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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines solarthermischen Konzentrators.
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In solarthermischen Kraftwerken wird Solarstrahlung durch optische Konzentratoren auf einen Absorber konzentriert, um in eine andere Energieform umgesetzt zu werden. Bei Parabolrinnenkraftwerken bestehen die Konzentratoren aus langgestreckten Parabolspiegeln, die die einfallende Strahlungsenergie auf ein Absorberrohr konzentrieren. Bei Dish-Stirling-Anlagen bestehen die Konzentratoren aus schüsselförmigen Spiegeln, in deren Brennpunkt der Absorber angeordnet ist. Ferner gibt es Heliostat-Anlagen aus zahlreichen leicht gekrümmten Spiegeln, die so ausgerichtet werden, dass die reflektierte Strahlung auf einen gemeinsamen Receiver trifft, der in der Regel auf einem Turm angeordnet ist. In allen Fällen handelt es sich um große Spiegel, die zur Erlangung einer hohen Energieausbeute mit großer Genauigkeit zum Konzentrator ausgerichtet sein müssen. Die Spiegel müssen in ihrer Form sehr genau der Sollform entsprechen, um Strahlungsverluste gering zu halten und eine gleichmäßige Strahlungsverteilung auf dem Absorber zu produzieren. Aus Kostengründen und technischen Schwierigkeiten weisen die Konzentratoren immer gewisse Formabweichungen auf. Diese Formabweichungen müssen zur Qualitätskontrolle und zur Wirkungsgradoptimierung sehr genau bemessen werden. Durch die großen Ausmaße der Konzentratoren (typische Werte für Parabolrinnen: Aperturweite 6 m, Parabol-Dishes: 50 m2, Heliostaten: 100 m2) ist es jedoch äußerst schwierig, mit vertretbarem Aufwand an Zeit und Kosten flächige Messungen mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen.
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Die Anmelderin hat ein Verfahren entwickelt, welches aus der Position der Reflexion des Absorberrohrs auf der Spiegeloberfläche der lokale Steigungsfehler bestimmt wird. Aus einer Serie von Messbildern lassen sich Steigungsfehler für die gesamte Spiegelfläche bestimmen. Das Verfahren ist in der
DE 10 2005 019 367 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften der Spiegelfläche ist jedoch die Kenntnis der genauen Position der Kamera und der Orientierung der Kamera während der Aufnahme eines Bildes notwendig. Die Bestimmung von Kameraposition und Kameraorientierung muss gleichzeitig erfolgen, wobei jedoch eine Kombination von Messmethoden notwendig ist, um die benötigten Informationen zu erhalten. Zusätzlich müssen die Messmethoden exakt mit der Bildauslösung synchronisiert sein, um für ein aufgenommenes Bild exakt die Kameraposition und -orientierung zu kennen. Diese Synchronisation ist insofern kritisch, da die Kamera beispielsweise bei der Aufnahme aus der Luft ständig in Bewegung ist und somit ein Synchronisationsfehler direkt einen Fehler der Kameraposition bei einem Bild zur Folge hat.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Vermessung eines solarthermischen Konzentrators bereitzustellen, bei dem die Kameraposition und Kameraorientierung mit geringem Aufwand in Bezug auf einen solarthermischen Konzentrator sehr genau bestimmbar ist, wobei ein möglichst hoher Automatisierungsgrad bei der Vermessung ermöglicht werden soll.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es weist folgende Schritte auf:
- – Aufnahme von Bildern des solarthermischen Konzentrators mit einer Kamera, wobei bei der Aufnahme mindestens ein Target vor dem solarthermischen Konzentrator angeordnet ist, dessen Abbild von der Spiegelfläche des Konzentrators reflektiert wird,
- – Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung über eine Bildauswertung,
- – Bestimmung von Positionen von charakteristischen Formen des Konzentrators über eine Bildauswertung,
- – Bestimmung von geometrischen Eigenschaften in der Spiegelfläche über die in den Bildern dargestellte Reflexion des Abbildes des Targets.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Kameraposition und Kameraausrichtung nicht bereits zum Zeitpunkt der Bildauslösung bestimmt werden, sondern eine Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung anhand der aufgenommenen Bilder durch eine Bildauswertung erfolgt. Durch die Bestimmung von Positionen von charakteristischen Formen des Konzentrators über eine Bildauswertung kann auch die Position des solarthermischen Konzentrators bestimmt werden, wodurch alle Informationen für eine anschließende Bestimmung von geometrischen Eigenschaften der Spiegelfläche, beispielsweise über das in der
DE 10 2005 019 367.6 beschriebene Verfahren, vorliegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auf zusätzliche Vorrichtungen für die Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung verzichten.
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Dadurch, dass die Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung sowie die Bestimmung von Positionen von charakteristischen Formen des solarthermischen Konzentrators über Bildauswertung erfolgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren nahezu vollständig automatisiert erfolgen, indem die Bildauswertung zur Bestimmung der zuvor genannten Informationen von einer Software durchgeführt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass Bilder von mehreren solarthermischen Konzentratoren aufgenommen werden, so dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein komplettes Solarfeld gemessen werden kann. Die Bilder können aus der Luft aufgenommen werden, beispielsweise über ein Flugobjekt mit einer an dem Flugobjekt angeordneter Kamera. Das Flugobjekt kann beispielsweise eine Flugdrohne, ein Helikopter, ein Flugzeug, ein Zeppelin oder ein Ballon sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmen aus der Luft während eines Überflugs der Kamera über den solarthermischen Konzentrator bzw. die solarthermischen Konzentratoren erfolgen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung über eine photogrammetrische Auswertung der Bilder erfolgt. Auch kann vorgesehen sein, dass die Bestimmung von charakteristischen Formen des Konzentrators über eine photogrammetrische Auswertung der Bilder erfolgt.
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Über die photogrammetrische Auswertung der Bilder sind die Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung sowie die Bestimmung von charakteristischen Formen des Konzentrators auf besonders vorteilhafte Weise möglich. Darüber hinaus lassen sich über die photogrammetrische Auswertung auch Parameter bestimmten, die eine Verzeichnung des Kameraobjektivs (die sogenannte innere Orientierung) charakterisieren.
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Die Bestimmung der Kameraposition und Kameraorientierung über eine photogrammetrische Auswertung kann über in jedem der Bilder vorhandene vorbekannte Markierungen erfolgen, wobei die Positionen der Markierungen im jeweiligen Bild über Bildauswertung als zweidimensionale Bildkoordinaten bestimmt werden.
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Unter vorbekannten Markierungen sind im Rahmen der Erfindung solche Markierungen zu verstehen, die vor der Aufnahme eindeutig festgelegt worden sind. Dies können beispielsweise vor der Aufnahme der Bilder ausgelegte Markierungen oder im Umfeld des solarthermischen Konzentrators bzw. der solarthermischen Konzentratoren vorhandene ortsfeste Gegenstände, wie beispielsweise Gebäudeteile oder anderes technisches Equipment, sein. Dabei sollten die Markierungen derart ausgebildet sein, dass diese eindeutig über eine Bildauswertung erkennbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann folgenden ersten Schritt umfassen: Auslegen von Markierungen neben dem solarthermischen Konzentrator oder einem oder mehreren der solarthermischen Konzentratoren. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Positionen der Markierungen zueinander und/oder zu dem solarthermischen Konzentrator bzw. den solarthermischen Konzentratoren grob bestimmt werden. Unter der Grobbestimmung der Positionen der Markierungen wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass die Positionen mit einer Genauigkeit, die im Zentimeterbereich liegt, bestimmt werden, beispielsweise durch Vermessung mittels eines Bandmaßes. Somit wird eine ungefähre Orientierung des Konzentrators bzw. der Konzentratoren relativ zu den Markierungen bestimmt und die Markierungen bilden ein Referenzsystem.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, dass jede der Markierungen individuell ist, wobei jede Markierung bei der photogrammetrischen Auswertung identifizierbar ist.
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Bei der Bestimmung von Positionen von charakteristischen Formen des solarthermischen Konzentrators mittels der photogrammetrischen Auswertung können folgende Schritte durchgeführt werden:
- – Positionieren von Suchfenstern in den Bildern, wobei die Suchfenster anhand der bestimmten Kameraposition und Kameraorientierung und der grob bestimmten oder bekannten Positionen der Markierungen erfolgt,
- – Erkennung einer charakteristischen Form innerhalb eines Suchfensters und
- – Bestimmung der Position jeder charakteristischen Form als zweidimensionale Bildkoordinaten.
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Durch die Verwendung derartiger Suchfenster wird der Aufwand bei der Erkennung der charakteristischen Form sehr gering gehalten, da lediglich das Suchfenster durchsucht werden muss. Darüber hinaus wird mit einer hohen Zuverlässigkeit die charakteristische Form erkannt, ohne dass es durch andere, in dem Bild befindliche ähnliche Formgebungen, zu fehlerhaften Erkennungen kommen kann. Über die Markierungen oder die charakteristischen Formen kann auch eine Zuordnung der einzelnen Bilder zu einzelnen Kollektoren erfolgen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die dreidimensionale Position jeder der charakteristischen Formen über eine erneute photogrammetrische Auswertung der Bilder mit den zweidimensionalen Bildkoordinaten der Markierungen und den zweidimensionalen Bildkoordinaten der charakteristischen Formen bestimmt wird. Durch die Bestimmung der dreidimensionalen Position der charakteristischen Formen kann somit die Lage des Konzentrators und die Kameraposition und Kameraorientierung für eine anschließende Bestimmung von geometrischen Eigenschaften der Spiegelfläche zur Verfügung gestellt werden.
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Die einzelnen Schritte zur Bestimmung von Positionen der charakteristischen Formen des Konzentrators oder der Konzentratoren können auch iterativ wiederholt werden, wobei zunächst nur eine oder wenige der charakteristischen Formen erkannt werden bzw. die Position dieser bestimmt wird. Diese bekannten charakteristischen Formen können als Hilfsmarkierungen für das Positionieren weiterer Suchfenster verwendet werden. Dies ist auf besonders einfache Art und Weise möglich, da grundsätzlich die Abmaße der Konzentratoren bekannt sind, wodurch über bestimmte charakteristische Formen die ungefähre Position der weiterhin charakteristischen Formen und somit der Bereich, in dem ein Suchfenster positioniert werden kann, ermittelbar ist. Dadurch wird die Anforderung an die Genauigkeit beim Einmessen der Orientierung der Markierungen verringert oder es kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der charakteristischen Formen erhöht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, dass die charakteristischen Formen des Konzentrators die Ecken des Konzentrators sind. Die Kollektorecken sind aufgrund der Bildung durch zwei in einer Bilddraufsicht geraden Kanten über eine automatische Bildauswertung auf relativ einfache Art und Weise und zuverlässig erkennbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Bilder kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen aufgenommen werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass als vor dem solarthermischen Konzentrator angeordnetes Target das Absorberrohr verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in vorteilhafter Weise vor, dass eine Flugbahn für die Kamera festgelegt wird, wobei die Positionen der Bildauslösungen an die Geometrie des Solarfeldes bzw. die Anordnungen der Konzentratoren angepasst sind.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende einzige Figur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
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Die Figur zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen solarthermischen Konzentrator 1. Der solarthermische Konzentrator 1 weist ein Absorberrohr 3, vier Ecken 5 sowie eine Spiegelfläche 9 auf. Neben dem solarthermischen Konzentrator 1 sind Markierungen 7 angeordnet, deren ungefähre Orientierung zu dem solarthermischen Konzentrator 1 bekannt ist. Die dafür benötigte Positionsbestimmung kann beispielsweise über eine Vermessung mit konventionellen Mitteln, wie beispielsweise mit einem Bandmaß, erfolgen.
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In der Figur ist der Konzentrator 1 in einer Ansicht von oben gezeigt, was einem während eines Überfluges über ein Solarfeld aufgenommenen Bild entspricht.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise die Kamera mittels eines Flugobjektes, wie beispielsweise eine Flugdrohne, über dem Konzentrator 1 oder mehrere Konzentratoren eines Solarfeldes bewegt, wobei während des Fluges über die vorbestimmte Flugroute an vorbestimmten Positionen Bildauslösungen erfolgen. Die einzelnen Positionen der Bildauslösung sind an die Geometrie des Solarfeldes angepasst.
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In jedem der Bilder sind mehrere der Markierungen 7 enthalten bzw. es werden nur die Bilder ausgewählt, in denen eine vorbestimmte Anzahl von Markierungen 7 enthalten sind. In den Bildern sollten mindestens drei Markierungen 7 enthalten sein.
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Nach Beendigung der Aufnahme der Bilder werden die Bilder folgendermaßen ausgewertet:
Es findet eine photogrammetrische Auswertung der Bilder zur Bestimmung der Position der Markierungen 7 statt. Ferner wird über die photogrammetrische Auswertung die Kameraposition und die Kameraorientierung bestimmt. Darüber hinaus können Verzeichnungsparameter des Objektivs der Kamera bestimmt werden, wodurch die spätere Auswertung mit einer höheren Genauigkeit erfolgen kann.
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Durch die vorbekannte Position der Markierungen 7 zu dem Konzentrator 1 und der bereits bestimmten Kameraposition und Kameraorientierung werden Suchfenster 11 in die Bereiche des Bildes gelegt, in denen eine charakteristische Form des Konzentrators 1 vermutet wird. In dem vorliegenden Fall ist die charakteristische Form eine der Ecken 5. Die Ecken 5 werden dann durch die Durchsuchung der Suchfenster 11 erkannt und die zweidimensionalen Bildkoordinaten der Kollektorecken 5 werden bestimmt.
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Anschließend können die aus den Bildern gewonnenen Informationen, nämlich die zweidimensionalen Bildkoordinaten der Markierungen 7 und die zweidimensionalen Bildkoordinaten der Ecken 5, in einer erneuten photogrammetrischen Auswertung verwendet werden, um die tatsächliche Position der Kollektorecken 5 zu bestimmen. Diese Position der Kollektorecken 5 ist nun mit der Kameraposition und der Kameraorientierung in dem gleichen Koordinatensystem verfügbar.
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Für jedes Bild ist somit die Position und Orientierung der Kamera zum Zeitpunkt der Bildauslösung relativ zu den Ecken
5 des Konzentrators
1 bekannt. Mit diesen Informationen kann dann anschließend eine vollautomatische Auswertung, beispielsweise mittels in
DE 10 2005 019 367 A1 beschriebenen Verfahrens, erfolgen, so dass die geometrischen Eigenschaften der Spiegelfläche
9 des Konzentrators
1 durch eine Auswertung der in den Bildern dargestellten Reflexionen des Abbildes des Absorberrohrs
3 in der Spiegelfläche
9 bestimmt werden kann
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Die verwendeten Markierungen 7 sind individuell, wie in der Figur schematisch angedeutet ist. Dabei sind die Markierungen 7 derart ausgestaltet, dass sie durch eine Bildauswertung einzeln identifizierbar sind. Dies ermöglicht eine automatische photogrammetrische Auswertung der aufgenommenen Bilder, da die einzelnen Markierungen 7 über eine Software erkannt werden können.
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Die einzelnen kodierten Markierungen können beispielsweise eine Größe von etwa 60 × 60 cm haben, wobei vorzugsweise die Größe der Markierungen an eine zuvor festgelegte Flughöhe und/oder an die Auflösung der Kamera bzw. die Brennweite der Kamera angepasst ist, so dass eine einzelne Identifizierung der Markierungen sichergestellt ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass zunächst nur einige der Ecken 5 des Konzentrators 1 erkannt werden und ihre Positionen bestimmt werden.
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Weitere in einem Bild befindliche Ecken 5 werden dann bei einer erneuten Auswertung bestimmt, wobei zusätzlich zu den Markierungen 7 die bereits bestimmten Ecken 5 verwendet werden. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit erreicht werden, indem das Referenzsystem mit den bereits bestimmten Ecken 5 angepasst wird. Die Ecken 5 werden somit als Hilfsmarkierungen verwendet. Dadurch, dass grundsätzlich die Abmaße der Konzentratoren 1 bzw. die gesamte Geometrie eines Solarfeldes vorbekannt ist, ist mittels der als Hilfsmarkierungen verwendeten Ecken 5 das Positionieren von weiteren Suchfenstern 11 auf besonders vorteilhafte Weise möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise einsetzbar, wenn eine luftgestützte Bildaufnahme erfolgt, da dadurch eine freie Sicht auf alle Konzentratoren ermöglicht werden kann, der Abstand zu einem Konzentrator flexibel einstellbar und somit optimierbar ist und die Bilder in einem kurzen Zeitraum aufgenommen werden können, da bei der luftgestützten Bildaufnahme die Bewegungsfreiheit der Kamera nur wenig eingeschränkt ist.
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Darüber hinaus werden die Konzentratoren 1 durch die Aufnahme von oben in einer ihrer Betriebspositionen vermessen. Die photogrammetrische Positionsbestimmung ermöglicht eine hochgenaue Bestimmung der Position, da diese lediglich anhand einzelner Bilder erfolgt, so dass keine Verbindung mehrerer Messmethoden und deren Synchronisation notwendig ist.
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Ferner ist es auch möglich, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Bilder über eine stationäre oder bewegte Kamera, die bodengebunden ist, aufgenommen werden. Beispielsweise können Bilder während einer Vorbeifahrt an einzelnen Konzentratoren 1 aufgenommen werden, wobei dann selbstverständlich die Markierungen 7 entsprechend angeordnet sein müssen, so dass sie in den Bildern erkennbar sind.
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Bei der Verwendung eines Flugobjekts mit Kamera zur Aufnahme der Bilder aus der Luft kann durch eine zuvor einprogrammierte Flugroute mit vorbestimmten Positionen zur Bildauslösung eine vollkommen automatische Vermessung eines ganzen Solarfeldes ermöglicht werden, indem anschließend die aufgenommenen Bilder über eine Software ausgewertet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei der Abnahme eines neu erstellten Solarfeldes oder nach dem Austausch einiger oder mehrerer Konzentratoren Anwendung finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005019367 A1 [0003, 0032]
- DE 102005019367 [0006]
