DE102012215153B3

DE102012215153B3 - Verfahren und Messsystem zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel

Info

Publication number: DE102012215153B3
Application number: DE201210215153
Authority: DE
Inventors: Fabian Wolfertstetter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-28

Abstract

Ein Verfahren zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel (3) weist folgende Schritte auf: – Messung der Direktstrahlung (100) der Sonne als ein erster Messwert, – Messung der von dem Solarspiegel reflektierten oder von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung (100) der Sonne als ein zweiter Messwert, – Bestimmung eines Verschmutzungswertes des Solarspiegels aus dem ersten und dem zweiten Messwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel.
An solarthermischen Kraftwerken besteht immer häufiger das Problem der Verschmutzung von Komponenten, wie beispielsweise vom Solarspiegel, wodurch optische Verluste und somit Wirkungsgradverluste entstehen. Daher rückt dieses Problem immer stärker in den Fokus der Solarforschung. Dabei ist der Grad einer Verschmutzung der Solarspiegel im laufenden Kraftwerk von Interesse, um beispielsweise den Zeitpunkt einer Reinigung zu bestimmen. Es ist aber auch eine Vorhersage des notwendigen Reinigungsbedarfs und der damit verbundenen Betriebskosten an einem potentiellen Kraftwerkstandort von Interesse. Insbesondere die Vorhersage des notwendigen Reinigungsbedarfs ist bei der Kraftwerksplanung von Interesse, um beispielsweise Gewinnprognosen zu verfeinern und somit das Risiko bei der Investition für ein Solarkraftwerk zu verringern. Des Weiteren können beim Betrieb des Kraftwerkes Reinigungsintervalle optimiert werden, wodurch Betriebsmittel wie Wasser sowie Kosten eingespart werden können.
Zurzeit werden Verschmutzungsmessungen in solarthermischen Kraftwerken mittels eines Handgerätes zur Reflektivitätsmessung an Solarspiegeln durchgeführt. Das Handgerät misst unter einem festen Winkel die Reflexion eines künstlich erzeugten Lichtstrahls mit einer typischerweise roten Wellenlänge. Die Messung mit diesem Gerät betrachtet einen Fleck von weniger als 1 cm Durchmesser auf dem Spiegel und ist nicht automatisierbar. Zur Erstellung einer Messreihe muss somit eine Vielzahl von Messungen von Hand und vor Ort durchgeführt werden, was langwierig und kostenträchtig ist, da üblicherweise mit dem Handgerät für fünf Messpunkte auf einer Spiegelprobe ca. 15 min benötigt werden. Dazu kommt erschwerend, dass solarthermische Kraftwerke häufig an abgelegenen Standorten, z. B. in der Wüste, angeordnet sind und wenige den Betrieb überwachende Personen vor Ort sind, die eine Messung durchführen könnten.
Schließlich hängt die Streuung an kleinen Verschmutzungspartikeln, wie beispielsweise Sand und Staub, von der Wellenlänge ab, so dass bei der Verwendung eines schmalen Wellenlängenbandes, wie es von den Handmessgeräten verwendet wird, eine Korrektur anhand von theoretischen Annahmen notwendig ist. Die mit Handgeräten vorgenommenen Messungen sind daher relativ ungenau.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verschmutzungsmessung sowie eine Messvorrichtung zur Verschmutzungsmessung zu schaffen, wobei eine Verschmutzungsmessung mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht werden soll. Ferner ist ein hoher Automatisierungsgrad der Verschmutzungsmessung wünschenswert.
Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 13 definiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel sind folgende Schritte vorgesehen:

– Messung der Direktstrahlung der Sonne als ein erster Messwert,
– Messung der von dem Solarspiegel reflektierten oder der von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung der Sonne als ein zweiter Messwert,
– Bestimmung eines Verschmutzungswertes des Solarspiegels aus dem ersten und zweiten Messwert.

Durch die Verwendung der Sonne als Lichtquelle zur Messung des ersten und zweiten Messwertes kann eine genaue Verschmutzungsmessung durchgeführt werden, da die durch die Verschmutzung entstehenden Verluste bei der reflektierten Direktstrahlung unter realen Bedingungen durchgeführt werden und somit auf Korrekturen von theoretischen Annahmen, wie bei der Verwendung von Handgeräten, verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Messvorrichtung von sehr einfachem Aufbau durchgeführt werden, da lediglich zwei unterschiedliche Messwerte bestimmt werden müssen. Dadurch ist die Verschmutzungsmessung auf relativ einfache Art und Weise durchführbar.
Es kann vorgesehen sein, dass als Solarspiegel ein Testspiegel oder ein Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks verwendet wird. Die Verwendung eines Testspiegels kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn Vorhersagen bezüglich möglicher Verschmutzungen an einem potentiellen Kraftwerkstandort durchgeführt werden sollen. Die Verwendung eines Spiegels eines solarthermischen Kraftwerks bietet sich an, wenn das erfindungsgemäße Verfahren für die Optimierung von Reinigungszyklen bei vorhandenen Kraftwerken durchgeführt werden soll. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass bei einem vorhandenen solarthermischen Kraftwerk das erfindungsgemäße Verfahren an einem Testspiegel durchgeführt wird.
Die Messung des ersten und zweiten Messwertes kann simultan oder in einem kurzen Zeitabstand voneinander erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Simultanmessung oder Messung in einem kurzen Zeitabstand voneinander weitestgehend die gleichen Strahlungsbedingungen vorliegen, so dass die Messwerte ohne eine aufgrund von unterschiedlicher Direktstrahlung notwendige Kalibrierung verwendet werden können. Unter kurzem Zeitabstand im Rahmen der Erfindung wird ein Abstand von wenigen Sekunden oder Minuten verstanden, bei dem sich die Direktstrahlung der Sonne auf den Solarspiegel nicht oder nur geringfügig ändert.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vor der Messung des ersten und zweiten Messwertes eine Kalibrierung erfolgt, wobei eine Kalibrierungsmessung der Direktstrahlung der Sonne als ein erster Kalibriermesswert und eine Kalibrierungsmessung der von dem Solarspiegel im sauberen Zustand reflektierten Direktstrahlung der Sonne als ein zweiter Kalibriermesswert ermittelt werden, wobei aus dem ersten und dem zweiten Kalibriermesswert ein Koeffizient als ein konstanter Kalibrierungsfaktor gebildet wird. Unter sauberem Zustand des Solarspiegels wird ein Zustand des Solarspiegels bezeichnet, wie er beispielsweise nach einer Reinigung vorliegt. Durch die Bestimmung des Kalibrierungsfaktors können eventuelle herstellungsbedingte Unregelmäßigkeiten der Spiegeloberfläche und davon abhängige unterschiedliche Reflektivitätswerte ausgeschlossen werden. Die herkömmlichen Handmessgeräte messen den Absolutwert der Reflexion einer nicht genau reproduzierbaren Stelle eines Spiegels und können somit die die Reflektivität beeinträchtigenden Spiegelunebenheiten nicht von den Auswirkungen einer Verschmutzung trennen. Über den konstanten Kalibrierungsfaktor kann somit eine genauere Verschmutzungsmessung erfolgen. Die Genauigkeit der Messung kann noch erhöht werden, wenn der zweite Messwert stets von derselben Stelle des Spiegels ermittelt wird, indem beispielsweise eine fest installierte Sensoranordnung verwendet wird. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Testspiegels auf besonders einfache Art und Weise möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein konstanter Kalibrierungsfaktor gebildet wird, kann ferner vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung des Verschmutzungswertes des Solarspiegels ein Quotient aus dem ersten und dem zweiten Messwert gebildet wird, der mit dem konstanten Kalibrierungsfaktor multipliziert wird. Dadurch ist eine besonders genaue Bestimmung des Verschmutzungswertes möglich.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass über eine Zeitspanne mehrere Messungen des ersten und des zweiten Messwertes durchgeführt werden und ein zeitlicher Verlauf des Verschmutzungswertes bestimmt wird. Mit anderen Worten: Es werden ein zeitlicher Verlauf des ersten und zweiten Messwertes erfasst und daraus der zeitliche Verlauf des Verschmutzungswertes bestimmt. Dies kann beispielsweise in Echtzeit erfolgen, indem die Messung des ersten und zweiten Messwertes in Echtzeit durchgeführt wird und die erfassten Messwerte unmittelbar zur Bestimmung des Verschmutzungswertes verwendet werden.
Die Berechnung des Kalibrierungsfaktors und des Verschmutzungswertes kann mit folgenden Formeln erfolgen:
mit DNI_refl,cl als zweiter Kalibrierungswert, DNI_sun als erster Kalibrierungswert und C_cl als Kalibrierungsfaktor sowie
mit cleanliness(t) als zeitlicher Verlauf des Verschmutzungswertes, DNI_refl,soil(t) als zeitlicher Verlauf des zweiten Messwerts und DNI_sun(t) als zeitlicher Verlauf des ersten Messwertes.
Durch die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des Verschmutzungswertes lassen sich beispielsweise Vorhersagen über die Verschmutzungsneigung des Solarspiegels treffen, so dass beispielsweise Reinigungsintervalle beim Betrieb eines Kraftwerkes optimiert werden können.
Während der Zeitspanne, in der die mehreren Messungen des ersten und zweiten Messwertes durchgeführt werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorsehen, dass der Solarspiegel der Sonne nachgeführt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass während der Zeitspanne die Direktstrahlung der Sonne von dem Solarspiegel reflektiert wird, so dass die Messung des zweiten Messwertes erfolgen kann. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass während der Zeitspanne ein für die Messung des ersten Messwerts verwendeter Sensor der Sonne nachgeführt wird, so dass stets die Direktstrahlung der Sonne durch den Sensor detektiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem als zweiter Messwert die von den Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreute Direktstrahlung der Sonne gemessen wird, kann vorgesehen sein, dass zunächst eine Kalibrierungsmessung erfolgt, bei der die vom Solarspiegel reflektierte Direktstrahlung als Kalibrierungsmesswert verwendet wird. Eine Kalibrierung kann entweder einmalig für ein für die Durchführung des Verfahrens verwendetes Messgerät oder vor jeder Messung bzw. Messreihe erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die von den Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreute Direktstrahlung der Sonne als zweiter Messwert gemessen wird, hat den Vorteil, dass ein für diese Messung verwendeter Sensor nicht auf die Reflektion der Direktstrahlung ausgerichtet sein muss und somit beispielsweise keine Nachführung des Sensors erfolgen muss.
Unter Messung der von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung der Sonne wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass selbstverständlich auch beispielsweise von dem Solarspiegel gestreute Direktstrahlung erfasst werden, jedoch dieser Anteil gestreuter Direktstrahlung gegenüber dem von den Schmutzpartikeln gestreuten Anteil vernachlässigbar klein ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass bei der Messung des zweiten Messwertes ein Reflexionswinkel und/oder Akzeptanzwinkel verwendet wird, der an den mittleren Reflexionswinkel bzw. den mittleren Akzeptanzwinkel eines solarthermischen Kraftwerks angepasst ist.
Grundsätzlich kann der Reflexionswinkel, unter dem der zweite Messwert gemessen wird, frei gewählt werden. Durch die Wahl eines Reflexionswinkels, der an den mittleren Reflexionswinkel eines solarthermischen Kraftwerks angepasst ist, kann der Verschmutzungswert unter Bedingungen, die bei dem solarthermischen Kraftwerk vorliegen, bestimmt werden. Da die Reflexion von dem Einfallswinkel abhängig ist, kann somit dieser Umstand bei der Verschmutzungsmessung berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner vorsehen, dass ein für die Messung des zweiten Messwertes verwendeter Sensor gegenüber dem Solarspiegel oder der Solarspiegel gegenüber einem für die Messung des zweiten Messwerts verwendeten Sensors verschoben und/oder rotiert wird. Mit anderen Worten: Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Messpunkte durch ein Verschieben oder Rotieren des Sensors oder des Solarspiegels verändert. Somit kann an unterschiedlichen Stellen des Solarspiegels der zweite Messwert ermittelt werden und es kann ein Mittelwert über eine größere Fläche bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei beispielsweise vorsehen, dass das Verfahren automatisch durchgeführt wird, wobei die unterschiedlichen Messstellen automatisch angefahren werden. Der konstante Kalibrierungsfaktor kann bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Funktion der Spiegelposition umgewandelt werden. Über die Verstellung des Sensors und/oder des Solarspiegels lässt sich auch der Reflexionswinkel verändern.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass für die Messung des ersten und zweiten Messwertes ein gleicher Sensoraufbau verwendet wird. Dadurch werden aufgrund eines unterschiedlichen Sensoraufbaus entstehende Ungenauigkeiten vermieden und darüber hinaus ist eine Kalibrierung der Messwerte zueinander nicht notwendig.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die von den Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreute Direktstrahlung bestimmt wird. Zur Messung dieses Streulichts kann beispielsweise eine Streulichtmessvorrichtung vorgesehen sein, die eine erste und eine zweite Fotodiode aufweist. Die erste Fotodiode nimmt diffuse Strahlung des Himmels auf. Mit anderen Worten: Die Diode ist in Richtung des Himmels gerichtet, wobei keine direkte Sonnenstrahlung erfasst wird. Die zweite Fotodiode ist in Richtung des Solarspiegels gerichtet, wobei die zweite Fotodiode vorzugsweise eine Reflexion des Bereiches des Himmels in dem Solarspiegel aufnimmt, der von der ersten Fotodiode aufgenommen wird. Entscheidend ist, dass die zweite Fotodiode eine Reflexion des Himmels in dem Solarspiegel aufnimmt, ohne dass von der zweiten Fotodiode eine direkte Sonnenstrahlung bzw. eine Reflexion der direkten Sonnenstrahlung erfasst wird. Bei der Aufnahme der Reflexion des Himmels in dem Solarspiegel wird selbstverständlich auch die von den Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreute Direktstrahlung der Sonne aufgenommen. Auf diese Weise lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der Streulichtanteil erfassen, indem das von der ersten Fotodiode aufgenommene Signal zur Korrektur des von der zweiten Fotodiode aufgenommenen Signals dient. Die Streulichtmessvorrichtung hat den Vorteil, dass diese nicht nachgeführt werden muss, so dass die Kosten für eine derartige Streulichtmessvorrichtung gegenüber einem Sensor zur Aufnahme der reflektierten Direktstrahlung wesentlich geringer sind. Für die Messung der Direktstrahlung der Sonne und somit für die Messung des ersten Messwertes kann eine zentral angeordnete Messvorrichtung, beispielsweise eine bereits bei einem Kraftwerk vorgesehene Meteostation, verwendet werden. Diese reicht aus, um den ersten Messwert für die Verschmutzungsmessung an mehreren Spiegeln mit mehreren Streulichtmessvorrichtungen durchzuführen.
Die Messwerte, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden, können beispielsweise auch dazu eingesetzt werden, um auf eine Verschmutzung eines Sensors, der zur Ermittlung des ersten Messwertes verwendet wird, zu schließen. Für die Ermittlung des ersten Messwertes kann beispielsweise ein bereits in einem solarthermischen Kraftwerk vorhandener Sensor einer Meteostation sein. Da diese Sensoren häufig nicht regelmäßig gereinigt werden, ist die Ermittlung des Verschmutzungsgrades des Sensors vorteilhaft, um darüber die zuvor ermittelten Messwerte zu korrigieren.
Die Erfindung sieht ferner ein Messsystem zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel vor, das aus einer ersten Messvorrichtung zur Bestimmung der Direktstrahlung der Sonne und einer zweiten Messvorrichtung zur Bestimmung der von dem Solarspiegel reflektierten Direktstrahlung der Sonne oder von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung besteht, wobei die erste Messvorrichtung zur Sonne und die zweite Messvorrichtung zumindest teilweise, d. h. mit zumindest einem Sensor, auf den Solarspiegel gerichtet ist. Bei einem derartigen Messsystem lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise durchführen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Messvorrichtung jeweils einen Sensor, z. B. ein Pyrheliometer, aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Messvorrichtung gleich aufgebaut sind. Mit dem Pyrheliometer lässt sich die Direktstrahlung der Sonne in besonders vorteilhafter Weise erfassen. Durch einen gleichen Aufbau der ersten und der zweiten Messvorrichtung ist eine besonders genaue Messung möglich, ohne dass etwaige Kalibrierungen oder Ähnliches notwendig sind.
Das erfindungsgemäße Messsystem kann als ein Solarspiegel einen Testspiegel oder einen Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks verwenden. Mit anderen Worten: Das Messsystem kann an dem Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks angeordnet sein oder als separates Gerät mit einem Testspiegel versehen sein.
Das erfindungsgemäße Messsystem ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine automatische Messung der Direktstrahlung der Sonne und der von dem Solarspiegel reflektierten Direktstrahlung der Sonne. Dazu ist es von besonderem Vorteil, wenn die zweite Messvorrichtung fest mit dem Solarspiegel verbunden ist und stets auf die gleiche Messstelle an dem Testspiegel oder vorgegebene Messstellen gerichtet ist.
Das erfindungsgemäße Messsystem kann vorsehen, dass der Solarspiegel, die erste und die zweite Messvorrichtung an einer vorzugsweise gemeinsamen Nachführvorrichtung angeordnet sind. Die Nachführvorrichtung kann beispielsweise ein Solartracker sein. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere in Verbindung mit einem Solarspiegel als Testspiegel von Vorteil, so dass das Messsystem ein von einem Solarkraftwerk unabhängiges Gerät ist. Über die Nachführvorrichtung kann der Testspiegel sowie die erste und die zweite Messvorrichtung der Sonne nachgeführt werden, so dass stets die Direktstrahlung der Sonne in die erste und die zweite Messvorrichtung gelangt. Darüber hinaus kann durch das Vorsehen einer Nachführvorrichtung ein hoher Automatisierungsgrad bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden, da die Messungen über eine längere Zeitspanne durchgeführt werden können, ohne dass manuelle Handgriffe an dem Messsystem erforderlich sind. Eine gemeinsame Nachführvorrichtung für die erste und die zweite Messvorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass ein eventuell durch Nachführung hervorgerufener Messfehler bei beiden Messvorrichtungen vorhanden ist.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messsystems ist eine Streulichtmessvorrichtung zur Erfassung einer von den Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung als zweite Messvorrichtung vorgesehen. Dadurch lässt sich eine Messung des Verschmutzungswertes auf besonders einfache Art und Weise durchführen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Streulichtmessvorrichtung eine erste und eine zweite Fotodiode aufweist, wobei die erste Fotodiode in den Himmel und die zweite Fotodiode auf den Solarspiegel gerichtet ist. Mit der Streulichtmessvorrichtung lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der Streulichtanteil bestimmen. Die erste und die zweite Fotodiode können beispielsweise in einem Gehäuse mit einer Öffnung, beispielsweise in einem Rohr, angeordnet sein, so dass das Sichtfeld der Fotodioden beschränkt ist. Das Gehäuse der zweiten Fotodiode kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die Fotodiode ausschließlich den Solarspiegel ”sieht” und kein Licht vom Hintergrund des Solarspiegels in die Fotodiode gelangt.
Das endungsgemäße Messsystem kann beispielsweise mit einem solarthermischen Kraftwerk kombiniert sein, so dass das Messsystem Teil des solarthermischen Kraftwerks ist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems und
3 ein erfindungsgemäßes Messsystem in Kombination mit einem Heliostaten eines solarthermischen Kraftwerks.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems 1 schematisch dargestellt. Das erfindungsgemäße Messsystem 1 weist einen Solarspiegel 3 in Form eines Testspiegels auf. Das Material des Testspiegels ist ein üblicherweise in einem solarthermischen Kraftwerk verwendetes Spiegelmaterial.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist eine erste Messvorrichtung 5 und eine zweite Messvorrichtung 7 auf.
Über die erste Messvorrichtung 5 wird die Direktstrahlung 100 der Sonne als ein erster Messwert gemessen. Die erste Messvorrichtung 5 ist somit zur Sonne gerichtet.
Die zweite Messvorrichtung 7 ist gleich der ersten Messvorrichtung 5 aufgebaut und in Richtung des Solarspiegels 3 gerichtet. Über die Messvorrichtung 7 wird die von dem Solarspiegel 3 reflektierte Direktstrahlung 100 der Sonne erfasst.
Die erste Messvorrichtung 5 und die zweite Messvorrichtung 7 weisen jeweils einen Sensor 8 auf, beispielsweise ein Pyrheliometer.
Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 ist die Durchführung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verschmutzungsmessung einem Solarspiegel 3 in besonders vorteilhafter Weise möglich. Dazu wird mittels der ersten Messvorrichtung 5 die Direktstrahlung der Sonne als erster Messwert ermittelt. Mittels der zweiten Messvorrichtung 7 wird die von dem Solarspiegel 3 reflektierte Direktstrahlung der Sonne als zweiter Messwert gemessen.
Die beiden Messungen werden zunächst als Kalibrierungsmessung an einem sauberen Solarspiegel 3 durchgeführt. Der erste Messwert ist dabei ein erster Kalibriermesswert und der zweite Messwert ein zweiter Kalibriermesswert. Aus dem ersten und dem zweiten Kalibriermesswert wird ein Quotient als ein konstanter Kalibrierungsfaktor gebildet.
Während einer Verschmutzungsmessung werden über eine Zeitspanne mehrere erste und zweite Messwerte ermittelt. Aus diesen wird ebenfalls ein Quotient gebildet und mit dem konstanten Kalibrierungsfaktor multipliziert. Somit kann ein zeitlicher Verlauf des Verschmutzungswertes ermittelt werden.
Dies kann automatisch erfolgen, indem beispielsweise die erste und die zweite Messvorrichtung 5, 7 die Daten an eine zentrale Rechnereinheit schickt, die die Daten verwertet.
Der Solarspiegel 3 kann eine Nachführeinheit 15 aufweisen, mit der der Solarspiegel 3 dem Sonnenstand nachgeführt werden kann. Da die erste und die zweite Messvorrichtung 5, 7 fest mit dem Spiegel 3 verbunden ist, werden diese von der Nachführeinheit 15 ebenfalls mitgeführt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass stets die Direktstrahlung 100 der Sonne in die erste und zweite Messvorrichtung 5, 7 gelangt. Die Nachführvorrichtung 15 kann beispielsweise ein Solartracker sein.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems 1 schematisch dargestellt. Das erfindungsgemäße Messsystem 1 weist einen Solarspiegel 3 in Form eines Testspiegels auf, dessen Material ein üblicherweise in einem solarthermischen Kraftwerk verwendetes Spiegelmaterial ist.
Das erfindungsgemäße Messsystem 1 weist eine erste Messvorrichtung 5 und eine zweite Messvorrichtung auf, die als Streulichtmessvorrichtung 9 ausgebildet ist.
Die Streulichtmessvorrichtung 9 besteht aus einer ersten Fotodiode 11 und einer Fotodiode 13. Die erste Fotodiode 11 ist in den Himmel gerichtet und nimmt einen Himmelabschnitt 110 auf, aus dem keine Direktstrahlung der Sonne in die erste Fotodiode 11 gelangt.
Die zweite Fotodiode 13 ist auf den Solarspiegel 3 gerichtet und nimmt eine durch den Solarspiegel 3 erzeugte Reflexion des Himmelabschnitts 110 auf.
Über die Streulichtmessvorrichtung 9 lässt sich die von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel 3 gestreute Direktstrahlung bestimmen, so dass der mittels der Streulichtvorrichtung 9 der zweite Messwert für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ermitteln lässt.
Die Streulichtmessvorrichtung 9 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel fest mit dem Solarspiegel 3 verbunden, so dass dieser bei der Nachführung mittels einer Nachführeinheit 15 ebenfalls mitgeführt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Streulichtmessvorrichtung 9 nicht mit dem Solarspiegel 3 verbunden ist. Da die Streulichtmessvorrichtung 9 nicht die Reflexion der Direktstrahlung misst, sondern lediglich gestreutes Licht, ist eine Ausrichtung der Streulichtmessvorrichtung 9 nicht notwendig. Daher kann auf eine Nachführung auch verzichtet werden, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung deutlich reduziert ist.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird über die Messvorrichtung 5, die genauso wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Sensor 8, beispielsweise ein Pyrheliometer, aufweisen kann, die Direktstrahlung 100 der Sonne gemessen. Dabei kann die erste Messvorrichtung 5 beispielsweise mit dem Spiegel 3 verbunden sein, so die erste Messvorrichtung 5 mit dem Spiegel nachgeführt wird. Auch ist es möglich, dass die erste Messvorrichtung 5 separat von dem Solarspiegel 3 und der Streulichtmessvorrichtung 9 angeordnet ist. Beispielsweise können bei einem solarthermischen Kraftwerk die Streulichtmessvorrichtungen 9 an jedem Spiegel des solarthermischen Kraftwerks angeordnet sein, wohingegen die erste Messvorrichtung 5 zentral für das gesamte Kraftwerk angeordnet ist. Die erste Messvorrichtung 5 kann dabei beispielsweise Teil der üblicherweise bei solarthermischen Kraftwerken vorhandenen Meteostation sein, so dass auf vorhandene Messtechnik zurückgegriffen werden kann.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 in Kombination mit einem Heliostaten 50 eines solarthermischen Kraftwerks gezeigt. Der Spiegel des Heliostaten 50 bildet den Solarspiegel 3. Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden über eine erste Messvorrichtung 5 die Direktstrahlung 100 der Sonne gemessen, wohingegen über zwei zweite Messvorrichtungen 7 die von dem Solarspiegel 3 reflektierte Direktstrahlung 100 der Sonne erfasst werden. Über die zwei zweiten Messvorrichtungen 7 lassen sich an zwei unterschiedlichen Stellen des Solarspiegels 3 die Verschmutzungswerte bestimmen. Dadurch lassen sich beispielsweise Rückschlüsse darauf ziehen, ob unterschiedliche Stellen eines Spiegels eines Heliostaten 50 unterschiedlich verschmutzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass anstelle von zwei oder mehreren zweiten Messvorrichtungen 7 eine bewegliche Messvorrichtung 7 vorgesehen ist, die unterschiedliche Messstellen anfährt.
Bei einem erfindungsgemäßen Messsystem 1 mit separatem Testspiegel als Solarspiegel 3 ist es auch möglich, dass der Testspiegel gegenüber der zweiten Messvorrichtung 7 beweglich ist, so dass unterschiedliche Messstellen angefahren werden können.
Die Messung des ersten und zweiten Messwerts über die erste Messvorrichtung 5 und die zweite Messvorrichtung 7 erfolgt vorzugsweise simultan, so dass weitestgehend die gleiche Direktstrahlung 100 der Sonne von den beiden Messvorrichtungen 5, 7 gemessen wird.
Das erfindungsgemäße Messsystem 1 ermöglicht somit in besonders vorteilhafter Weise das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wobei ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden kann. Ferner ist eine sehr genaue Verschmutzungsmessung an Solarspiegeln 3 möglich.

Claims

Verfahren zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel (3) mit folgenden Schritten: – Messung der Direktstrahlung (100) der Sonne als ein erster Messwert, – Messung der von dem Solarspiegel reflektierten oder von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel gestreuten Direktstrahlung (100) der Sonne als ein zweiter Messwert, – Bestimmung eines Verschmutzungswertes des Solarspiegels aus dem ersten und dem zweiten Messwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Solarspiegel (3) ein Testspiegel oder ein Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des ersten und des zweiten Messwertes simultan oder in einem kurzen Zeitabstand voneinander erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Messung des ersten und zweiten Messwertes eine Kalibrierung erfolgt, wobei eine Kalibrierungsmessung der Direktstrahlung (100) der Sonne als ein erster Kalibriermesswert und eine Kalibrierungsmessung der von dem Solarspiegel (3) in sauberem Zustand reflektierten Direktstrahlung (100) der Sonne als ein zweiter Kalibriermesswert ermittelt werden, wobei aus dem ersten und dem zweiten Kalibriermesswert ein Quotient als ein konstanter Kalibierungsfaktor gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Verschmutzungswertes des Solarspiegels (3) ein Quotient aus dem ersten und dem zweiten Messwert gebildet wird, der mit dem konstanten Kalibrierungsfaktor multipliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Zeitspanne mehrere Messungen des ersten und des zweiten Messwertes durchgeführt werden und ein zeitlicher Verlauf des Verschmutzungswertes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen des ersten und des zweiten Messwertes in Echtzeit erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zeitspanne der Solarspiegel (3) der Sonne nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des zweiten Messwertes ein Reflexionswinkel verwendet wird, der an den mittleren Reflexionswinkel eines solarthermischen Kraftwerks angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Messung des zweiten Messwertes verwendeter Sensor (8) gegenüber dem Solarspiegel oder der Solarspiegel gegenüber einem für die Messung des zweiten Messwertes verwendeten Sensor (8) verschoben und/oder rotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung des ersten und des zweiten Messwerts ein gleicher Sensoraufbau verwendet wird.
Messsystem (1) zur Verschmutzungsmessung an einem Solarspiegel (3) bestehend aus einer ersten Messvorrichtung (5) zur Bestimmung der Direktstrahlung (100) der Sonne und einer zweiten Messvorrichtung (7) zur Bestimmung der von dem Solarspiegel (3) reflektierten oder von Schmutzpartikeln auf dem Solarspiegel 3 gestreuten Direktstrahlung (100) der Sonne, wobei die erste Messvorrichtung (5) zur Sonne und die zweite Messvorrichtung (7, 9) zumindest teilweise auf den Solarspiegel (3) gerichtet ist.
Messsystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messvorrichtung (5, 7) jeweils ein Pyrheliometer aufweisen.
Messsystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarspiegel (3) ein Testspiegel oder ein Spiegel eines solarthermischen Kraftwerks ist.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarspiegel (3), die erste und die zweite Messvorrichtung (5, 7, 9) an einer Nachführvorrichtung (15) angeordnet sind.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messvorrichtung als Streulichtmessvorrichtung (9) ausgebildet ist und eine erste und eine zweite Fotodiode (11, 13) aufweist, wobei die erste Fotodiode (11) in den Himmel und die zweite Fotodiode (13) auf den Solarspiegel (3) gerichtet ist.