DE3325919A1

DE3325919A1 - Verfahren und vorrichtung zum ueberpruefen der justierung der einzelspiegel von heliostaten eines sonnenkraftwerkes

Info

Publication number: DE3325919A1
Application number: DE19833325919
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8206 Götting Hartung; Christoph Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8021 Sauerlach Kindermann; Hermann Dipl.-Ing. Kulms; Winfried Dipl.-Ing. 8160 Miesbach Mayer; Josef Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8000 München Zwiegel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-07-19
Filing date: 1983-07-19
Publication date: 1985-01-31

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen
der Justierung der Einzelspiegel von Heliostaten eines Sonnenkraftwerkes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen der Justierung der Einzelspiegel von Heliostaten eines Sonnenkraftwerkes.
Energie wird heutzutage in weitaus größtem Umfang durch Verbrennung von leicht zu erschließenden anorganischen und organischen Rohstoffen sowie durch Ausnutzung von Wasserkraft und - in letzter Zeit verstärkt - auch der Atomkernkräfte gewonnen. Schon seit langer Zeit sind jedoch immer wieder Vorschläge gemacht worden, auch andere Energiequellen auszunutzen. Erwähnt sei nur unter vielen anderen die Energiegewinnung durch Windkraftwerke oder Sonnenkraftwerke. Erst in jüngster Zeit, vor allem unter dem Eindruck der endlichen Rohstoffreserven, wie Erdgas und Erdöl, sind derartige sog.
alternative Energiequellen in größerem Ausmaß auf wirtschaftliche Nutzung untersucht worden.
Vorbild für Sonnenkraftwerke ist hierbei die Anlage in Odeillo in Südfrankreich, mit der zu Forschungszwecken insbesondere Ferrolegierungen erschmolzen werden. In europäischer Zusammenarbeit sind größere Sonnenkraftwerke zur Energiegewinnung, insbesondere Strom- und Wärmeerzeugung bekannt. Derartige Sonnenkraftwerke weisen eine Vielzahl von Heliostaten, d.h. Spiegelanordnungen auf, mit denen das Sonnenlicht auf einen Absorber an der Spitze eines Turmes fokussiert wird. Im Absorber wird eine Flüssigkeit aufgeheizt und verdampft, wonach diese Wärmeenergie nach entsprechendem Wärmeaustausch z.B. zum Antrieb eines Stromgenerators, ausgenutzt wird. Die einzelnen Heliostaten des gesamten Heliostatfeldes sind individuell dem Sonnenlauf nachführbar, so daß die erwähnte Fokussierung des Sonnenlichtes auf den Absorber während des Betriebes des Sonnenkraftwerkes erhalten bleibt.
Die einzelnen Heliostaten des Heliostatfeldes bestehen aus einem zur Nachführung des Heliostaten schwenkbaren Heliostatgerüst, auf dem mehrere Einzelspiegel justiert montiert sind.
Diese Einzelspiegel weisen eine bestimmte zur Fokussierung geeignete und in der Regel einstellbare Krümmung der Spiegeloberfläche auf und sind auf dem Heliostatgerüst justierbar verkantet so angeordnet, daß die erwähnte Fokussierung zustande kommt. Der Anstellwinkel der einzelnen Spiegel auf dem Heliostatgerüst und die Vorkrümmung der Spiegeloberflächen müssen zu Betriebsbeginn justiert werden. Diese Justierung muß im Laufe des Betriebes regelmäßig überprüft werden. Falls Einzelspiegel oder Spiegelanordnungen der Heliostaten soweit dejustiert sind, daß das Sonnenlicht nicht mehr oder nur unzureichend auf dem Absorber fokussiert wird, muß eine Nachjustierung der einzelnen Spiegel bzw. Spiegelanordnungen erfolgen.
Zur Überprüfung der Justierung der Spiegel und Spiegelanordnungen auf dem einzelnen Heliostaten, ist vorgeschlagen worden, die Spiegelanordnung dieses Heliostaten bei Sonnenschein auf einer vor dem Absorber auf der Turmspitze angebrachte Leinwand zu richten und dann zu überprüfen, ob das Bild der Sonne im Bereich des Absorbers konzentriert ist.
Ist dies nicht der Fall, so werden die einzelnen Spiegel durch Veränderung der Krümmung der Spiegeloberfläche und durch Nachstellung der Anlagepunkte an dem Heliostatgerüst entsprechend nachjustiert. Diese Überprüfung ist allerdings sehr zeitaufwendig, insbesondere wenn man bedenkt, daß das Heliostatfeld eines Sonnenkraftwerkes viele hunderte bis tausende derartiger Heliostate umfaßt. Außerdem muß der jeweils untersuchte Heliostat während der Überprüfung dem Sonnenlauf nachgeführt werden. Da diese Überprüfung noch dazu nur bei Sonnenschein durchgeführt werden kann, und daher der Betrieb des Sonnenkraftwerkes während dieser über prüfungszeit eingestellt werden muß, wird die ohnehin durch die Sonnenscheinzeit beschränkte Betriebsdauer des Kraftwerkes weiter verkürzt.
Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, die überprüfung der Justierung der einzelnen Heliostaten mit deren Spiegelanordnungen in ähnlicher Weise mit einer Laser-Lichtquelle vorzunehmen, mit der die Spiegelanordnungen bestrahlt werden.
Diese überprüfung kann zwar außerhalb der Betriebszeit des Sonnenkraftwerkes, z.B. in der Nacht vorgenommen werden; sie verbleibt jedoch ähnlich zeit- und personalaufwendig wie bisher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der in Frage stehenden Art anzugeben, mit denen die Justierung der Einzelspiegel bzw. Spiegelanordnungen eines Heliostaten bzw. Heliostatfeldes eines Sonnenkraftwerkes möglichst rasch überprüft werden kann.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren bzw.
eine Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 3 gelöst.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sehr schnell ein Gesamtiiberblick über den Justagezustand des gesamten Heliostatfeldes erzielt werden. Als Lichtquelle, mit der die Einzelspiegel bzw. Spiegelanordnungen der Heliostate beleuchtet werden, kann z.B. der Mond dienen. Das Bild des Mondes in der Brennfläche der Heliostaten wird dann mit einem Bildaufzeichnungsgerät, so z.B. einer Videokamera oder einer Bildspeicheranordnung aus ladungsgekoppelten Speichern mit einer entsprechenden Optik aufgezeichnet. Das Aufzeichnungsgerät befindet sich entweder auf dem Turm, an dem auch der Absorber angeordnet ist, in dessen unmittelbarer Nachbarschaft bzw. auf einem separaten Turm. Vorteilhaft ist die Anordnung direkt vor dem Absorber, da hiermit auch sonstige Eigenschaften des Systems, insbesondere hinsichtlich der Nachführung der einzelnen Heliostaten überprüft werden können.
Das von dem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnete Bild enthält dann entsprechend der optischen Auflösung des optischen Systems des Bildaufzeichnungsgerätes ein Muster von einzelnen Bildpunkten, die den Bildorten der Lichtquelle, d.h.
in diesem Falle des Mondes entsprechen, wie sie durch die Spiegel und Spiegelanordnungen erzeugt werden. Diese Bildorte bzw. Bildpunkte werden dann mit einem Referenzbild verglichen, auf dem die exakten Bildpunkte bei richtiger Justierung der Spiegel bzw. Spiegelanordnungen auf den Heliostaten enthalten sind. Dieser Vergleich erfolgt z.B.
mit einem Rechner. Hierzu wird das von dem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnete Bild abgetastet,und die Abtastsignale werden in den Rechner als Istwerte eingegeben und dort mit Sollwerten verglichen. Mit dem Rechner kann ein Drucker gekoppelt werden, mit dem das Überprüfungsergebnis ausgedruckt wird. Aufgrund dieses Ergebnisses können dann einzelne Spiegel bzw. Spiegelanordnungen der Heliostate nachjustiert werden.
Wenn als Aufzeichnungsgerät eine Videokamera mit einem Objektiv variabler Brennweite (Zoom-Objektiv) verwendet wird, so können mit der Videokamera anstelle des gesamten Heliostatfeldes auch einzelne Heliostate bzw.
deren Spiegelanordnungen oder kleinere Heliostatgruppen angepeilt werden, die dann entsprechend überprüft werden.
Die Verwendung des Mondes als Testlichtquelle für die Überprüfung hat noch den Vorteil, daß im Laufe der Untersuchung auch die Nachführeinrichtungen der einzelnen Heliostate überprüft werden können, wenn diese dem Mondlauf nachgeführt werden.
Selbstverständlich ist es möglich, als Testlichtquelle eine künstliche Lichtquelle zu verwenden, die ein paralleles Strahlenbündel liefert, mit dem mindestens mehrere Einzelspiegel eines Heliostaten gleichzeitigrnach Möglichkeit aber ein ganzer Heliostat oder sogar mehrere Heliostate angestrahlt werden können.
Bei der Auswertung ist es im übrigen auch möglich, nicht nur die Lage der Bildpunkte auf dem Bild des Aufzeichnungsgerätes zu überprüfen, sondern auch deren Helligkeit. Aus dieser Überprüfung kann einmal auf die Güte der Spiegeloberflächen der einzelnen Spiegel bzw. Spiegelanordnungen rückgeschlossen werden; außerdem ist aus der Leuchtdichteverteilung der den Spiegelflächen zugeordneten Bildpunkte bzw. Bildflächen der Justagezustand der jeweils vermessenen Heliostaten mit deren Spiegelanordnungen ableitbar. Mit der angegebenen Methode ist es im übrigen nicht notwendig, die gesamte Absorberfläche, auf die ansonsten die gebündelten Sonnenstrahlen treffen, auszumessen. Vielmehr genügt die Ausmessung an einem einzigen Ort, wenn für diesen Ort die entsprechenden Referenzwerte vorhanden sind.
Das angegebene Verfahren und die Vorrichtung zur Überprüfung der Justierung sind in Prinzip auch möglich durch eine Auswertung des von den einzelnen Heliostaten mit deren Spiegelanordnungen erzeugten Sonnenbildes in dem Aufzeichnungsgerät. Hier treten jedoch Probleme aufgrund der hohen Energiedichte auf, gegen die das Aufzeichnungsgerät geschützt werden muß. Die Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, daß die Überprüfung der Justierung unproblematisch ist und zu Zeiten außerhalb der Betriebszeiten des Sonnenkraftwerkes vorgenommen werden kann.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Heliostatfeldes eines Sonnenkraftwerkes mit einem Teil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Überprüfen der Justierung der Heliostaten; Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Ein Sonnenkraftwerk weist ein Heliostatfeld 1 aus einer Vielzahl von Heliostaten 2 auf, die jeweils aus einer Anordnung von z.B. 16 Einzelspiegeln 3 aufgebaut sind. Das Heliostatfeld umfaßt z.B. je nach der Leistung des Sonnenkraftwerkes zwischen 300 und 10.000 derartiger Heliostaten. Die Einzelspiegel 3 der Heliostaten 2 haben eine bestimmte Vorkrümmung ihrer Spiegeloberfläche und sind auf den Heliostatgerüsten justiert so angeordnet, daß auf sie fallendes Sonnenlicht auf einen Absorber 4 an der Spitze eines Turmes fokussiert wird.
Außerdem sind die einzelnen Heliostate dem Sonnenlauf nachführbar, so daß diese Fokussierung während des Betriebes des Sonnenkraftwerkes erhalten bleibt.
Die Überprüfung der Justierung der einzelnen Spiegel 3 hinsichtlich deren Vorkrümmung, d . h. der Fokussierungsschärfe, und hinsichtlich der Lage der Auflagepunkte der Spiegelflächen auf den Heliostatgerüsten, d.h. hinsichtlich der Abweichung der optischen Achse der Spiegel gegenüber der Fokussierungsrichtung, wird bei Mondschein vorgenommen, solange die Heliostaten vom Mond 6 beleuchtet werden. Vor den Absorber 4 auf dem Turm 5 wird eine Videokamera 7 mit einem Zoom-Objektiv 8 positioniert. Diese Videokamera wird auf das Heliostatfeld 1 ausgerichtet, wobei je nach Einstellung der Brennweite entweder das gesamte Heliostatfeld oder Gruppen von Einzelheliostaten 2 erfaßt werden. Die einzelnen Heliostaten 2 des Heliostatfeldes sind dabei durch die Nachführeinrichtung so ausgerichtet, daß die Lichtstrahlen des Mondes in das Zoom-Objektiv 8 der Kamera einfallen. Das von dem Objektiv der Videokamera erzeugte optische Bild wird in einer Aufzeichnungseinheit 9 mit Hilfe einer Bildröhre abgetastet und nachfolgend gespeichert. Dieses aufgezeichnete Bild wird anschließend in einem Rechner 10 ausgewertet. Hierzu werden dem Rechner die Abtastsignale der Aufzeichnungseinheit 9 als Istwerte zugeführt, und zwar einmal einem Bildpunktspeicher 11 und zum anderen einem zugeordneten Leuchtdichtespeicher 12. Bei entsprechendem Auflösungsvermögen des Objektives der Videokamera entsprechen die Abtastsignale der Aufzeichnungseinheit 9 diskreten Bildpunkten des Mondes 6, die von einem Einzelspiegel bzw. bei geringerer Auflösung und entsprechender Einstellung der Kamera von einer Spiegelanordnung eines Heliostaten erzeugt sind. Diese diskreten Bildpunkte sind in dem Bildpunktspeicher i1 gespeichert. Die zugehörige Leuchtdichte dieser Bildpunkt wird in dem Leuchtdichtespeicher 12 gespeichert. In dem Rechner 10 sind zwei Referenzspeicher 13 bzw. 14 für die Bildpunkte bzw. Leuchtdichte vorgesehen, in denen die Sollwerte für die Bildpunkte und die Leuchtdichte für den jeweiligen Bildausschnitt der Videokamera gespeichert sind. Diese Sollwerte werden mit den Istwerten aus den Speichern 11 und 12 in einer Auswerteeinheit 15 miteinander verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleiches wird z.B. mit Hilfe eines Druckers 16 ausgedruckt. In diesem Ergebnis wird aufgezeigt, daß z.B.
einzelne Spiegel eines Heliostaten dejustiert sind oder daß die Spiegelanordnung eines Heliostaten insgesamt dejustiert ist. Hierauf können die einzelnen Spiegel oder die Nachführungseinrichtung eines Heliostaten so neu justiert werden, daß wiederum Fokussierung erreicht wird.
Für einen Gesamtüberblick ist es oftmals günstig, mit der Videokamera das gesamte Heliostatfeld 1 aufzuzeichnen, wobei die einzelnen Bildpunkte nicht mehr aufgelöst zu werden brauchen. Hier kann allein über die Leuchtdichteverteilung auf eine unexakte Justierung einzelner Spiegelanordnungen geschlossen werden.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zum überprüfen der Justierung der Einzelspiegel von Heliostaten eines Sonnenkraftwerkes Patentansprüche Verfahren zum Überprüfen der Justierung der Einzelspiegel von Heliostaten eines Sonnenkraftwerkes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Einzelspiegel (3) von einer Lichtquelle (6), die parallele Strahlenbündel liefert und die nicht die Sonne ist, gleichzeitig angestrahlt werden und daß die Bilder der Lichtquelle in der Brennfläche der Heliostaten (3) aufgezeichnet und anschließend hinsichtlich ihrer Fokussierung mit einem Referenzbild verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die durch die Einzelspiegel (3) der Heliostate (2) erzeugten Bildpunkte der Lichtquelle (6, 7) hinsichtlich ihrer Lage und/oder Leuchtdichte mit einem Referenzbild verglichen werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Uberprüfen der Justierung der Einzelspiegel von Heliostaten eines Sonnenkraftwerkes-, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung ein Bildaufzeichnungsgerät (7) in der Brennfläche der Spiegel (3) zur Aufzeichnung des bzw. der Bilder einer die Spiegel beleuchtenden Lichtquelle (6, 17), die nicht die Sonne ist, sowie ferner ein Bildauswertegerät (10) zum Vergleich des aufgezeichneten Bildes mit einem Referenzbild aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Bildaufzeichnungsgerät eine Videokamera (7) mit einem Objektiv (8) variabler Brennweite ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Bildauswertegerät ein Rechner (10) ist, der Speicher (13, 14) für Referenzsignale entsprechend der Verteilung der Bildpunkte bzw.

Leuchtdichte über das von dem Aufzeichnungsgerät (7) erfaßte Bildfeld bei exakter Justierung der Spiegel (3) bzw. Spiegelanordnungen (2), ferner Speicher (11, 12) für von dem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnete Bildpunkt-und/oder Leuchtdichte-Istwertsignale sowie schließlich eine Auswerteeinheit (15) zum Vergleich der Referenz-und Istwertsignale aufweist.