Development of the Theoretical and Experimental Framework of a Heliostat Field Calibration Method

Abstract

Solarturmkraftwerke verwenden tausende bis mehr als hundertausend individuell, zweiachsig der Sonne nachgeführte Heliostaten, um direkte Solarstrahlung auf eine als Receiver bezeichnete zentrale Absorberstruktur oben auf einem Turm zu reflektieren. Aufgrund der daraus resultierenden hohen Solarstrahlungsflussdichte auf dem Receiver sind Solarturmkraftwerke in der Lage, hohe Betriebstemperaturen zu erreichen. Dies ist besonders nützlich unter anderem zur Realisierung von hohen Gesamtwirkungsgraden bei Betrieb eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder für solarchemische Verfahren zur Herstellung von solaren Kraftstoffen. Solarturmkraftwerke haben jedoch den Nachteil, dass jeder Heliostat die Sonnenbahn mit eigenen zweiachsigen Antrieben mit hoher Genauigkeit nachführen muss. Idealerweise sollte die Nachführgenauigkeit ≤1 mrad betragen (Sattler et al. 2020). Dies stellt jedoch auch heutzutage noch immer ein Problem dar, da die Nachführgenauigkeit von mehreren Fehlerquellen beeinflusst wird. Um die Ausrichtung der Heliostaten zu vermessen, ist es notwendig, ein Kalibriersystem einzusetzen. Die meisten Solarturmkraftwerke verwenden die dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Kamera-Target-Methode, die jedoch Nachteile hat, beispielsweise dass der Kalibrierprozess für ein gesamtes Heliostatfeld sehr langsam ist. In der vorliegenden Arbeit lag der Fokus auf der Erforschung und Entwicklung einer Kalibriermethode, die den Einsatz eines zweiachsig nachgeführten zentralen Lasersystems und zweier Kameras vorsieht. Diese Kalibriermethode wird als zentrales Laser-Kamera-System (CLCS) bezeichnet. Das Ziel war, eine Genauigkeit von 0.1 mrad für die Messung der Ausrichtung eines Heliostaten zu erreichen. Die Auswahl einer optimalen Konfiguration des Laser- und Kamerasystems ist komplex. Um die Theorie des CLCS zu bestätigen, wurde ein Simulationsmodell entwickelt und validiert sowie mehrere Laborversuche und ein Außenversuch durchgeführt. Die Experimente und die Theorie zeigten, dass es mit einer spezifischen Konfiguration des Laser- und Kamerasystems realistisch ist, dass das CLCS prinzipiell in einer realen Anwendung in der Zukunft funktionieren kann. Zur Bewertung der Messgenauigkeit des CLCS wurde eine Simulationsstudie unter Verwendung von Bildaufnahmen von Laserstrahlen vom Außenversuch durchgeführt, die zu dem Ergebnis kam, dass mit der verwendeten Kamera eine mittlere Messgenauigkeit von 0.37 mrad realistisch ist, was ausreichend gut ist. Für das CLCS ist eine Messrate von 10 Hz realistisch. Verglichen mit der aktuellen Kamera-Target-Methode kann das CLCS potentiell mit einer weit höheren Messgeschwindigkeit betrieben werden und zwar bis zu 300-mal schneller, wenn bei der Vermessung der Ausrichtung eines Heliostaten lediglich eine einzelne Spiegelfacette verwendet wird. Die Vermessung mehrerer Spiegelfacetten pro Heliostat, um daraus die Gesamt-Heliostatennormale zu bestimmen, ist ebenfalls möglich. Darüber hinaus kann das Laser-Kamera-Verfahren auch nachts eingesetzt werden.