Auslegung und Erprobung eines reflexbasierten Verfahrens zur Charakterisierung von Heliostaten

Kurzfassung

n einem CSP-Turmkraftwerk wird mittels gebündeltem Sonnenlicht Energie erzeugt. Die Bündelung des Sonnenlichts erfolgt durch parabolisch geformte Sonnenspiegel, sogenannte Heliostaten, welche am Boden vor dem Turm positioniert sind. Einfallendes Sonnenlicht wird an den Heliostaten in Richtung eines Receivers auf dem Turm reflektiert, um dort ein Wärmeträgermedium zu erhitzen, welches eine Turbine zur Stromgewinnung antreibt. Für einen möglichst effizienten Betrieb des Turmkraftwerks ist es notwendig, dass die Heliostaten zu jeder Zeit so ausgerichtet sind, dass das Sonnenlicht direkt auf den Receiver reflektiert wird. Genaue Kenntnis über die Orientierung der Heliostaten ist daher besonders wichtig. Bisherige Verfahren zur Orientierungsbestimmung von Heliostaten erweisen sich oft als zu langsam und zu ungenau. Es wird daher ein neuartiges Verfahren erprobt, um die Orientierung eines Heliostaten mit einer angestrebten Genauigkeit von 0.1 mrad zu bestimmen, und um Abweichungen der Spiegelfläche von der Idealform zu detektieren. Mittels eines UAVs und einer daran angebrachten Kamera wird das Heliostatenfeld beflogen und erfasst. Nahe der Kamera sind verschiedenfarbige LEDs (Targets) platziert. Bei entsprechender Positionierung des UAVs sind in den aufgenommenen Bildern Heliostaten zu sehen, in denen sich die Reflexion des UAVs, vor allem aber der deutlich sichtbaren LED-Targets befindet. Bei genauer Kenntnis über die Position von Kamera, Target, und der Targetreflexion auf dem Heliostaten, kann der Normalenvektor der Spiegeloberfläche am Ort der Targetreflexion über Vektorrechnung bestimmt werden. Aus den Normalenvektoren können Rückschlüsse auf die Oberflächenform und die Orientierung des Heliostaten gezogen werden, sofern die Reflexionen möglichst gleichmäßig verteilt sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Programm entwickelt, durch welches das Messverfahren mit unterschiedlichen Konfigurationen (Positionen von Kamera und Targets) simuliert werden kann. Dabei wird für jeden Aufnahmestandpunkt der Kamera ein Orthobild des erfassten Heliostaten mit den darin sichtbaren Targetreflexionen erzeugt. Form, Größe und Anzahl der Reflexionen sind abhängig von der Oberflächenform des Heliostaten sowie den Positionen von Kamera und Targets. Anschließend erfolgt die Auswertung, welche sowohl für Orthobilder aus der Simulation, als auch für Orthobilder aus realen Aufnahmen durchführbar ist. In den Orthobildern werden die Targetreflexionen detektiert und deren Verteilung auf dem Heliostaten wird bewertet. An den Orten der Reflexionen werden schließlich die Normalenvektoren berechnet. Die Simulation dient der Erprobung verschiedener Messsetups und liefert wichtige Informationen für die Planung der UAV-Flugroute und den darauf befindlichen Aufnahmestandpunkten der Kamera. Eine durchgeführte Fehlerabschätzung gibt Aufschluss über die einzuhaltenden Genauigkeiten, vor allem hinsichtlich der Positionsbestimmung von Kamera, Targets und der Targetreflexionen in den Heliostaten. Zudem wurde ein zur Durchführung des Messverfahrens in der Praxis benötigter LED-Targetprototyp entworfen, mit dem bereits Versuche an echten Heliostaten durchgeführt wurden. Diese Arbeit ist als Vorstudie zu diesem neuartigen Heliostatmessverfahren anzusehen und dient als Grundlage zur noch erfolgenden, vollständigen Umsetzung in die Praxis.