DE102009022155A1

DE102009022155A1 - Method for calibration of concentrator of energy generating plant, involves arranging each facet of concentrator in line on another imaging point of heliostats

Info

Publication number: DE102009022155A1
Application number: DE102009022155A
Authority: DE
Inventors: Jan Peter Dipl.-Ing. Säck; Boris Dipl.-Ing. Belhomme
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: DE102009022155B4

Abstract

The method involves arranging each facet (30) of a concentrator (13) in line on another imaging point of the heliostats. The location of a target surface is provided with imaging point markings (RP) at the heliostats. The imaging point markings are assigned to single facet of the concentrator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators einer solaren Energiegewinnungsanlage, die einen der Sonne nachführbaren Heliostaten, einen im Strahlenweg dem Heliostaten nachgeordneten Konzentrator mit zahlreichen reflektierenden Facetten und einen den Fokus des Konzentrators enthaltenden Sonnenofen aufweist.The The invention relates to a method for calibrating a concentrator a solar power plant that uses a sun-tracking heliostat, a concentrator downstream of the heliostat in the ray path with numerous reflective facets and one the focus of the Concentrator containing solar furnace.

Eine bekannte Energiegewinnungsanlage der Anmelderin, die in DLR Nachrichten, Ausgabe 109, Januar 2005 beschrieben ist, weist einen der Sonne nachführbaren Heliostaten auf, der die Sonnenenergie unabhängig von dem jeweiligen Sonnenstand auf einen Konzentrator lenkt. Der Konzentrator fokussiert die Sonnenenergie auf einen Fokus, der sich im Inneren eines Sonnenofens befindet. Ein Heliostat ist eine Reflektoreinrichtung, die um eine horizontale Elevationsachse und um eine vertikale Azimutachse herum geschwenkt werden kann, so dass die Flächennormale im Abbildungspunkt des Heliostaten stets die Winkelhalbierende zwischen Sonne, Abbildungspunkt und Zielfläche ist. Ein Konzentrator kann nach Art eines Hohlspiegels aus einer einzigen gebogenen Reflektorfläche bestehen oder aus zahlreichen reflektierenden Facetten, die einzeln ausgerichtet werden können, so dass sie auf einen gemeinsamen Fokus gerichtet sind. Die Facetten können entweder plan sein oder konkave Krümmungen aufweisen. Bei der oben erwähnten Energiegewinnungsanlage weist der Konzentrator ein Facettenfeld von etwa 12 × 13 Facetten auf, die bienenwabenförmig gestaltet sind und zwischen denen nur relativ schmale Spalte bestehen, so dass eine gute Flächenausnutzung erreicht wird. Jede der Facetten kann auch separat ausgerichtet bzw. justiert werden.A known energy recovery plant of the applicant, in DLR news, Issue 109, January 2005 describes one of the sun trackable heliostats on, the solar energy independent steered from the respective position of the sun on a concentrator. Of the Concentrator focuses the solar energy on a focus that is located inside a solarium. A heliostat is a reflector device, around a horizontal elevation axis and about a vertical azimuth axis can be pivoted around so that the surface normal in the imaging point the heliostat always the bisecting line between sun, imaging point and target area is. A concentrator can in the manner of a concave mirror from a single curved reflector surface consist of or numerous reflective facets that individually can be aligned so that they are focused on a common focus. The facets can either be flat or concave curvatures exhibit. In the above mentioned Energy recovery plant, the concentrator has a facet field of about 12 × 13 Facets that are honeycomb-shaped are designed and between which only relatively narrow gaps exist, allowing a good area utilization is reached. Each of the facets can also be aligned separately or adjusted.

Das Kalibrieren des Konzentrators erfolgt im Stand der Technik mit Sonnenlicht. Der Konzentrator wird mit einer Ein-Loch-Maske abgedeckt, die nur eine einzige Facette freilässt. Das Sonnenlicht, das auf den Heliostaten fällt, wird größtenteils von der Maske absorbiert, so dass nur die freigelassene Facette das einfallende Licht auf den Fokus lenkt. Auf diese Weise kann jede Facette einzeln justiert bzw. kalibriert werden. Dies ist ein aufwändiges Verfahren, bei dem unterschiedliche Facetten nacheinander von der Ein-Loch-Maske freigelassen werden müssen. Das Kalibrierverfahren erfordert Sonnenlicht, so dass die Energiegewinnungsanlage zum Kalibrieren während der Einstrahlzeit der Sonne stillgesetzt werden muss. Somit wird für das Kalibrieren Zeit benutzt, die für eine Nutzung der Energiegewinnungsanlage verloren geht. Alle Facetten müssen am gleichen Tag und zur gleichen Zeit ausgerichtet werden, um keine Fehler zu erzeugen. In der Praxis ist dies unmöglich.The Calibrating the concentrator is done in the prior art with sunlight. The concentrator is covered with a one-hole mask, which is only one only facet leaves. The sunlight that falls on the heliostats largely becomes absorbed by the mask, leaving only the exposed facet directs the incident light to the focus. This way you can each facet can be individually adjusted or calibrated. This is a consuming Method in which different facets successively from the One-hole mask must be released. The calibration procedure requires sunlight, so the power plant to calibrate while the irradiation time of the sun must be shut down. Thus, will for the Calibration time used for a use of the power plant is lost. All facets have to be aligned on the same day and at the same time, no errors to create. In practice this is impossible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Konzentrators einer solaren Energiegewinnungsanlage anzugeben, das ein schnelles und genaues Justieren der Facetten des Konzentrators ermöglicht und auch außerhalb der Sonneneinstrahlzeiten ausführbar ist.Of the Invention is based on the object, a method for calibrating to specify a concentrator of a solar power plant, the a fast and accurate adjustment of the facets of the concentrator allows and also outside the solar irradiation times executable is.

Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen einer mit Abbildungspunktmarkierungen versehenen Targetfläche an dem Heliostaten, wobei die Abbildungspunktmarkierungen den einzelnen Facetten des Konzentrators zugeordnet sind,
– Anordnen eines Lasers im Fokus des Konzentrators derart, dass der Laserstrahl jeweils eine der Facetten trifft,
– Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette derart, dass der von dieser Facette reflektierte Lichtstrahl die zugeordnete Abbildungspunktmarkierung trifft.

A first variant of the method according to the invention is defined by patent claim 1. The method comprises the following steps:

Arranging a target surface provided with imaging point markings on the heliostat, the imaging point markings being associated with the individual facets of the concentrator,
Arranging a laser in the focus of the concentrator such that the laser beam hits one of the facets in each case,
Adjusting the orientation of the respective facet such that the light beam reflected from this facet strikes the associated imaging dot mark.

Bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Laserstrahl entgegengesetzt zu der Strahlrichtung bei Sonnenbestrahlung ausgesandt. Der Laserstrahl, der von dem Fokus ausgeht, wird von dem Konzentrator gezielt auf eine definierte Stelle der Targetfläche geworfen. Die Targetfläche ist eine Plane oder Leinwand oder auch eine Platte, die vor dem Heliostaten angebracht werden kann. Für das Kalibrierverfahren wird die Funktion des Heliostaten überhaupt nicht benötigt. Das Messverfahren kann daher ohne Benutzung des Heliostaten angewandt werden. Vorzugsweise wird der Heliostat jedoch als Träger für die Targetfläche benutzt. Die Targetfläche enthält zahlreiche Abbildungspunktmarkierungen, die jeweils einer Facette entsprechen. Die Abbildungspunktmarkierungen können ebenso wie die Facetten mit Nummerierungen versehen sein, so dass für den Benutzer erkennbar ist, welche Markierung zu welcher Facette gehört. Die Facetten des Konzentrators werden einzeln nacheinander justiert. Hierzu wird der Laser schrittweise von einer Facette zur nächsten verstellt.at The first variant of the method according to the invention is a laser beam opposite to the beam direction when exposed to sunlight. The laser beam emanating from the focus is from the concentrator targeted thrown on a defined point of the target area. The target area is one Tarp or canvas or even a plate in front of the heliostat can be attached. For the Calibration method becomes the function of the heliostat at all not required. The measuring method can therefore be applied without the use of the heliostat become. Preferably, however, the heliostat is used as a support for the target surface. The target area contains numerous picture point markers, each one facet correspond. The picture point markers can as well as the facets be numbered so that it is recognizable to the user Which marking belongs to which facet. The facets of the concentrator are adjusted individually one after the other. For this purpose, the laser is step by step from one facet to the next adjusted.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Fehler des Heliostaten das Kalibrierergebnis nicht beeinflussen.One particular advantage of the invention is that errors of Heliostats do not affect the calibration result.

Die Targetfläche kann über den Heliostaten gespannt bzw. vor dessen Reflexionsseite ausgebreitet werden.The target area can over the heliostat stretched or spread before the reflection side become.

Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Patentanspruch 3 definiert. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen einer mit mindestens einer Abbildungspunktmarkierung versehenen Targetfläche im Fokus des Konzentrators
– Anordnen einer Laserhaltevorrichtung an dem Heliostaten, wobei die Laserhaltevorrichtung Laserpositionen aufweist, die jeweils einzelnen Facetten des Konzentrators zugeordnet sind und
– Anordnen oder Aktivieren eines Lasers in einer Laserposition,
– Justieren der Ausrichtung der jeweiligen Facette derart, dass der von dieser Facette reflektierte Laserstrahl die Abbildungspunktmarkierung trifft.

A second variant of the method according to the invention is defined by patent claim 3. The method comprises the following steps:

- Arranging a provided with at least one imaging point marker target surface in the focus of the concentrator
Arranging a laser holding device on the heliostat, the laser holding device La serpositionen, which are each associated with individual facets of the concentrator and
Arranging or activating a laser in a laser position,
Adjusting the orientation of the respective facet in such a way that the laser beam reflected by this facet strikes the imaging point mark.

Vorzugsweise wird die Laserhaltevorrichtung vor der Reflexionsseite des Heliostaten montiert.Preferably the laser holder is placed in front of the reflection side of the heliostat assembled.

Die erste und die zweite Variante unterscheiden sich durch die Richtung des Strahlenverlaufs, der bei der zweiten Variante umgekehrt zur ersten Variante ist.The first and second variants differ in direction of the beam path, the reverse in the second variant to first variant is.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.in the An embodiment will be described below with reference to the drawings closer to the invention explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Energiegewinnungsanlage mit Heliostat, Konzentrator und Sonnenofen, 1 a schematic representation of an energy recovery plant with heliostat, concentrator and solar furnace,

2 eine Rückansicht des Heliostaten aus Richtung des Pfeiles II von 1, 2 a rear view of the heliostat from the direction of arrow II of 1 .

3 eine Frontansicht des Facettenfeldes des Konzentrators aus Richtung des Pfeiles III von 1, 3 a front view of the facet field of the concentrator from the direction of the arrow III of 1 .

4 eine schematische Darstellung der ersten Variante des Kalibrierverfahrens, und 4 a schematic representation of the first variant of the calibration, and

5 eine schematische Darstellung der zweiten Variante des Kalibrierverfahrens. 5 a schematic representation of the second variant of the calibration process.

1 zeigt eine Draufsicht der Energiegewinnungsanlage zur Gewinnung von Solarenergie. Ein Heliostat 10 weist eine vordere Reflexionsfläche 11 auf, die einfallendes Sonnenlicht reflektiert. Die Flächennormale der Reflexionsfläche 11 ist in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet. Der Heliostat 10 ist um eine horizontale Elevationsachse 12 gesteuert schwenkbar. Außerdem ist er um eine vertikale Azimutachse 16 schwenkbar, so dass er dem jeweiligen Sonnenstand folgen kann. Der Heliostat bewirkt, dass, unabhängig vom Sonnenstand, die Sonnenstrahlung auf einen Konzentrator 13 gerichtet wird. Der Konzentrator enthält ein Facettenfeld 14 aus zahlreichen Facetten, die sämtlich so ausgerichtet sind, dass sie die von dem Heliostaten kommende Strahlung auf einen gemeinsamen Fokus F werfen. Die Flächennormale des Facettenfeldes 14 verläuft unter einem Winkel, hier 45°, zu der die Mitten von Heliostat und Konzentrator verbindenden Geraden 15. 1 shows a plan view of the energy recovery plant for the production of solar energy. A heliostat 10 has a front reflection surface 11 which reflects incident sunlight. The surface normal of the reflection surface 11 is oriented in north-south direction. The heliostat 10 is a horizontal elevation axis 12 controlled swiveling. It is also around a vertical azimuth axis 16 swiveling, so that he can follow the respective position of the sun. The heliostat causes, regardless of the position of the sun, the solar radiation on a concentrator 13 is directed. The concentrator contains a facet field 14 from many facets, all of which are oriented so that they throw the radiation coming from the heliostat to a common focus F. The surface normal of the facet field 14 runs at an angle, here 45 °, to the straight lines connecting the centers of the heliostat and the concentrator 15 ,

Seitlich neben dem Strahlenweg zwischen Heliostat und Konzentrator ist ein Sonnenofen 18 angeordnet. Dieser enthält ein Strahlungseintrittsfenster 19, durch welches die vom Konzentrator kommende Strahlung hindurchgeht. Im Innenraum des Sonnenofens 18 befindet sich der Fokus F, auf den die gesamte Strahlung konzentriert wird.On the side next to the ray path between heliostat and concentrator is a solar furnace 18 arranged. This contains a radiation entrance window 19 through which the radiation coming from the concentrator passes. In the interior of the solar oven 18 there is the focus F on which all the radiation is concentrated.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen Heliostat und Konzentrator etwa 33 m und der Abstand des Sonnenofens 18 vom Konzentrator 13 beträgt etwa 7 m. Die Spiegelfläche des Heliostaten 10 beträgt beispielsweise 6,8 × 6,7 m.In a practical embodiment, the distance between heliostat and concentrator is about 33 m and the distance of the solar furnace 18 from the concentrator 13 is about 7 m. The mirror surface of the heliostat 10 is for example 6.8 × 6.7 m.

2 zeigt eine Rückansicht des Heliostaten 10. Dieser weist eine im Wesentlichen vertikale Säule 20 auf, welche ein Gelenk 21 mit horizontaler Achse trägt, an welchem ein Elevationsbalken 22 befestigt ist. An dem Elevationsbalken 22 ist eine Tragstruktur 23 befestigt, die ihrerseits mehrere Reflektoreinheiten 24 trägt. Die Reflektoreinheiten sind planare Spiegel, deren Spiegelflächen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Säule 20 enthält die für die Sonnennachführung des Heliostaten erforderliche elektronische Steuerung sowie die betreffenden Antriebe. 2 shows a rear view of the heliostat 10 , This has a substantially vertical column 20 on which a joint 21 carries with horizontal axis, on which an elevation bar 22 is attached. At the elevation bar 22 is a supporting structure 23 attached, which in turn several reflector units 24 wearing. The reflector units are planar mirrors whose mirror surfaces are arranged in a common plane. The pillar 20 contains the electronic control required for sun tracking of the heliostat and the respective drives.

In 3 ist eine Frontansicht des Facettenfeldes 14 des Konzentrators 13 dargestellt. Das Facettenfeld besteht aus zahlreichen Facetten 30, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus regulären Sechsecken bestehen und bienenwabenförmig angeordnet sind. Die Facetten 30 haben ebene oder leicht gekrümmte Spiegelflächen. Jede Facette ist einzeln einstellbar und fixierbar.In 3 is a front view of the facet field 14 of the concentrator 13 shown. The facet field consists of many facets 30 which in the present embodiment consist of regular hexagons and are arranged honeycomb-shaped. The facets 30 have flat or slightly curved mirror surfaces. Each facet is individually adjustable and fixable.

4 zeigt das Prinzip des Kalibrierens des Konzentrators 13 durch individuelles Einstellen der Facetten 30. An dem Heliostaten 10, der in 4 nicht sichtbar ist, wird eine Targetfläche 35 angebracht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Plane oder Leinwand, die die Reflexionsfläche des Heliostaten bedeckt. Die Targetfläche 35 ist mit zahlreichen Abbildungspunktmarkierungen RP versehen, die jeweils einen Abbildungspunkt des Heliostaten bezeichnen. Die Abbildungspunktmarkierungen RP sind durchnummeriert, beispielsweise von RP1 bis RPn. 4 shows the principle of calibrating the concentrator 13 by individually adjusting the facets 30 , At the heliostat 10 who in 4 is not visible, becomes a target area 35 appropriate. This is, for example, a tarpaulin or canvas that covers the reflection surface of the heliostat. The target area 35 is provided with a plurality of image point markers RP, each of which denotes an imaging point of the heliostat. The map dot marks RP are numbered, for example, from RP1 to RPn.

Im Fokus F des Konzentrators 13 ist ein Laser L positioniert, dessen Laserstrahl R vom Fokus ausgeht und gesteuert auf jede einzelne Facette 30 des Konzentrators gerichtet werden kann. Da jeder Facette 30 ein anderer Abbildungspunkt des Heliostaten zugeordnet ist, ist auf der Targetfläche 35 für jede Facette eine eigene Abbildungspunktmarkierung RP vorgesehen.In focus F of the concentrator 13 a laser L is positioned whose laser beam R emanates from the focus and controlled on each facet 30 of the concentrator can be directed. Because every facet 30 another mapping point of the heliostat is assigned to the target surface 35 for each facet its own image point mark RP provided.

Wenn der von dem Konzentrator auf die Targetfläche 35 gesandte Laserstrahl die vorgesehene Abbildungspunktmarkierung RP nicht trifft, erfolgt eine Nachjustierung der betreffenden Facette 30, die so lange verstellt wird, bis der Laserstrahl die Abbildungspunktmarkierung trifft. Die Abbildungspunktmarkierung ist beispielsweise eine punktförmige oder ringförmig nach Art einer Zielscheibe ausgebildete Bedruckung.When the from the concentrator to the tar getfläche 35 sent laser beam does not hit the intended imaging point marking RP, there is a readjustment of the relevant facet 30 , which is adjusted until the laser beam hits the image point mark. The imaging point marking is, for example, a dot-shaped or ring-shaped printing in the manner of a target.

Aus 4 ist ersichtlich, dass der Laserstrahl R den entgegengesetzten Weg der Sonnenstrahlung nimmt. Während die Sonnenstrahlung zunächst den Heliostaten trifft, von diesem auf den Konzentrator 13 reflektiert wird und schließlich im Fokus F endet, beginnt der Laserstrahl R im Fokus F, trifft dann selektiv auf eine einzige Facette des Konzentrators und wird von dieser in Richtung auf den Heliostaten bzw. die Targetfläche 35 geschickt. Die Strahlen zwischen Konzentrator 13 und Targetfläche 35 sind im Wesentlichen parallel zueinander. Sie weichen geringfügig hiervon ab, weil jeder Facette eine andere Zielpunktmarkierung zugeordnet ist.Out 4 It can be seen that the laser beam R takes the opposite path of solar radiation. While the solar radiation first hits the heliostat, from this to the concentrator 13 is reflected and finally ends in focus F, the laser beam R begins in focus F, then selectively impinges on a single facet of the concentrator and is directed towards the heliostat or target surface 35 cleverly. The rays between concentrator 13 and target area 35 are essentially parallel to each other. They differ slightly because each facet has a different target point marker.

5 zeigt die zweite Variante des Kalibierverfahrens. Hierbei wird eine Laserhaltevorrichtung vor der Spiegelfläche des Heliostaten montiert, derart, dass sie parallel zu den Spiegelflächen verläuft. Die Laserhaltevorrichtung LHV muss nicht den gesamten Heliostaten bedecken, sondern es reicht aus, wenn sie einzelne Bereiche der Gesamt-Spiegelfläche bedeckt. Die Laserhaltevorrichtung LHV weist mehrere Laserpositionen LP auf, die mit LP1, LP2 ... bezeichnet sind. An jeder dieser Laserpositionen LP kann ein Laser L montiert werden, so dass er senkrecht von der Fläche der Laserhaltevorrichtung LHV abstrahlt. Die Laserstrahlen treffen in Abhängigkeit von der jeweiligen Laserposition LP jeweils eine bestimmte Facette des Konzentrators 13 und werden dann auf den gemeinsamen Fokus F reflektiert. Im Fokus F des Konzentrators 13 befindet sich eine Targetfläche 40, die exakt im Fokus eine Abbildungspunktmarkierung 41 aufweist. Das Justieren der betreffenden Facette des Konzentrators erfolgt in der Weise, dass der Strahl des jeweiligen Lasers genau auf die Abbildungspunktmarkierung 41 trifft. 5 shows the second variant of the calibration process. In this case, a laser holding device is mounted in front of the mirror surface of the heliostat, such that it runs parallel to the mirror surfaces. The laser-holding device LHV does not have to cover the entire heliostat, but it is sufficient if it covers individual areas of the total mirror surface. The laser holder LHV has a plurality of laser positions LP designated LP1, LP2. At each of these laser positions LP, a laser L may be mounted so as to radiate perpendicularly from the surface of the laser holder LHV. The laser beams hit depending on the respective laser position LP each have a particular facet of the concentrator 13 and then reflected on the common focus F. In focus F of the concentrator 13 there is a target area 40 that exactly in focus a picture point marker 41 having. The adjustment of the relevant facet of the concentrator takes place in such a way that the beam of the respective laser exactly to the imaging point mark 41 meets.

Die Erfindung erlaubt eine schnelle und sehr genaue Justierung der Facetten 30, ohne die Verwendung von Sonnenlicht und sogar ohne das körperliche Vorhandensein des Heliostaten. Etwaige Reflexionsfehler des Heliostaten beeinflussen nicht die Justierung der Facetten des Konzentrators.The invention allows a fast and very precise adjustment of the facets 30 without the use of sunlight and even without the physical presence of the heliostat. Any reflection errors of the heliostat do not affect the adjustment of the facets of the concentrator.

Claims

Method for calibrating a concentrator ( 13 ) of an energy recovery plant that has a sun-tracking heliostat ( 10 ), a concentrator downstream of the heliostat ( 13 ) with numerous reflective facets ( 30 ), each facet of the concentrator ( 13 ) to another mapping point of the heliostat ( 10 ), comprising the following steps: arranging a target surface provided with imaging point markings (RP) ( 35 ) on the heliostat, the imaging point markings (RP) of individual facets ( 30 ) of the concentrator ( 13 ) are arranged, - arranging a laser (L) in the focus (F) of the concentrator ( 13 ) such that the laser beam (R) in each case one of the facets ( 30 ), - adjusting the orientation of the respective facet ( 30 ) such that the laser beam reflected from this facet meets the associated imaging point mark (RP).

Method according to claim 1, characterized in that the target surface ( 35 ) over the heliostat ( 10 ) is stretched or spread in front of the reflection side.

Method for calibrating a concentrator ( 13 ), an energy recovery system that provides a sun-tracking heliostat ( 10 ), a concentrator downstream of the heliostat ( 13 ) with numerous reflective facets ( 30 ), each facet of the concentrator ( 13 ) to another mapping point of the heliostat ( 10 ) with the following steps: arranging one with at least one image point mark ( 41 ) provided target surface ( 40 ) in the focus of the concentrator - arranging a laser holding device on the heliostat, wherein the laser holding device has laser positions, the respective individual facets ( 30 ) of the concentrator ( 13 ) and - arranging or activating a laser in a laser position, - adjusting the orientation of the respective facet ( 30 ) such that the laser beam reflected from this facet hits the imaging point mark.

Method according to claim 3, characterized that the laser holding device in front of the reflection side of the heliostat is mounted.