DE102009022154B4 - Method for calibrating an optical reflection device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Kalibrierung der Flächenausrichtung einer Solarstrahlung lenkenden, fokussierenden, optischen Reflektoreinrichtung (10), wie Heliostat oder Dish, welche eine Reflektorebene (RP) definiert, mit folgenden Schritten: a) Errichten einer Start-/Zielebene (STP), b) Anordnen eines Lasers (L) an einer Sendeposition (SP) derart, dass ein von ihm ausgesandter Laserstrahl (12) senkrecht zur Start-/Zielebene (STP) in Richtung auf die Reflektorebene (RP) an einer Messposition (MP) auf die Reflektoreinrichtung (10) trifft, c) Verstellen der Reflektoreinrichtung (10), d) Wiederholen der Schritte b) und c) durch Anordnen des Lasers (L) an jeweils anderen Sendepositionen (SP), wobei der Laserstrahl auf andere Messpositionen (MP) der Reflektoreinrichtung trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Start-/Zielebene (STP) im Abstand der Brennweite der Reflektoreinrichtung (10) von der Reflektorebene angeordnet wird, so dass sie durch den Fokus (F) der Reflektoreinrichtung (10) hindurchgeht, und dass das Verstellen der Reflektoreinrichtung derart erfolgt, dass die Laserstrahlen (12) nach Reflexion an den Messpositionen (MP) sämtlich den Fokus (F) oder eine vorher festgelegte Soll-Position erreichen.Method for calibrating the surface orientation of a solar radiation directing, focusing, optical reflector device (10), such as heliostat or dish, which defines a reflector plane (RP), comprising the following steps: a) establishing a start / target plane (STP), b) arranging a Laser (L) at a transmission position (SP) such that a laser beam emitted by it (12) perpendicular to the start / target plane (STP) in the direction of the reflector plane (RP) at a measuring position (MP) on the reflector device (10) c) adjusting the reflector device (10); d) repeating steps b) and c) by arranging the laser (L) at respectively different transmission positions (SP), whereby the laser beam strikes other measuring positions (MP) of the reflector device in that the start / target plane (STP) is arranged at a distance of the focal length of the reflector device (10) from the reflector plane, so that it passes through the focus (F) of the reflector device (10), un d that the adjustment of the reflector device takes place such that the laser beams (12) after reflection at the measuring positions (MP) all reach the focus (F) or a predetermined target position.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung der Flächenausrichtung einer Solarstrahlung lenkenden, fokussierenden, optischen Reflexionseinrichtung, wie Heliostat oder Dish, welche eine Reflektorebene definiert.The invention relates to a method for calibrating the surface orientation of a solar radiation directing, focusing, optical reflection device, such as heliostat or dish, which defines a reflector plane.
Es ist bekannt, Sonnenenergie mit einer optischen Reflektoreinrichtung einzufangen und zu bündeln, dabei kann die Sonnenenergie von mehreren Reflektoreinrichtungen auf ein Turmkraftwerk gerichtet werden, in dem die Umsetzung der gebündelten Sonnenenergie beispielsweise zur Dampferzeugung erfolgt. Eine andere Anwendung optischer Reflektoreinrichtungen ist das Bündeln der Sonnenergie in einem Sonnenofen zur Erzeugung hoher Ofentemperaturen. Bei den optischen Reflektoreinrichtung unterscheidet man zwischen Heliostaten und Dish-Konzentratoren. Ein Heliostat ist eine optische Vorrichtung, die dazu dient, Sonnenlicht unabhängig vom Sonnenstand stets aus derselben Richtung auf den Strahlungsempfänger einfallen zu lassen. Zu diesem Zweck wird die Reflektoreinrichtung dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt, indem sowohl der Elevationswinkel als auch der Azimut-Winkel verändert werden. Ein Dish-Konzentrator ist eine optische Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung. Beide Arten von Reflektoreinrichtungen können aus ebenen Spiegelfacetten zusammengesetzt sein, oder aus einer kontinuierlichen Spiegelfläche bestehen, die gebogen ist, um die gewünschte Strahlungskonzentration zu erhalten.It is known to capture solar energy with an optical reflector device and to bundle, while the solar energy can be directed by several reflector devices to a tower power plant, in which the implementation of bundled solar energy, for example, to generate steam. Another application of optical reflector means is to bundle the solar energy in a solar furnace to produce high furnace temperatures. The optical reflector device distinguishes between heliostats and dish concentrators. A heliostat is an optical device that serves to allow sunlight to always be incident on the radiation receiver from the same direction, regardless of the position of the sun. For this purpose, the reflector device is tracked to the respective position of the sun by changing both the elevation angle and the azimuth angle. A dish concentrator is an optical device for concentrating solar radiation. Both types of reflector means may be composed of planar mirror facets or consist of a continuous mirror surface which is bent to obtain the desired radiation concentration.
Für eine hohe Energieausbeutung ist eine sehr exakte Formgestaltung bzw. Kalibrierung der optischen Reflektoreinrichtung erforderlich. Üblicherweise erfolgt die Kalibrierung dadurch, dass bei einem Heliostaten die nicht auszurichtenden Facetten mit einer Abdeckung versehen werden. Die auszurichtenden Facetten werden jeweils mit Sonnenlicht bestrahlt und es wird beobachtet, ob das reflektierte Sonnenlicht auf einen Zielpunkt trifft. Das Ausrichten der Facette erfolgt per Augenmaß.For a high energy exploitation a very exact shape design or calibration of the optical reflector device is required. Usually, the calibration is carried out by providing the covers which are not to be aligned with a cover in the case of a heliostat. The faces to be aligned are each irradiated with sunlight and it is observed whether the reflected sunlight hits a target point. The alignment of the facet is done by eye.
In
Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geht aus von einem Kalibrierverfahren, wie es in
In
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierverfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, um auf einfache Weise und in kurzer Zeit die Reflektoreinrichtung so einzustellen bzw. zu formen, dass eine scharfe Strahlkonzentration auf einen einzigen Brennpunkt (Fokus) erreicht wird.The invention has for its object to provide a calibration method and a corresponding device to adjust or form the reflector device in a simple manner and in a short time so that a sharp beam concentration to a single focal point (focus) is achieved.
Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 1 angegeben und eine zweite Variante im Patentanspruch 2. Bei beiden Varianten erfolgt die Vermessung mittels Laserstrahlen, die anstelle des Sonnenlichts den Strahlenweg einzelner Strahlungsverläufe durchlaufen. Es ist daher nicht erforderlich, das Experimentieren bei Sonnenbestrahlung vorzunehmen. Auch ist es nicht erforderlich, alle Flächenbereiche der Reflektoreinrichtung am gleichen Tag und zur gleichen Zeit, nämlich bei solarem Höchststand, auszurichten. Das Ausrichten kann beispielsweise während der Nachtstunden erfolgen, in denen die Reflektoreinrichtung nicht zur Energiegewinnung benutzt werden kann, so dass keine Betriebsausfallzeiten entstehen.A first variant of the method according to the invention is specified in claim 1 and a second variant in claim 2. In both variants, the measurement is carried out by means of laser beams, which instead of the sunlight through the beam path of individual radiation profiles. It is therefore not necessary to experiment with sunlight. Also, it is not necessary to align all areas of the reflector device on the same day and at the same time, namely at solar peak. The alignment can be done, for example, during the night hours, in which the reflector device can not be used to generate energy, so that no downtime occurs.
Bei beiden Varianten der Erfindung wird eine Start-/Zielebene parallel zur Reflektorebene errichtet. Die Start-/Zielebene kann aus einer Vorrichtung bestehen, beispielsweise einer Projektionswand, oder auch aus einer virtuellen Ebene, in der die Laser an Sendepositionen angeordnet werden können. Beispielsweise sind in der Start-/Zielebene entsprechende Halterungen zum Einsetzen einer Lasers vorgesehen. Die Start-/Zielebene wird parallel zu der Reflektorebene der Reflektoreinrichtung positioniert. Die Reflektorebene ist die Tangentenebene im Scheitelpunkt der Reflektoreinrichtung. Bei einem runden Reflektor liegt der Rand der Reflektoreinrichtung in einer Ebene, die parallel zur Reflektorebene verläuft. Bei einer aus mehreren Planspiegeln bestehenden Reflektoreinrichtung verläuft die Reflektorebene ebenfalls orthogonal zu der optischen Achse des Gesamt-Reflektors.In both variants of the invention, a start / target plane is established parallel to the reflector plane. The start / target plane may consist of a device, for example a projection screen, or also of a virtual plane in which the lasers can be arranged at transmission positions. By way of example, corresponding holders for inserting a laser are provided in the start / target plane. The start / target plane is positioned parallel to the reflector plane of the reflector device. The reflector plane is the tangent plane at the apex of the reflector device. In the case of a round reflector, the edge of the reflector device lies in a plane which runs parallel to the reflector plane. In the case of a reflector device comprising a plurality of plane mirrors, the reflector plane likewise runs orthogonal to the optical axis of the overall reflector.
Bei der ersten Variante der Erfindung werden einer oder mehrere Laser in der Start-/Zielebene an ausgewählten Sendepositionen positioniert, so dass jeder Laser parallel zur optischen Achse des Reflektors in Richtung auf den Reflektor strahlt. Der Laserstrahl trifft auf eine der Sendeposition zugeordnete Messposition am Reflektor. Bei korrekter Ausrichtung wird der Laserstrahl auf eine im Fokus angeordnete Zielfläche reflektiert. Die einzelnen Flächenbereiche des Reflektors können auf diese Weise nacheinander von entsprechenden Sendepositionen aus angestrahlt und einzeln justiert werden. In the first variant of the invention, one or more lasers are positioned in the start / target plane at selected transmission positions so that each laser radiates parallel to the optical axis of the reflector in the direction of the reflector. The laser beam strikes a measuring position assigned to the transmission position on the reflector. When properly aligned, the laser beam is reflected onto a target surface in focus. The individual areas of the reflector can be illuminated in this way successively from corresponding transmission positions and adjusted individually.
Bei der zweiten Variante der Erfindung ist der der Strahlengang umgekehrt: Der Laser wird im Brennpunkt des Reflektors positioniert. Er ist um zwei Achsen herum gesteuert schwenkbar, so dass er unterschiedliche Flächenbereiche des Reflektors nacheinander anvisieren kann. Die reflektierte Strahlung fällt dann auf eine definierte Zielposition in der Start-/Zielebene.In the second variant of the invention, the beam path is reversed: the laser is positioned at the focal point of the reflector. It is pivotable about two axes controlled, so that it can target different areas of the reflector successively. The reflected radiation then falls to a defined target position in the start / target plane.
Die Erfindung ist bei solchen Reflektoren anwendbar, die aus ebenen Facetten zusammengesetzt sind und auch bei solchen Reflektoren, die aus einer kontinuierlichen gekrümmten Spiegelfläche bestehen. Sie ist ferner anwendbar bei Facetten-Reflektoren mit gekrümmten Facetten, um einerseits die generelle Facettenausrichtung zu justieren und andererseits auch die Formung der Facette. Schließlich ist die Erfindung anwendbar bei Heliostaten, die im allgemeinen sehr große Abmessungen haben sowie auch bei Dish-Konzentratoren von im allgemeinen wesentlich kleineren Abmessungen.The invention is applicable to such reflectors composed of planar facets and also to those reflectors consisting of a continuous curved mirror surface. It is also applicable to faceted reflectors with curved facets, on the one hand to adjust the general Facettenausrichtung and on the other hand, the shaping of the facet. Finally, the invention is applicable to heliostats, which generally have very large dimensions as well as dish concentrators of generally much smaller dimensions.
Die Erfindung betrifft ferner entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung des jeweiligen Verfahrens. Hierbei ist eine Hilfsvorrichtung vorgesehen, die in der Start-/Zielebene montierbar ist und dazu dient, einen oder mehrere Laser in unterschiedlichen Laserpositionen anzuordnen. Außerdem kann die Hilfsvorrichtung eine im Fokus anzuordnende Zielfläche zur Sichtbarmachung des Zielpunktes des Laserstrahls enthalten.The invention further relates to corresponding devices for carrying out the respective method. In this case, an auxiliary device is provided which can be mounted in the start / target plane and serves to arrange one or more lasers in different laser positions. In addition, the auxiliary device may include a focus to be arranged in the target area for visualization of the target point of the laser beam.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.In the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Bei dem Ausführungsbeispiel von
Die Reflektoreinrichtung
Parallel zur Reflektorebene RP ist eine Hilfsvorrichtung
Die Hilfsvorrichtung
Jeder Laserstrahl, der in der beschriebenen Ausrichtung, d. h. parallel zur optischen Achse, auf die Reflektoreinrichtung
Gemäß
Gegenüber dem Reflektor ist eine Hilfsvorrichtung
Der als Dish ausgebildete Reflektor
In
Das anhand von
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