Strahlungsflussdichtemessung mittels Reflexion an Solarturm-Rohrreceivern - Bildaufnahme und softwarebasierte Bildverarbeitung

Kurzfassung

Um den Betrieb einer Solarturmanlage überwachen und optimieren zu können, und um die Wirkungsgrade von Heliostatfeld und Receiver ermitteln zu können, ist die Messung der flächenbezogenen Strahlungsleistung (Strahlungsflussdichte) an der Oberfläche des Receivers von großem Interesse. Seit einigen Jahren wird am DLR eine bildverarbeitende Software entwickelt, welche auf Grundlage der vom Receiver reflektierten Strahlung die Strahlungsflussdichte berechnet. Hierfür werden zunächst mittels einer optischen Kamera Rohbilder des Receivers während der Bestrahlung durch die Heliostaten aufgenommen. Die orts- und richtungsabhängigen Reflexionseigenschaften der Receiveroberfläche werden durch das am DLR patentierte Scan-Verfahren zuvor ermittelt und in die Berechnung innerhalb der Auswertungssoftware mit einbezogen. Nach der Entwicklung dieses Verfahrens für offene volumetrische Receiver wird es im Zuge des Forschungsprojekts TubeMon für die Anwendung an einem Rohrreceiver angepasst. Nachdem der hierfür gefertigte wassergekühlte Rohrreceiver bislang nur bei Nacht mit Hilfe eines Scheinwerfers bestrahlt wurde, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit weitere Bestrahlungsversuche durchgeführt. Diese beinhalteten insbesondere Scan-Versuche mit einzelnen Heliostaten bei Tag und mit einem Scheinwerfer bei Nacht. Einen wichtigen Bestandteil bildeten außerdem die stationären Bestrahlungen des Receivers mit gruppenweisem (De-)Fokussieren der Heliostaten. Um die Ergebnisse des kamerabasierten Messverfahrens mit einer Referenzmessung vergleichen zu können, wurden Fokusverschiebungen und Radiometermessungen durchgeführt. Der Schwerpunkt bei der Versuchsdurchführung und -auswertung lag bei der vorliegenden Arbeit auf der Bildaufnahme und -verarbeitung. Die Ergebnisse der Referenzmessung wurden im Rahmen der Bachelorarbeit von Matthias Glinka bereitgestellt. Um die Rohbilder besser auswerten zu können, wurden innerhalb der Software Verbesserungen und Erweiterungen vorgenommen. Diese bezogen sich auf Entzerrung, relative Bildverschiebung, Mittelwertbestimmungen und die Kalibrierung der Bilder mittels Radiometermesswerten. Es erfolgte ein Vergleich zwischen ausgewerteten Heliostaten-Scans und Scheinwerfer-Scans. Dabei wurden Schwierigkeiten bezüglich unterschiedlicher Blendeneinstellungen bei Tag- und Nachtversuchen identifiziert. Als eine weitere Auffälligkeit stellte sich heraus, dass mit zunehmendem Einfallswinkel die Korrektur durch ein Scan-Ergebnis zu zunehmenden Ungleichmäßigkeiten in Streifenform führt. Die Auswertung einer stationären Bestrahlung erfolgte beispielhaft für eine Bestrahlung mit 24 Heliostaten. Das Ergebnis konnte mit einer Referenzmessung verglichen werden. Es wurde eine grundsätzlich gute Übereinstimmung der beiden Messergebnisse insbesondere im zentralen Bereich der Absorberfläche festgestellt. In manchen Randbereichen waren hingegen noch deutliche Abweichungen zu beobachten. Der Vergleich beider Messverfahren ergab im betrachteten Fall eine relative Abweichung der Einstrahlungsleistung von 0,9 %. Zu den nächsten Schritten gehören die restliche Auswertung der durchgeführten Versuche und zusätzliche Software-Verbesserungen. Die Erprobung des Messverfahrens wird an weiteren Rohrreceivern im Rahmen des Forschungsprojektes HPMS-II sowie am kommerziellen Solarturmkraftwerks in Ashalim (Israel) fortgesetzt werden.