so dass die Energiegewinnungsanlage zum Kalibrieren während der Einstrahlzeit der Sonne stillgesetzt werden muss. Somit wird für das Kalibrieren Zeit benutzt, die für eine Nutzung der Energiegewinnungsanlage verloren geht. Alle Facetten müssen am gleichen Tag und zur gleichen Zeit ausgerichtet werden, um keine Fehler zu erzeugen. In der Praxis ist dies unmöglich.
Aus WO 02/082037 A1 ist ferner ein Verfahren zur Charakterisierung der Form eines Spiegels zur Verwendung in einer solaren Energiegewinnungsanlage, bekannt, wobei Reflektoren von vorbestimmten Charakterisierungspunkten auf dem Spiegel beobachtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators einer solaren Energiegewinnungsanlage anzugeben, das ein schnelles und genaues Justieren der Facetten des Konzentrators ermöglicht und auch außerhalb der Sonneneinstrahlzeiten ausführbar ist.
Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen einer mit Abbildungspunktmarkierungen versehenen Targetfläche an dem Heliostaten, wobei die Abbildungspunktmarkierungen den einzelnen Facetten des Konzentrators zugeordnet sind,
– Anordnen eines Lasers im Fokus des Konzentrators derart, dass der Laserstrahl jeweils eine der Facetten trifft,
– Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette derart, dass der von dieser Facette reflektierte Lichtstrahl die zugeordnete Abbildungspunktmarkierung trifft.

Bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Laserstrahl entgegengesetzt zu der Strahlrichtung bei Sonnenbestrahlung ausgesandt. Der Laserstrahl, der von dem Fokus ausgeht, wird von dem Konzentrator gezielt auf eine definierte Stelle der Targetfläche geworfen. Die Targetfläche ist eine Plane oder Leinwand oder auch eine Platte, die vor dem Heliostaten angebracht werden kann. Für das Kalibrierverfahren wird die Funktion des Heliostaten überhaupt nicht benötigt. Das Messverfahren kann daher ohne Benutzung des Heliostaten angewandt werden. Vorzugsweise wird der Heliostat jedoch als Träger für die Targetfläche benutzt. Die Targetfläche enthält zahlreiche Abbildungspunktmarkierungen, die jeweils einer Facette entsprechen. Die Abbildungspunktmarkierungen können ebenso wie die Facetten mit Nummerierungen versehen sein, so dass für den Benutzer erkennbar ist, welche Markierung zu welcher Facette gehört. Die Facetten des Konzentrators werden einzeln nacheinander justiert. Hierzu wird der Laser schrittweise von einer Facette zur nächsten verstellt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Fehler des Heliostaten das Kalibrierergebnis nicht beeinflussen.
Die Targetfläche kann über den Heliostaten gespannt bzw. vor dessen Reflexionsseite ausgebreitet werden.
Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Patentanspruch 3 definiert. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen einer mit mindestens einer Abbildungspunktmarkierung versehenen Targetfläche im Fokus des Konzentrators
– Anordnen einer Laserhaltevorrichtung an dem Heliostaten, wobei die Laserhaltevorrichtung Laserpositionen aufweist, die jeweils einzelnen Facetten des Konzentrators zugeordnet sind und
– Anordnen oder Aktivieren eines Lasers in einer Laserposition,
– Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette derart, dass der von dieser Facette reflektierte Laserstrahl die Abbildungspunktmarkierung trifft.

Vorzugsweise wird die Laserhaltevorrichtung vor der Reflexionsseite des Heliostaten montiert.
Die erste und die zweite Variante unterscheiden sich durch die Richtung des Strahlenverlaufs, der bei der zweiten Variante umgekehrt zur ersten Variante ist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Energiegewinnungsanlage mit Heliostat, Konzentrator und Sonnenofen,
2 eine Rückansicht des Heliostaten aus Richtung des Pfeiles II von 1,
3 eine Frontansicht des Facettenfeldes des Konzentrators aus Richtung des Pfeiles III von 1,
4 eine schematische Darstellung der ersten Variante des Kalibrierverfahrens, und
5 eine schematische Darstellung der zweiten Variante des Kalibrierverfahrens.
1 zeigt eine Draufsicht der Energiegewinnungsanlage zur Gewinnung von Solarenergie. Ein Heliostat 10 weist eine vordere Reflexionsfläche 11 auf, die einfallendes Sonnenlicht reflektiert. Die Flächennormale der Reflexionsfläche 11 ist in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet. Der Heliostat 10 ist um eine horizontale Elevationsachse gesteuert schwenkbar. Außerdem ist er um eine vertikale Azimutachse 16 schwenkbar, so dass er dem jeweiligen Sonnenstand folgen kann. Der Heliostat bewirkt, dass, unabhängig vom Sonnenstand, die Sonnenstrahlung auf einen Konzentrator 13 gerichtet wird. Der Konzentrator enthält ein Facettenfeld 14 aus zahlreichen Facetten, die sämtlich so ausgerichtet sind, dass sie die von dem Heliostaten kommende Strahlung auf einen gemeinsamen Fokus F werfen. Die Flächennormale des Facettenfeldes 14 verläuft unter einem Winkel, hier 45°, zu der die Mitten von Heliostat und Konzentrator verbindenden Geraden 15.
Seitlich neben dem Strahlenweg zwischen Heliostat und Konzentrator ist ein Sonnenofen 18 angeordnet. Dieser enthält ein Strahlungseintrittsfenster 19, durch welches die vom Konzentrator kommende Strahlung hindurchgeht. Im Innenraum des Sonnenofens 18 befindet sich der Fokus F, auf den die gesamte Strahlung konzentriert wird.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen Heliostat und Konzentrator etwa 33 m und der Abstand des Sonnenofens 18 vom Konzentrator 13 beträgt etwa 7 m. Die Spiegelfläche des Heliostaten 10 beträgt beispielsweise 6,8 × 6,7 m.
2 zeigt eine Rückansicht des Heliostaten 10. Dieser weist eine im Wesentlichen vertikale Säule 20 auf, welche ein Gelenk 21 mit horizontaler Achse trägt, an welchem ein Elevationsbalken 22 befestigt ist. An dem Elevationsbalken 22 ist eine Tragstruktur 23 befestigt, die ihrerseits mehrere Reflektoreinheiten 24 trägt. Die Reflektoreinheiten sind planare Spiegel, deren Spiegelflächen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Säule 20 enthält die für die Sonnennachführung des Heliostaten erforderliche elektronische Steuerung sowie die betreffenden Antriebe.
In 3 ist eine Frontansicht des Facettenfeldes 14 des Konzentrators 13 dargestellt. Das Facettenfeld besteht aus zahlreichen Facetten 30, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus regulären Sechsecken bestehen und bienenwabenförmig angeordnet sind. Die Facetten 30 haben ebene oder leicht gekrümmte Spiegelflächen. Jede Facette ist einzeln einstellbar und fixierbar.
4 zeigt das Prinzip des Kalibrierens des Konzentrators 13 durch individuelles Einstellen der Facetten 30. An dem Heliostaten 10, der in 4 nicht sichtbar ist, wird eine Targetfläche 35 angebracht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Plane oder Leinwand, die die Reflexionsfläche des Heliostaten bedeckt. Die Targetfläche 35 ist mit zahlreichen Abbildungspunktmarkierungen RP versehen, die jeweils einen Abbildungspunkt des Heliostaten bezeichnen. Die Abbildungspunktmarkierungen RP sind durchnummeriert, beispielsweise von RP1 bis RPn.
Im Fokus F des Konzentrators 13 ist ein Laser L positioniert, dessen Laserstrahl R vom Fokus ausgeht und gesteuert auf jede einzelne Facette 30 des Konzentrators gerichtet werden kann. Da jeder Facette 30 ein anderer Abbildungspunkt des Heliostaten zugeordnet ist, ist auf der Targetfläche 35 für jede Facette eine eigene Abbildungspunktmarkierung RP vorgesehen.
Wenn der von dem Konzentrator auf die Targetfläche 35 gesandte Laserstrahl die vorgesehene Abbildungspunktmarkierung RP nicht trifft, erfolgt eine Nachjustierung der betreffenden Facette 30, die so lange verstellt wird, bis der Laserstrahl die Abbildungspunktmarkierung trifft. Die Abbildungspunktmarkierung ist beispielsweise eine punktförmige oder ringförmig nach Art einer Zielscheibe ausgebildete Bedruckung.
Aus 4 ist ersichtlich, dass der Laserstrahl R den entgegengesetzten Weg der Sonnenstrahlung nimmt. Während die Sonnenstrahlung zunächst den Heliostaten trifft, von diesem auf den Konzentrator 13 reflektiert wird und schließlich im Fokus F endet, beginnt der Laserstrahl R im Fokus F, trifft dann selektiv auf eine einzige Facette des Konzentrators und wird von dieser in Richtung auf den Heliostaten bzw. die Targetfläche 35 geschickt. Die Strahlen zwischen Konzentrator 13 und Targetfläche 35 sind im Wesentlichen parallel zueinander. Sie weichen geringfügig hiervon ab, weil jeder Facette eine andere Zielpunktmarkierung zugeordnet ist.
5 zeigt die zweite Variante des Kalibierverfahrens. Hierbei wird eine Laserhaltevorrichtung vor der Spiegelfläche des Heliostaten montiert, derart, dass sie parallel zu den Spiegelflächen verläuft. Die Laserhaltevorrichtung LHV muss nicht den gesamten Heliostaten bedecken, sondern es reicht aus, wenn sie einzelne Bereiche der Gesamt-Spiegelfläche bedeckt. Die Laserhaltevorrichtung LHV weist mehrere Laserpositionen LP auf, die mit LP1, LP2 ... bezeichnet sind. An jeder dieser Laserpositionen LP kann ein Laser L montiert werden, so dass er senkrecht von der Fläche der Laserhaltevorrichtung LHV abstrahlt. Die Laserstrahlen treffen in Abhängigkeit von der jeweiligen Laserposition LP jeweils eine bestimmte Facette des Konzentrators 13 und werden dann auf den gemeinsamen Fokus F reflektiert. Im Fokus F des Konzentrators 13 befindet sich eine Targetfläche 40, die exakt im Fokus eine Abbildungspunktmarkierung 41 aufweist. Das Justieren der betreffenden Facette des Konzentrators erfolgt in der Weise, dass der Strahl des jeweiligen Lasers genau auf die Abbildungspunktmarkierung 41 trifft.
Die Erfindung erlaubt eine schnelle und sehr genaue Justierung der Facetten 30, ohne die Verwendung von Sonnenlicht und sogar ohne das körperliche Vorhandensein des Heliostaten. Etwaige Reflexionsfehler des Heliostaten beeinflussen nicht die Justierung der Facetten des Konzentrators.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators (13) einer Energiegewinnungsanlage, die einen der Sonne nachführbaren Heliostaten (10), einen im Strahlenweg dem Heliostaten nachgeordneten Konzentrator (13) mit zahlreichen reflektierenden Facetten (30) aufweist, wobei jede Facette des Konzentrators (13) auf einen anderen Abbildungspunkt des Heliostaten (10) ausgerichtet wird, mit folgenden Schritten: – Anordnen einer mit Abbildungspunktmarkierungen (RP) versehenen Targetfläche (35) an dem Heliostaten, wobei die Abbildungspunktmarkierungen (RP) einzelnen Facetten (30) des Konzentrators (13) zugeordnet sind, – Anordnen eines Lasers (1) im Fokus (F) des Konzentrators (13) derart, dass der Laserstrahl (R) jeweils eine der Facetten (30) trifft, – Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette (30) derart, dass der von dieser Facette reflektierte Laserstrahl die zugeordnete Abbildungspunktmarkierung (RP) trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetfläche (35) über den Heliostaten (10) gespannt bzw. vor dessen Reflexionsseite ausgebreitet wird.
Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators (13), einer Energiegewinnungsanlage, die einen der Sonne nachführbaren Heliostaten (10), einen im Strahlenweg dem Heliostaten nachgeordneten Konzentrator (13) mit zahlreichen reflektierenden Facetten (30) aufweist, wobei jede Facette des Konzentrators (13) auf einen anderen Abbildungspunkt des Heliostaten (10) ausgerichtet wird, mit folgenden Schritten: – Anordnen einer mit mindestens einer Abbildungspunktmarkierung (41) versehenen Targetfläche (40) im Fokus des Konzentrators – Anordnen einer Laserhaltevorrichtung an dem Heliostaten, wobei die Laserhaltevorrichtung Laserpositionen aufweist, die jeweils einzelnen Facetten (30) des Konzentrators (13) zugeordnet sind und – Anordnen oder Aktivieren eines Lasers in einer Laserposition, – Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette (30) derart, dass der von dieser Facette reflektierte Laserstrahl die Abbildungspunktmarkierung trifft.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserhaltevorrichtung vor der Reflexionsseite des Heliostaten montiert wird.