DE102009032584B4

DE102009032584B4 - Verfahren zum Ausrichten der Heliostate eines Heliostatfeldes

Info

Publication number: DE102009032584B4
Application number: DE102009032584A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Prof. Dr.-Ing. Hoffschmidt; Joachim Dr. rer. nat. Göttsche; Markus Dr. rer. nat. Sauerborn; Helmut Dr. Essen; Gört LUEDTKE; Gregor Biegel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-07-11
Also published as: WO2011004022A1; US20120145143A1; DE102009032584A1; US8801188B2; EP2452235A1

Abstract

Verfahren zum Ausrichten der verstellbaren Heliostate (12) eines Heliostatfeldes, welches Solarstrahlung auf einen Strahlungsempfänger reflektiert, unter Verwendung eines Rechners (25), der für mindestens einen Sonnenstand Solar-Einstellwerte für jeden Heliostaten des Heliostatfeldes (10) errechnet oder gespeichert enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der aktuellen Einstellwerte der Heliostate eine Entfernungsmesseinrichtung (20) an einem Messort (MO) aufgestellt wird, welche den Abstand mehrerer Messstellen (26a, 26b, 26c) der Spiegelfläche (13) eines Heliostaten (12) vom Messort (MO) misst, dass durch den Rechner (25) eine Stelleinrichtung (15, 16) an dem Heliostaten (12) derart gesteuert wird, dass vorbestimmte Soll-Einstellwerte erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten der verstellbaren Heliostate eines Heliostatfeldes, welches Solarenergie auf einen Strahlungsempfänger reflektiert, unter Verwendung eines Rechners, der für mindestens einen Sonnenstand Soll-Einstellwerte für jeden Heliostaten des Heliostatfeldes errechnet oder gespeichert enthält.
In Solarturmkraftwerken wird die direkte Sonnenstrahlung über zahlreiche Großspiegel, die der Sonne zweiachsig nachgeführt werden, auf einen Strahlungsempfänger gebündelt, der an der Spitze eines Solarturms angebracht ist. Die hochkonzentrierte Strahlung erhitzt den bis zu mehreren 100 m² großen Strahlungsempfänger auf hohe Temperaturen. Der Strahlungsempfänger ist ein Absorber, der von einem Wärmeträgermedium wie Luft, Wasser, Salz, Thermoöl, durchströmt ist. Dabei werden Temperaturwerte von 500°C bis 1000°C erzielt. Die erzeugte Wärme wird über das Wärmeträgermedium aus dem Absorber abgeführt und beispielsweise einer Dampfturbine zur Erzeugung von Strom zugeführt.
Die Heliostate sind bewegliche Spiegel, deren Spiegelfläche in der Regel 8 m² bis zu 180 m² beträgt. Je nach Größe des Kraftwerks und der Spiegel sind 300–2000 Heliostate oder mehr in einem Heliostatfeld derart angeordnet, dass die reflektierte Solarstrahlung exakt auf den im Turm befindlichen Absorber ausgerichtet wird.
Die Heliostate können motorisch in zwei Richtungen bewegt werden: Einer Azimutbewegung (horizontales Verschwenken) und einer Elevationsbewegung (Verändern des Höhenwinkels). Außerdem hat jeder Heliostat einen Sensor zur Ermittlung des derzeitigen Azimutwinkels und einen weiteren Sensor zur Ermittlung des derzeitigen Elevationswinkels. Ein zentraler Rechner empfängt die Daten sämtlicher Sensoren. Der Rechner enthält eine astronomische Sonnenstandssoftware und er errechnet anhand von Datum und Uhrzeit den jeweiligen Sonnenstand und stellt die Heliostate so ein, dass die einfallende Solarstrahlung von jedem Heliostaten auf den Strahlungsempfänger reflektiert wird. Dabei wird die jeweilige Position des Heliostaten innerhalb des Heliostatfeldes berücksichtigt. Die Nachführung der einzelnen Heliostate erfolgt in der Weise, dass die jeweils aktuelle Sollposition der Heliostate im Abgleich mit den Sonnenstandsdaten und der Daten der Winkelsensoren neu berechnet und über ein Datennetz an die Antriebe der Heliostaten gemeldet wird, die die neue Position anfahren.
Das bekannt Verfahren benötigt hohe Stückzahlen von Winkelsensoren, die eine personalintensive Installation und Wartung erfordern. Die Vernetzung mit der zentralen Datenerfassung und die abschließende Kalibrierung verursachen hohe Kosten und verlängert die Installationszeit des Heliostatenfelds erheblich. Hinzu kommt, dass derartige Solaranlagen zehn bis zwanzig Jahre lang der Witterung standhalten müssen, wobei mit zahlreichen Ausfällen von Sensoren zu rechnen ist.
In WO 2009/072130 A1 ist ein Verfahren zur Konstruktion und Produktion eines Reflektors für Sonnenkollektoren beschrieben. Der Reflektor besteht aus zahlreichen Reflektorelementen, die jeweils an einer vorbestimmten Stelle eines Substrates angebracht werden. Zur Ausrichtung der Reflektorsegmente werden diese gekippt und gedreht, bis das Licht einer Lichtquelle nach Reflektion durch das jeweilige Segment auf eine definierte Fläche eines Objektes fällt. Auf diese Weise wird ein Mustersubstrat erzeugt, das nachfolgend zur Herstellung von Reproduktionen benutzt wird. Hierbei wird das Mustersubstrat einer digitalen Abtastung und Vermessung unterzogen, um eine dreidimensionale Aufzeichnung der Oberfläche des Substrats herzustellen. Diese Aufzeichnung wird für die digitale Steuerung einer Herstellungsmaschine für große Mengen von Reproduktionen des Substrats benutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausrichten der verstellbaren Heliostate eines Heliostatfeldes anzugeben, bei dem der sensorische Aufwand zur Feststellung der Ist-Ausrichtung der einzelnen Heliostate verringert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patenanspruch 1 definiert. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der aktuellen Einstellwerte der Heliostate eine Entfernungsmesseinrichtung an einem Messort aufgestellt wird, welche den Abstand mehrerer Messstellen der Spiegelfläche eines Heliostaten vom Messort misst, und dass durch den Rechner eine Stelleinrichtung an dem Heliostaten derart gesteuert wird, dass vorbestimmte Soll-Einstellwerte erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine zentrale Messung der Ausrichtung zahlreicher Heliostate ohne dass entsprechende Messeinrichtungen oder Sensoren an den Heliostaten vorhanden wären. Die Messung erfolgt berührungslos mit Hilfe einer hochempfindlichen Entfernungsmesseinrichtung, die auf die Spiegelfläche des Heliostaten gerichtet wird und dort an mehreren Messstellen Entfernungsmessungen vornimmt. Dadurch kann die Ebene der jeweiligen Spiegelfläche ermittelt werden. Hieraus ergeben sich der Azimutwinkel und der Elevationswinkel der Spiegelfläche. Diese werden durch den Rechner berechnet. Der Rechner kann nun durch Steuerung der Stelleinrichtung den Heliostaten in die gewünschte Ausrichtung bringen. Das Erreichen der gewünschten Ausrichtung wird dadurch erkannt, dass die Soll-Einstellwerte erreicht sind.
Der Messort kann an dem Strahlungsempfänger oder nahe dem Strahlungsempfänger angeordnet sein. Auf eine derartige Positionierung des Messorts ist die Erfindung aber nicht beschränkt. Vielmehr kann der Messort an einer beliebigen Stelle angeordnet sein, von der Sichtkontakt zu allen Heliostaten des betreffenden Heliostatfeldes existiert.
Die Messstellen auf der Spiegelfläche eines Heliostaten können Messpunkte sein, welche von den übrigen Teilen der Spiegelfläche unterscheidbar sind, wobei mit der Entfernungsmesseinrichtung der Abstand zwischen jedem Messpunkt und dem Messort bestimmt wird. Es ist allerdings möglich, auch bestimmte Bereiche der Spiegelfläche, die sich nicht von anderen Bereichen unterscheiden, für die Entfernungsmesseinrichtung auszuwählen. Dies setzt eine stark bündelnde Entfernungsmesseinrichtung voraus, die beispielsweise mit einem Mikrowellenradar oder einem Laser arbeitet. Vorzugsweise wird ein von der Entfernungsmesseinrichtung ausgesandter Messstrahl in einem Abtastvorgang über die Spiegelfläche eines Heliostaten geführt. Dabei kann kontinuierlich oder punktweise die Abstandsänderung ermittelt werden. Anhand der Abstandsänderungen kann auch der Verlauf der Spiegelfläche bestimmt werden. Auf diese Weise ist eine zusätzlich Untersuchung auf Spiegelfehler möglich.
Die Erfindung betrifft ferner ein Heliostatfeld mit Heliostaten, die die Solarstrahlung auf eine Strahlungsempfangsvorrichtung reflektieren, wobei der Heliostat eine Stelleinrichtung zum Ausrichten des Heliostaten entsprechend dem Sonnenstand aufweist. Erfindungsgemäß ist eine berührungslose Entfernungsmesseinrichtung vorgesehen, die auf jeweils einzelne Heliostaten richtbar ist und anhand von Messstellen der Spiegelfläche des Heliostaten die Ebene der Spiegelfläche bestimmt. Ferner ist vorgesehen, dass ein Rechner die Stelleinrichtung des betreffenden Heliostaten derart steuert, dass die von der Spiegelfläche reflektierte Strahlung bei einem vorgegebenen Sonnenstand den Strahlungsempfänger trifft. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass keine Sensoren zur Ermittlung der jeweiligen Heliostatstellung benötigt werden.
Vorzugsweise besteht die Entfernungsmesseinrichtung aus einer Radareinrichtung mit einer Frequenz über 10 GHz, insbesondere über 50 GHz.
Vorzugsweise befindet sich die Strahlungsempfangsvorrichtung auf einem Turm oder einer Anhöhe erhöht über dem Heliostatfeld.
Mit der Erfindung ist es möglich, sämtliche Heliostaten eines Solarkraftwerks von einem zentralen Messort aus zu vermessen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Gesamtheit der Heliostaten in kleinere Felder aufzuteilen, und jedem dieser Felder einen Messort zuzuordnen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann ein Heliostatfeld auch ein Teilfeld sein.
Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:

– Die Ausrichtungen der Heliostaten werden von einem zentralen Messort aus vermessen. Dadurch werden lokale Positionssensoren an den Heliostaten – jeweils zwei Winkelgeber pro Heliostat – entbehrlich. Es kann auch auf die notwendige Hardware für den Datentransfer zur zentralen Steuerung verzichtet werden.
– Die personalaufwendige Einzelinstallation von Winkelgebern in allen Heliostaten entfällt, einschließlich der im Feld notwendigen Kalibrierung.
– Der Aufwand für die Wartung reduziert sich, weil nur ein Messsystem zu überprüfen ist.
– Die vollständige Wartung mit Nachkalibrierung des Heliostatfeldes erfordert keine Sonneneinstrahlung ist auch bei Bewölkung oder nachts möglich.
– Die Feldvermessungstechnik ist unabhängig vom Heliostatentyp anwendbar, so dass unterschiedliche Spiegeltypen im gleichen Feld eingesetzt werden können.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein solares Turmkraftwerk und
2 eine schematische Darstellung eines Heliostaten mit der entsprechenden Stelleinrichtung.
Das in den Zeichnungen dargestellte Solarkraftwerk weist ein Heliostatfeld 10 auf, das um einen Turm herum angeordnet ist. Das Heliostatfeld enthält zahlreiche Heliostaten 12. Dies sind Spiegel, die die auftreffende Solarstrahlung mit ihrer vorderen Spiegelfläche 13 reflektieren. Die Heliostaten sind in beliebiger Form um den Turm 11 herum angeordnet. Auf dem Turm ist ein (nicht dargestellter) Strahlungsempfänger montiert, auf den die einzelnen Heliostaten ausgerichtet werden, so dass die Solarstrahlung konzentriert auf den Strahlungsempfänger trifft. Die Strahlung wird absorbiert und die Strahlungsenergie wird in Wärme umgewandelt. Über ein Wärmeträgermedium wird diese Wärme aus dem Strahlungsempfänger zu einem Verbraucher abgeleitet.
Wie 2 zeigt, ist jeder Heliostat mit einer Stelleinrichtung versehen. Diese besteht aus einem Azimut-Antrieb 15 und einem Elevationsantrieb 16. Diese Antriebe sind hochgenaue Motoren, beispielsweise Schrittmotore. Der Azimut-Antrieb 15 bewirkt eine Verschwenkung der Spiegelfläche 13 in horizontaler Richtung. Der Elevationsantrieb 16 bewirkt eine Verschwenkungsveränderung des Höhenwinkels.
Auf dem Turm 11 ist eine Entfernungsmesseinrichtung 20 installiert, bei der es sich hier um ein Radargerät im Gigahertz-Bereich handelt. Das Radargerät ist hier schematisch als Sender 21 und Empfänger 22 dargestellt. Es kann zielgerecht auf jeden der Heliostaten gerichtet werden und innerhalb des Heliostaten auch auf unterschiedliche Messstellen. Hierfür sind Drehmotoren 23 vorhanden, mit denen eine hochgenaue Zieleinstellung möglich ist.
Die Entfernungsmesseinrichtung 20 einschließlich der Drehmotoren 23 wird von einem zentralen Rechner 25 aus gesteuert. Der Rechner 25 enthält die Positions- und Stellungsdaten sämtlicher Heliostaten 12. Außerdem enthält er eine hochgenaue astronomische Sonnenstandssoftware, so dass jederzeit genaue Informationen über den Sonnenstand an dem jeweiligen Ort vorliegen.
An der Spiegelfläche 13 jedes Heliostaten sind mehrere Messstellen 26a, 26b, 26c definiert. Jede Messstelle kann ein Messpunkt sein, dessen Reflektionseigenschaften sich von denjenigen der Spiegelfläche 13 unterscheiden, so dass er von der Entfernungsmesseinrichtung als Zielpunkt erkennbar ist. Die Messstellen können nicht nur auf dem Spiegel, sondern auch seitlich, ober- und unterhalb des Spiegels liegen. Der Ort, an dem sich die Entfernungsmesseinrichtung 20 befindet, wird als Messort MO bezeichnet. Die Entfernungsmesseinrichtung misst die Entfernung jedes Messpunktes vom Messort MO auf hochgenaue Weise. Durch Bestimmung der Koordinaten von drei Messstellen kann die Ebene ermittelt werden in der sich die Spiegelfläche 13 befindet. Somit besteht Auskunft über die Ist-Ausrichtung des betreffenden Heliostaten. Der Rechner 25 ermittelt die Soll-Ausrichtung des Heliostaten und steuert die Stelleinrichtung 15, 16 in der Weise, dass die Ist-Ausrichtung mit der Soll-Ausrichtung übereinstimmt. Auf diese Weise erfolgt eine zentrale Steuerung der Ausrichtung jedes einzelnen Heliostaten.
Wenn die Spiegelflächen 13 der Heliostaten eben sind, genügt die beschriebene Dreipunktmessung. Die Erfindung eignet sich aber auch zur Feststellung gewollter oder ungewollter Unebenheiten der Spiegelfläche. So kann ein Abtaststrahl über die Spiegelfläche geführt werden, wobei gleichzeitig die variierende Entfernung zum Messort MO bestimmt wird. Auf diese Weise kann eine gewollte Spiegelkrümmung überprüft werden oder es kann festgestellt werden, ob eine Spiegelfläche, die eben sein sollte, uneben ist.

Claims

Verfahren zum Ausrichten der verstellbaren Heliostate (12) eines Heliostatfeldes, welches Solarstrahlung auf einen Strahlungsempfänger reflektiert, unter Verwendung eines Rechners (25), der für mindestens einen Sonnenstand Solar-Einstellwerte für jeden Heliostaten des Heliostatfeldes (10) errechnet oder gespeichert enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der aktuellen Einstellwerte der Heliostate eine Entfernungsmesseinrichtung (20) an einem Messort (MO) aufgestellt wird, welche den Abstand mehrerer Messstellen (26a, 26b, 26c) der Spiegelfläche (13) eines Heliostaten (12) vom Messort (MO) misst, dass durch den Rechner (25) eine Stelleinrichtung (15, 16) an dem Heliostaten (12) derart gesteuert wird, dass vorbestimmte Soll-Einstellwerte erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Heliostaten (12) Messpunkte angebracht werden, welche von der Spiegelfläche (13) unterscheidbar sind, und dass die Abstände der Messpunkte von dem Messort (MO) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsmesseinrichtung (20) einen Messstrahl aussendet, der in einem Abtastvorgang über die Spiegelfläche (13) eines Heliostaten (12) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Entfernungsmesseinrichtung (20) ein Heliostat (12) auf Spiegelschäden untersucht wird.
Heliostatfeld mit Heliostaten (12), die Solarenergie auf einen Strahlungsempfänger reflektieren, wobei jeder Heliostat (12) eine Stelleinrichtung (15, 16) zum Ausrichten des Heliostaten entsprechend dem Sonnenstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine berührungslose Entfernungsmesseinrichtung (20) vorgesehen ist, die jeweils auf einzelne Heliostaten richtbar ist und anhand von Messstellen (26a, 26b, 26c) der Spiegelfläche (13) die Ebene der Spiegelfläche bestimmt, und dass ein Rechner die Stelleinrichtung des betreffenden Heliostaten derart steuert, dass die von der Spiegelfläche reflektierte Strahlung bei einem vorgegebenen Sonnenstand den Strahlungsempfänger trifft.
Heliostatfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsmesseinrichtung (20) eine Radareinrichtung mit einer Frequenz von über 10 GHz ist.