DE102013207022B3

DE102013207022B3 - Method for position- and orientation determination of heliostat having mirror face, involves irradiating mirror face of heliostat with laser beam having predetermined wavelength

Info

Publication number: DE102013207022B3
Application number: DE201310207022
Authority: DE
Inventors: Jan Dabrowksi; Joachim Göttsche; Vincent Nettelroth; Markus SAUERBORN
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2033-04-19

Abstract

The method involves irradiating the mirror face (3) of the heliostat (5) with a laser beam having a predetermined wavelength. Image data of the reflected laser beam (13a) consisting of two receiving directions is received, where the laser beam is scattered at the aerosols of the atmosphere and reflected by the mirror face. The receiving directions extend at an angle to each other. The angle of the receiving directions and the direction of the reflected laser beam are determined from the obtained image data. The position of the heliostat is detected from the direction of the reflected laser beam. Independent claims are included for the following: (1) a method for regulating a drive of a heliostat having a mirror face; (2) a system for position- and orientation determination or for drive regulation of a heliostat having a mirror face; and (3) a drive system of a heliostat with a motor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung oder zur Antriebsregelung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten sowie ein System zur Positionsbestimmung oder zur Antriebsregelung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten.The present invention relates to a method for determining the position or for controlling the drive of a mirror surface having heliostats and a system for determining the position or for controlling the drive of a mirror surface having heliostats.

Bei Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung über Spiegelflächen von Heliostaten auf einen Turm fokussiert. Im Fokus entsteht ein Brennpunkt, an dem die direkte Sonnenstrahlung bis zu ca. 1000-fach konzentriert wird. Die Herausforderung besteht darin, bei jedem Sonnenstand mit jedem Heliostaten den Brennpunkt am Turm mit einer möglichst hohen Genauigkeit zu treffen. Bei einer Entfernung der Heliostaten von mehreren 100 Metern bis zum Turm darf die Abweichung der Ausrichtung eines Heliostaten nur wenige 100stel Grad betragen. Der die Ausrichtung eines Heliostaten bestimmende Antrieb wird üblicherweise über einen Sonnenstandsalgorithmus gesteuert, welcher eine extrem hohe Genauigkeit aufweist. In Abhängigkeit des Algorithmus wird der Heliostat auf seine Position verfahren. Diese Position kann heutzutage mit vertretbarem Aufwand nur unzureichend genau erreicht werden. Aus diesem Grund wird der Receiver am Turm, auf dem die Solarstrahlung konzentriert wird, oder das Solarfeld um ein Mehrfaches größer ausgelegt als dies notwendig wäre, wenn man den Heliostaten genauer ausrichten könnte.In solar tower power plants, the solar radiation is focused on mirror surfaces of heliostats on a tower. The focus is on a focal point, where the direct solar radiation is concentrated up to about 1000 times. The challenge is to hit the focal point on the tower with the highest possible accuracy with each heliostat, regardless of the position of the sun. If the heliostats are separated from the tower by several hundred meters, the deviation of the orientation of a heliostat may only be a few hundredths of a degree. The orientation of a heliostat determining drive is usually controlled by a sun position algorithm, which has an extremely high accuracy. Depending on the algorithm, the heliostat is moved to its position. This position can be achieved with reasonable effort nowadays only insufficiently accurate. For this reason, the receiver on the tower, where the solar radiation is concentrated, or the solar field is designed several times larger than would be necessary if you could align the heliostat more accurate.

Die Ausrichtung des Heliostaten erfolgt in der Regel mittels Antrieben, welche den Azimut- und Elevationswinkel einstellen. Dabei besteht das Problem, dass nicht die genaue Ausrichtung der Spiegelflächen des Heliostaten erfasst werden kann, sondern lediglich die Position der Antriebe. Eventuell auftretende Fehler werden somit nicht erfasst. Diese Fehler können durch eine ungenaue Positionierung des Heliostaten, eine Schiefstellung oder durch Verschiebungen zwischen dem Winkel des Schrittmotors und dem eigentlichen Heliostaten auftreten.The alignment of the heliostat is usually done by means of drives that adjust the azimuth and elevation angle. There is the problem that it is not possible to detect the exact alignment of the mirror surfaces of the heliostat, but only the position of the drives. Any errors that occur are therefore not recorded. These errors can occur due to inaccurate positioning of the heliostat, skewing or shifts between the angle of the stepper motor and the actual heliostat.

US 2009/0 107 485 A1 beschreibt ein Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung von Heliostaten, bei dem die Heliostaten mittels Kameras aufgenommen werden und die Position von Punkten auf den Heliostaten bestimmt wird, um Parameter des Heliostaten zu erhalten. US 2009/0107485 A1 describes a method for determining the position and orientation of heliostats, in which the heliostats are recorded by means of cameras and the position of points on the heliostat is determined in order to obtain parameters of the heliostat.

US 2013/0 021 471 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem mehrere Kameras um die Receiverfläche angeordnet sind und eine Orientierung der Heliostaten anhand der von den Kameras erhaltenen Bildinformationen und Lichtintensität erfolgt. US 2013/0 021 471 A1 describes a similar method in which a plurality of cameras are arranged around the receiver surface and an orientation of the heliostat based on the image information obtained by the cameras and light intensity.

DE 10 2009 022 155 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines mehrere Facetten aufweisenden Konzentrators mittels Laserlicht, wobei Abbildungspunktmarkierungen an dem einen Heliostaten, der Sonnenlicht auf den Konzentrator reflektiert, angeordnet werden. DE 10 2009 022 155 A1 describes a method for calibrating a multi-faceted concentrator by means of laser light, wherein imaging point markers on the one heliostat, which reflects sunlight onto the concentrator, are arranged.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten bestimmt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Position und Ausrichtung der Spiegelfläche eines Heliostaten genauer gesteuert werden kann. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen, das entsprechende Verfahren durchführen kann.It is therefore the object of the present invention to provide a method with which the position and orientation of the mirror surface of the heliostat can be determined. It is another object of the present invention to provide a method by which the position and orientation of the mirror surface of a heliostat can be more accurately controlled. Finally, it is an object of the present invention to provide a system that can perform corresponding methods.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1 und von Anspruch 6. Das erfindungsgemäße System ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 8 und von Anspruch 15.The method according to the invention is defined by the features of claim 1 and of claim 6. The system according to the invention is defined by the features of claim 8 and of claim 15.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten sind folgende Schritte vorgesehen:

a) Bestrahlen der Spiegelfläche des Heliostaten mit einem Laserstrahl mit vorgegebener Wellenlänge,
b) Aufnehmen von Bilddaten des von der Spiegelfläche reflektierten, an Aerosolen der Atmosphäre gestreuten Laserstrahls aus zwei in einem Winkel α zueinander verlaufenden Aufnahmerichtungen, wobei der Winkel α zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, besonders bevorzugt 90° beträgt,
c) Bestimmen des Winkels α der Aufnahmerichtungen und der Richtung des reflektierten Laserstrahls aus den in Schritt b) erhaltenen Bilddaten,
d) Ermitteln der Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten aus der Richtung des reflektierten Laserstrahls.

In the method according to the invention for determining the position and orientation of a heliostat having a mirror surface, the following steps are provided:

a) irradiating the mirror surface of the heliostat with a laser beam having a predetermined wavelength,
b) taking image data of the reflected from the mirror surface, aerosols of the atmosphere scattered laser beam from two at an angle α to each other receiving directions, wherein the angle α between 30 ° and 150 °, preferably between 60 ° and 120 °, particularly preferably 90 ° is,
c) determining the angle α of the recording directions and the direction of the reflected laser beam from the image data obtained in step b),
d) determining the position and orientation of the mirror surface of the heliostat from the direction of the reflected laser beam.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass eine direkte Positions- und Ausrichtungsbestimmung des Heliostaten erfolgt, indem erfasst wird, wie der Strahlengang eines Laserstrahls durch die Spiegelfläche des Heliostaten reflektiert wird und daraus auf die Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten geschlossen wird. Die Positions- und Ausrichtungsbestimmung erfolgt somit auf gleiche Weise wie der Funktionszweck des Heliostaten, nämlich durch die Reflexion von Licht, wodurch etwaige Fehler, die sich auf die Reflexion der Solarstrahlung auswirken, direkt erfasst werden können. Der Strahlengang des Laserstrahls erfolgt in gleiche oder in entgegengesetzte Richtung wie der Strahlengang der Solarstrahlung. Die Richtung des reflektierten Laserstrahls wird beispielsweise in Bezug auf die Vertikale bestimmt. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass auch der auf die Spiegelfläche gestrahlte Laserstrahl aufgenommen wird und die Richtung des reflektierten Laserstrahls in Bezug zu dem ursprünglichen Laserstrahl bestimmt wird.The inventive method thus provides that a direct position and orientation determination of the heliostat is performed by detecting how the beam path of a laser beam is reflected by the mirror surface of the heliostat and is concluded therefrom on the position and orientation of the mirror surface of the heliostat. The position and orientation determination thus takes place in the same way as the functional purpose of the heliostat, namely by the reflection of light, whereby any errors that affect the reflection of the solar radiation can be detected directly. The beam path of the laser beam is in the same or in the opposite direction as the beam path of the solar radiation. The direction of the reflected laser beam is determined, for example, with respect to the vertical. It can preferably be provided that the laser beam irradiated onto the mirror surface is also recorded and the direction of the reflected laser beam is determined in relation to the original laser beam.

Durch das Aufnehmen von Bilddaten aus zwei in dem Winkel α zueinander verlaufenden Aufnahmerichtungen kann die Richtung des reflektierten Laserstrahls berechnet werden, da in zwei in einem Winkel α zueinander verlaufenden Ebenen die Winkelabweichung des reflektierten Laserstrahls von der Vertikalen bestimmt werden kann. Durch die Ausrichtung der Aufnahmerichtungen in einem Winkel α zwischen 60° und 120° kann die Richtungsbestimmung des reflektierten Laserstrahls mit einer sehr hohen Genauigkeit erfolgen. Bei α = 90° ist die Genauigkeit besonders hoch. Eine hohe Genauigkeit der Richtungsbestimmung des reflektierten Laserstrahls führt zu einer hohen Genauigkeit der Ausrichtungs- und Positionsbestimmung des Heliostaten.By recording image data from two recording directions that run at an angle α relative to one another, the direction of the reflected laser beam can be calculated, since the angle deviation of the reflected laser beam from the vertical can be determined in two planes that run at an angle α. By aligning the receiving directions at an angle α between 60 ° and 120 °, the direction determination of the reflected laser beam can be done with a very high accuracy. At α = 90 °, the accuracy is particularly high. A high accuracy of the directional determination of the reflected laser beam leads to a high accuracy of the orientation and position determination of the heliostat.

Die Bestimmung des Winkels α der Aufnahmerichtungen erfolgt erfindungsgemäß ebenfalls über die im Schritt b) erhaltenen Bilddaten. Dabei kann bei der Winkelbestimmung eine vorbekannte Kameraposition und/oder eine vorbekannte Aufstellposition des Heliostaten hinzugezogen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Positionen über markante Punkte in den Bilddaten zu ermitteln.The determination of the angle .alpha. Of the recording directions is likewise carried out according to the invention via the image data obtained in step b). In this case, in the angle determination, a previously known camera position and / or a previously known installation position of the heliostat can be consulted. Of course, it is also possible to determine these positions via prominent points in the image data.

Die Wellenlänge des Laserstrahls ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise derart gewählt, dass eine möglichst große Streuung oder Reflexion an den Aerosolen der Atmosphäre erfolgt, so dass die in Verfahrensschritt b) aufgenommenen Bilddaten eine möglichst gute Qualität besitzen. Gleichzeitig sollte die Wellenlänge so gewählt sein, dass das Sonnenlicht in diesem Bereich eine möglichst geringe Intensität aufweist.In the method according to the invention, the wavelength of the laser beam is preferably chosen such that the greatest possible scattering or reflection takes place at the aerosols of the atmosphere, so that the image data recorded in method step b) have the best possible quality. At the same time, the wavelength should be selected so that the sunlight in this area has the lowest possible intensity.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt b) eine Kamera mit einer Auflösung von mindestens einem Megapixel, vorzugsweise mindestens 10 Megapixel, verwendet wird. Die Auflösung der aufgenommenen Bilddaten beeinflusst direkt die Genauigkeit der Richtungsermittlung des Laserstrahls. Mit Bilddaten, die eine Auflösung von mindestens einem Megapixel besitzen, kann beispielsweise die Genauigkeit der Winkelberechnung des reflektierten Laserstrahls im mrad-Bereich erreicht werden.It is preferably provided that in step b) a camera with a resolution of at least one megapixel, preferably at least 10 megapixels, is used. The resolution of the recorded image data directly affects the accuracy of the directional determination of the laser beam. With image data having a resolution of at least one megapixel, for example, the accuracy of the angle calculation of the reflected laser beam in the mrad range can be achieved.

Das Vorsehen, dass bei dem Aufnehmen von Bilddaten in Schritt b) Licht außerhalb des Wellenlängenbereichs des Laserstrahls herausgefiltert wird. Dies kann beispielsweise durch elektronische oder optische Filter erfolgen. Dadurch kann erreicht werden, dass ein großer Anteil der Bilddaten vom Laserlicht hervorgerufen werden, wodurch das an den Aerosolen der Atmosphäre gestreute bzw. reflektierte Licht des Laserstrahls, was eine relativ geringe Intensität besitzt, in vorteilhafter Weise mit wenigen Störsignalen aufgenommen werden kann.The provision that, when taking image data in step b), light outside the wavelength range of the laser beam is filtered out. This can be done for example by electronic or optical filters. As a result, it can be achieved that a large portion of the image data is caused by the laser light, whereby the light scattered or reflected from the aerosols of the atmosphere of the laser beam, which has a relatively low intensity, can advantageously be recorded with few interfering signals.

Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt c) die Bestimmung der Richtung des Laserstrahls auf Pixelebene der Bilddaten erfolgt. Dadurch kann die Richtung des Laserstrahls sehr genau bestimmt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Bilddaten bildzeilenweise analysiert werden und das Maximum oder der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung eines aufgenommenen Strahls bestimmt wird.It can be provided that in step c) the determination of the direction of the laser beam takes place at the pixel level of the image data. As a result, the direction of the laser beam can be determined very accurately. It can be provided that the image data are analyzed image line by line and the maximum or the center of gravity of the intensity distribution of a recorded beam is determined.

Die den Laserstrahl erzeugende Lichtquelle kann beispielsweise an dem Turm eines Solarkraftwerkes befestigt sein. Dadurch können große Entfernungen zwischen der Laserlichtquelle und dem Heliostaten entstehen, wodurch der auf die Spiegelfläche des Heliostaten treffende Laserstrahl weit aufgefächert sein kann. Um dennoch die Richtung der Reflexion des Laserstrahls in vorteilhafter Weise bestimmen zu können, ist es von Vorteil, auf Pixelebene der Bilddaten die Bilddaten bildzeilenweise zu analysieren und das Maximum oder den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des aufgenommenen Laserstrahls zu bestimmen. Auf diese Weise wird eine sehr genaue Richtungsbestimmung des reflektierten Laserstrahls ermöglicht.The light source generating the laser beam may for example be attached to the tower of a solar power plant. As a result, large distances between the laser light source and the heliostat can arise, whereby the incident on the mirror surface of the heliostat laser beam can be fanned out wide. Nevertheless, in order to be able to determine the direction of the reflection of the laser beam in an advantageous manner, it is advantageous to analyze the image data on the pixel level of the image data and determine the maximum or the center of gravity of the intensity distribution of the recorded laser beam. In this way, a very accurate direction determination of the reflected laser beam is made possible.

Das Verfahren kann vorsehen, dass vor einer Messung beispielsweise optische Fehler der Kamera bestimmt werden, so dass diese in den aufgenommenen Bilddaten korrigiert werden können.The method may provide that, for example, optical errors of the camera are determined before a measurement so that they can be corrected in the recorded image data.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Regelung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten auf, wobei das zuvor genannte erfindungsgemäße Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung durchgeführt wird und die bestimmte Position des Heliostaten als Ist-Wert in einem Regelkreis des Antriebs vorgegeben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung wird somit wiederholt durchgeführt, so dass eine Rückmeldung für einen Regelkreis des Antriebs erhalten wird. Dadurch ist eine sehr genaue Positions- und Ausrichtungsbestimmung und Nachführung des Heliostaten möglich, da die genaue Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten erfasst werden kann und nicht beispielsweise nur die Position eines den Heliostaten antreibenden Motors.The invention further provides a method for controlling a heliostat having a mirror surface, wherein the above-mentioned inventive method for determining position and orientation is performed and the specific position of the heliostat is given as the actual value in a control loop of the drive. The method according to the invention for position and orientation determination is thus carried out repeatedly, so that a feedback for a control loop of the drive is obtained. Thus, a very accurate position and orientation determination and tracking of the heliostat is possible because the exact position and orientation of the mirror surface of the heliostat can be detected and not, for example, only the position of the heliostat driving motor.

Es kann vorgesehen sein, dass dem Antrieb eine auf einem den Sonnenstand berücksichtigenden Algorithmus basierende Steuerung vorgegeben wird und über die Regelung eine Korrektur der Steuerung erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass der Antrieb des Heliostaten grundsätzlich dem Sonnenstand folgend gesteuert wird und der erfindungsgemäß vorgesehene Regelkreis lediglich eine Korrektur der Steuerung zum Erreichen einer höheren Genauigkeit erfolgt.It can be provided that the drive is given a control based on an algorithm that takes account of the position of the sun, and a correction of the control takes place via the control. The inventive method thus provides that the drive of the heliostat basically is controlled following the sun, and the control circuit provided according to the invention only takes place a correction of the control to achieve a higher accuracy.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung kann vorgesehen sein, dass lediglich Bildausschnitte der Bilddaten bearbeitet werden, da die Positionen des Laserstrahls und des reflektierten Laserstrahls relativ gut vorhersagbar ist, so dass lediglich ein diese Positionen umfassender Bildausschnitt berücksichtigt werden muss. Dadurch werden die zu verarbeitenden Bilddaten deutlich reduziert.In the method for position and orientation determination according to the invention, it can be provided that only image sections of the image data are processed, since the positions of the laser beam and the reflected laser beam are relatively well predictable, so that only one image section comprising these positions has to be taken into account. This significantly reduces the image data to be processed.

Die Erfindung sieht ferner ein System vor zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung oder zur Antriebsregelung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten mit einer an einer vorgegebenen Position in Bezug auf den Heliostaten anordenbaren, auf die Spiegelfläche des Heliostaten gerichteten Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer vorgegebenen Wellenlänge mit mindestens einer Kamera für jede verstellbare Winkelrichtung des Heliostaten, wobei die Kameras mit in einem Winkel α zueinander verlaufenden Aufnahmerichtungen angeordnet sind, und mit einem Auswertesystem zur Bestimmung der Richtung eines von dem Heliostaten reflektierten Laserstrahls aus von den Kameras aufgenommenen Bilddaten, wobei der Winkel α zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, besonders bevorzugt 90° beträgt. Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit in vorteilhafter Weise die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Heliostatantriebes.The invention further provides a system for position and orientation determination or drive control of a heliostat having a mirror surface with a positionable with respect to the heliostat, directed to the mirror surface of the heliostat laser light source for generating a laser beam having a predetermined wavelength with at least a camera for each adjustable angular direction of the heliostat, wherein the cameras are arranged with each other at an angle α receiving directions, and with an evaluation system for determining the direction of a reflected from the heliostat laser beam from the camera recorded image data, wherein the angle α between 30 ° and 150 °, preferably between 60 ° and 120 °, particularly preferably 90 °. The system according to the invention thus advantageously makes it possible to carry out the method according to the invention for determining the position and the method according to the invention for controlling the heliostat drive.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit mit vorrichtungstechnisch sehr geringem Aufwand eine direkte Positions- und Ausrichtungsbestimmung des Heliostaten, wodurch auch eine Antriebsregelung des Heliostaten erfolgen kann. Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Kameras lassen sich auf sehr einfache Art und Weise die Bilddaten des von den Aerosolen in der Atmosphäre gestreuten bzw. reflektierten Laserlichts aufnehmen. Die so gewonnenen Bilddaten können anschließend von dem Auswertesystem weiter verarbeitet werden und es kann die Bestimmung der Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten erfolgen.The system according to the invention thus makes it possible to determine the position and orientation of the heliostat directly with very little effort in terms of device technology, as a result of which drive regulation of the heliostat can also take place. With the cameras provided according to the invention, the image data of the laser light scattered or reflected by the aerosols in the atmosphere can be recorded in a very simple manner. The image data obtained in this way can then be further processed by the evaluation system and the position and orientation of the mirror surface of the heliostat can be determined.

Die Kameras können beispielsweise eine Auflösung von mindestens einem Megapixel, vorzugsweise mindestens zehn Megapixel, besitzen. Die von derartigen Kameras gelieferten Bilddaten weisen eine ausreichende Auflösung auf, um eine genaue Positionsbestimmung der Richtung des reflektierten Laserstrahls vornehmen zu können.For example, the cameras may have a resolution of at least one megapixel, preferably at least ten megapixels. The image data supplied by such cameras have a sufficient resolution in order to be able to make an exact position determination of the direction of the reflected laser beam.

Die Kameras können einen optischen oder elektronischen Wellenlängenfilter aufweisen, der einen Transmissionsbereich im Wellenlängenbereich des Laserstrahls aufweist. Als Wellenlängenbereich des Laserstrahls wird im Rahmen der Erfindung ein Bereich von etwa ±20 nm um die Wellenlänge des Laserstrahls verstanden.The cameras can have an optical or electronic wavelength filter which has a transmission range in the wavelength range of the laser beam. Within the scope of the invention, the wavelength range of the laser beam is understood to be a range of approximately ± 20 nm about the wavelength of the laser beam.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kameras einen Fotosensor aufweisen, der ein die Wellenlänge des Laserstrahl selektiv detektierender Sensor ist.Alternatively or additionally, it may be provided that the cameras have a photosensor which is a sensor which selectively detects the wavelength of the laser beam.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Bilddaten möglichst in großem Umfang das Licht des reflektierten Laserstrahls aufnehmen, wodurch eine sehr genaue Auswertung der Bilddaten möglich ist.It can thereby be achieved that the image data absorb the light of the reflected laser beam to a large extent as much as possible, as a result of which a very accurate evaluation of the image data is possible.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kameras Hochgeschwindigkeitskameras sind. Diese können beispielsweise 50 Bilder pro Sekunde oder mehr aufnehmen. Dadurch kann das System bei der Antriebsregelung eine Regelungsfrequenz von beispielsweise 50 Hz oder größer erreichen.It can be provided that the cameras are high-speed cameras. For example, they can shoot 50 frames per second or more. As a result, the system can achieve a control frequency of, for example, 50 Hz or greater in the drive control.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Laserlichtquelle in vertikaler Richtung unterhalb oder oberhalb eines Receivers, dem der Heliostat zugeordnet ist, angeordnet ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl einen Strahlengang besitzt, der dem Strahlengang der Sonnenstrahlung bei der Reflexion durch den Heliostaten ähnlich ist, wobei der Strahlengang in entgegengesetzte Richtung verläuft. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die den Strahlengang der reflektierten Solarstrahlung beeinflussende Fehler direkt festgestellt werden können.It is preferably provided that the laser light source is arranged in the vertical direction below or above a receiver to which the heliostat is assigned. This advantageously achieves that the laser beam generated by the laser light source has a beam path which is similar to the beam path of the solar radiation in the reflection by the heliostat, wherein the beam path extends in the opposite direction. This has the advantage that thereby the errors affecting the beam path of the reflected solar radiation errors can be detected directly.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kameras dem Laserstrahl nachführbar sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Laserlichtquelle und die Kameras verstellbar sind, so dass unterschiedliche Heliostaten von der Laserlichtquelle und den Kameras anvisiert werden können. Die Kameras können beispielsweise auf einer vorgegebenen Bahn bewegbar sein.It can be provided that the cameras are trackable to the laser beam. Of course, it is also possible that the laser light source and the cameras are adjustable, so that different heliostats can be targeted by the laser light source and the cameras. The cameras can be movable, for example, on a predetermined path.

Die Erfindung sieht ferner ein Antriebssystem eines Heliostaten mit einem Motor, einer Motorsteuerung und einem erfindungsgemäßen System zur Positionsbestimmung oder zur Antriebsregelung vor, wobei das System die Motorsteuerung ansteuert.The invention further provides a drive system of a heliostat with a motor, a motor controller and a system for position determination or for drive control according to the invention, wherein the system controls the motor control.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren und/oder den erfindungsgemäßen Systemen kann vorgesehen sein, dass die Wellenlänge des Laserstrahls in vorteilhafter Weise an die Atmosphäre und an die Spiegelflächen des Heliostaten angepasst ist, so dass eine möglichst starke Streuung bzw. Reflexion an den Aerosolen der Atmosphäre erfolgt, wobei gleichzeitig eine möglichst starke Reflexion an den Spiegelflächen der Heliostaten gewährleistet wird. Dadurch kann der reflektierte Laserstrahl in besonders vorteilhafter Weise aufgenommen werden.In the method according to the invention and / or the systems according to the invention, provision may be made for the wavelength of the laser beam to be adapted in an advantageous manner to the atmosphere and to the mirror surfaces of the heliostat, so that the greatest possible scattering or reflection takes place at the aerosols of the atmosphere, in which at the same time the strongest possible reflection on the mirror surfaces of the heliostats is ensured. As a result, the reflected laser beam can be recorded in a particularly advantageous manner.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Positionsbestimmung eines Heliostaten mit dem dem Heliostaten zugeordneten Turm sowie 1 a schematic side view of a system according to the invention for determining the position of a heliostat with the heliostat associated tower and

2 eine schematische Draufsicht des in 1 gezeigten Systems. 2 a schematic plan view of the in 1 shown system.

In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes System 1 zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung oder zur Antriebsregelung eines eine Spiegelfläche 3 aufweisenden Heliostaten 5 schematisch dargestellt. Der Heliostat 5 ist vor einem Turm 7 angeordnet und reflektiert im Betrieb Solarstrahlung mittels der Spiegelfläche 3 auf einen Receiver 9 des Turms 7. Unterhalb des Receivers 9 ist an dem Turm 7 eine Laserlichtquelle 11 angeordnet, die einen Laserstrahl 13 erzeugt, der auf die Spiegelfläche 3 des Heliostaten 5 gerichtet ist. Von der Spiegelfläche 3 des Heliostaten 5 wird der Laserstrahl 13 reflektiert und es entsteht ein reflektierter Laserstrahl 13a. Das erfindungsgemäße System 1 weist ferner zwei Kameras 15 auf, die – wie am besten aus 2 hervorgeht – mit ihrer Aufnahmerichtung auf den Heliostaten 5 ausgerichtet sind, wobei die Aufnahmerichtungen der Kameras 15 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Winkel α = 90° zueinander verlaufen.In the 1 and 2 is a system according to the invention 1 for determining position and orientation or for controlling the drive of a mirror surface 3 having heliostats 5 shown schematically. The heliostat 5 is in front of a tower 7 arranged and reflected during operation solar radiation by means of the mirror surface 3 on a receiver 9 of the tower 7 , Below the receiver 9 is at the tower 7 a laser light source 11 arranged a laser beam 13 generated on the mirror surface 3 of the heliostat 5 is directed. From the mirror surface 3 of the heliostat 5 becomes the laser beam 13 reflected and there is a reflected laser beam 13a , The system according to the invention 1 also has two cameras 15 on, the - how best 2 emerges - with their recording direction on the heliostat 5 are aligned, with the shooting directions of the cameras 15 in the embodiment shown at an angle α = 90 ° to each other.

Die Kameras 15 sind derart ausgerichtet, dass der reflektierte Laserstrahl 13a und vorzugsweise auch der Laserstrahl 13 das Blickfeld der Kameras 15 kreuzt. Der reflektierte Laserstrahl 13a wird an Aerosolen in der Luft reflektiert bzw. gestreut und dadurch für die Kameras 15 sichtbar. Ein lediglich in 1 dargestelltes Auswertesystem 17 wertet die Bilddaten der Kameras 15 aus und bestimmt aus diesen die Richtung des von den Heliostaten 5 reflektierten Laserstrahls 13a.The cameras 15 are aligned so that the reflected laser beam 13a and preferably also the laser beam 13 the field of vision of the cameras 15 crosses. The reflected laser beam 13a is reflected or scattered on aerosols in the air and thus for the cameras 15 visible, noticeable. A purely in 1 illustrated evaluation system 17 evaluates the image data of the cameras 15 and from these determines the direction of the heliostats 5 reflected laser beam 13a ,

Da die Kameras 15 mit ihrer Aufnahmerichtung orthogonal zueinander verlaufen und den reflektierten Laserstrahl 13a von der Seite detektieren, kann in vorteilhafter Weise die Richtung des reflektierten Laserstrahls 13a bestimmt werden.Because the cameras 15 with their recording direction orthogonal to each other and the reflected laser beam 13a from the side, can advantageously the direction of the reflected laser beam 13a be determined.

Bei dem erfindungsgemäßen System 1 wird somit von der bekannten Position der Laserlichtquelle 11 ein Laserstrahl 13 auf die Spiegelfläche 3 des Heliostaten 5 gerichtet. Der Laserstrahl 13 wird von dem Heliostaten 5 reflektiert und der reflektierte Laserstrahl 13a übermittelt zusammen mit dem Laserstrahl 13 die Information der genauen Ausrichtung des Heliostaten 5. Zur Erfassung des Laserstrahls 13, 13a werden zwei Kameras 15 eingesetzt, welche den Laserstrahl von der Seite detektieren. Dazu muss der Laserstrahl 13 eine ausreichenden Intensität aufweisen, so dass das Laserlicht, welches von den Aerosolen in der Luft gestreut bzw. reflektiert wird, noch von den Kameras 15 mit hinreichendem Kontrast zur Umgebung erfasst werden kann. Die Position der Laserlichtquelle 11 und die Positionen der Kameras 15 sowie die Auswertung der Bildinformationen der Kameras ermöglicht es, die Richtung des Laserstrahls 13, 13a exakt zu bestimmen. Mit diesen Informationen lässt sich die exakte Ausrichtung der Spiegelfläche 3 im Raum berechnen. Dies hat den Vorteil, dass durch die quasi unbegrenzte Länge des Laserstrahls 13, 13a eine sehr genaue Auswertung der Ausrichtung der Spiegelfläche vorgenommen werden kann. Der Laserstrahl wird auf den Bilddaten der Kameras als gerade Linie abgebildet. Die Richtung im Raum kann mit beispielsweise einer entsprechenden Auswertungssoftware sehr genau detektiert werden.In the system according to the invention 1 is thus from the known position of the laser light source 11 a laser beam 13 on the mirror surface 3 of the heliostat 5 directed. The laser beam 13 is from the heliostat 5 reflected and the reflected laser beam 13a transmitted together with the laser beam 13 the information of the exact orientation of the heliostat 5 , For detecting the laser beam 13 . 13a be two cameras 15 used, which detect the laser beam from the side. This requires the laser beam 13 have a sufficient intensity, so that the laser light, which is scattered or reflected by the aerosols in the air, still from the cameras 15 can be detected with sufficient contrast to the environment. The position of the laser light source 11 and the positions of the cameras 15 as well as the evaluation of the image information of the cameras allows the direction of the laser beam 13 . 13a to determine exactly. With this information, the exact alignment of the mirror surface can be 3 to calculate in the room. This has the advantage that due to the virtually unlimited length of the laser beam 13 . 13a a very accurate evaluation of the orientation of the mirror surface can be made. The laser beam is imaged on the image data of the cameras as a straight line. The direction in the room can be detected very accurately with, for example, a corresponding evaluation software.

Um die Funktion des erfindungsgemäßen Systems 1 auch bei direkter Sonneneinstrahlung leisten zu können, ist der Einsatz eines Lasers von besonderem Vorteil, da dieser die gesamte Lichtenergie in einem sehr schmalen Band der Wellenlänge abgibt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass von den Kameras 15 nur die Wellenlänge des Lasers oder ein Wellenlängenbereich um die Wellenlänge des Lasers erfasst wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Kameras 15 ein oder mehrere Farbfilter aufweisen, welche möglichst genau nur diesen Wellenlängenbereich des Lichts passieren lassen. Um auswertbare Bilddaten zu bekommen, muss der Laser in dem entsprechenden Wellenlängenbereich eine höhere Leistung aufweisen als die des Sonnenspektrums in diesem Wellenlängenbereich. Dabei kann ein Wellenlängenbereich bevorzugt werden, in dem das Sonnenspektrum eine geringe Leistung aufweist. Dabei sollte der Wellenlängenbereich des Lasers so gewählt werden, dass es sich um einen Bereich handelt, in dem die Spiegeloberfläche 3 des Heliostaten 5 den Laserstrahl 13 möglichst in großem Umfang reflektiert.To the function of the system according to the invention 1 To be able to afford even in direct sunlight, the use of a laser is of particular advantage, since it emits the entire light energy in a very narrow band of wavelength. For example, it can be provided by the cameras 15 only the wavelength of the laser or a wavelength range around the wavelength of the laser is detected. It can be provided that the cameras 15 Have one or more color filters, which can happen as accurately as possible only this wavelength range of light. In order to obtain evaluable image data, the laser must have a higher power in the corresponding wavelength range than that of the solar spectrum in this wavelength range. In this case, a wavelength range may be preferred in which the solar spectrum has a low power. Here, the wavelength range of the laser should be chosen so that it is an area in which the mirror surface 3 of the heliostat 5 the laser beam 13 reflected as much as possible.

Die Verschlusszeit der Kameras 15 kann bei voller Sonneneinstrahlung extrem kurz gewählt werden. Die Laserlichtquelle 11 lässt sich beispielsweise so abstimmen, dass der Laserstrahl nur genau in diesem Zeitfenster erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine derartige Laserlichtquelle 11 nur einen sehr niedrigen Energieverbrauch pro Messung aufweist. Des Weiteren ist es auch möglich, die Leistung der Laserlichtquelle 11 zu steigern, ohne Gefährdung von Personen, die sich eventuell in der Nähe aufhalten.The shutter speed of the cameras 15 can be selected extremely short in full sunlight. The laser light source 11 can be tuned, for example, so that the laser beam is generated only in exactly this time window. This has the advantage that such a laser light source 11 has only a very low energy consumption per measurement. Furthermore, it is also possible the power of the laser light source 11 increase without endangering people who may be in the vicinity.

Die Laserlichtquelle 11 kann beispielsweise so positioniert werden, dass sie durch Verstellung der Ausrichtung jeden Heliostaten im Feld oder Feldbereich gezielt treffen kann. Die Kameras 15 sind so positioniert, dass sie den Laserstrahl 13, 13a detektieren können.The laser light source 11 For example, it can be positioned so that it can hit any heliostat in the field or field area by adjusting the orientation. The cameras 15 are positioned so that they have the laser beam 13 . 13a can detect.

Die Kameras 15 können beispielsweise zusätzlich mit Teleobjektiven ausgestattet sein. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass je nach Einstellung der Entfernung vom Heliostaten 5 durch eine Fokussierung eine höhere Auflösung der Messung erfolgen kann.The cameras 15 For example, they can also be equipped with telephoto lenses. There is a possibility that, depending on the setting of the distance from the heliostat 5 by focusing a higher resolution of the measurement can be done.

Es kann vorgesehen sein, dass die Positionierung der Heliostaten zeitgesteuert nach einem Sonnenalgorithmus erfolgt. Die Position der Heliostaten 5 wird nach einer Messung mit dem erfindungsgemäßen System 1 entsprechend korrigiert. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerung der Heliostaten 5 durch die Positions- und Ausrichtungsbestimmung oder Antriebsregelung des erfindungsgemäßen Systems 1 lernt, sich wiederholende Fehler automatisch berücksichtigt werden.It may be provided that the positioning of the heliostat is time-controlled according to a sun algorithm. The position of the heliostats 5 is after a measurement with the system according to the invention 1 Corrected accordingly. It can also be provided that the control of the heliostats 5 by the position and orientation determination or drive control of the system according to the invention 1 learns to automatically consider repetitive errors.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung und das erfindungsgemäße System zur Positions- und Ausrichtungsbestimmung ermöglicht auch beim Errichten eines Heliostaten 5 im Feld seine exakte Position und Ausrichtung der Spiegelfläche zu bestimmen, so dass die beispielsweise vorgegebene Steuerung entsprechend angepasst werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen System besteht auch die Möglichkeit, beispielsweise eine Formgenauigkeit der Spiegelfläche 3 des Heliostaten 5 zu überprüfen, indem mehrere Punkte an der Spiegelfläche 3 vermessen werden. Dadurch kann beispielsweise die Spiegelqualität überprüft werden oder es können vor Inbetriebnahme oder während des Betriebs auftretende Verformungen bestimmt werden.The position and orientation determination method according to the invention and the position and orientation determination system according to the invention also make it possible to set up a heliostat 5 In the field to determine its exact position and orientation of the mirror surface, so that the example given control can be adjusted accordingly. With the system according to the invention it is also possible, for example, a dimensional accuracy of the mirror surface 3 of the heliostat 5 check by adding multiple points to the mirror surface 3 be measured. As a result, for example, the mirror quality can be checked or it can be determined before commissioning or during operation occurring deformations.

Das erfindungsgemäße System kann insbesondere bei vorhandenen Heliostaten bzw. Solarturmkraftwerken nachgerüstet werden.The system according to the invention can be retrofitted in particular for existing heliostats or solar tower power plants.

Claims

Method for determining the position and orientation of a mirror surface ( 3 ) heliostats ( 5 ) comprising the following steps: a) irradiating the mirror surface ( 3 ) of the heliostat ( 5 ) with a laser beam ( 13 ) with predetermined wavelength, b) taking image data of the mirror surface ( 3 ) reflected at aerosols of the atmosphere laser beam ( 13a ) of two at an angle α to each other extending receiving directions, wherein the angle α is between 30 ° and 150 °, c) determining the angle α of the receiving directions and the direction of the reflected laser beam ( 13a ) from the image data obtained in step b), d) determining the position of the heliostat ( 5 ) from the direction of the reflected laser beam ( 13a ).

A method according to claim 1, characterized in that in step b) a camera ( 15 ) with a resolution of at least one megapixel.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the recording of image data in step b) light outside the wavelength range of the laser beam ( 13 ) is filtered out.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in step c) the determination of the direction of the laser beam ( 13 ) at the pixel level of the image data.

A method according to claim 4, characterized in that the image data are analyzed image-line by line and the maximum or the center of gravity of the intensity distribution of a recorded laser beam ( 13a ) is determined.

Method for controlling a drive of a mirror surface ( 3 ) heliostats ( 5 ), wherein the method according to one of claims 1 to 5 is carried out and the specific position of the heliostat ( 5 ) is specified as the actual value in a control loop of the drive.

A method according to claim 6, characterized in that the drive is given based on a sun-tracking algorithm based control and the control is a correction of the control.

System ( 1 ) for position and orientation determination or for drive control of a mirror surface ( 3 ) heliostats ( 5 ) with one at a predetermined position with respect to the heliostat ( 5 ), to the mirror surface of the heliostat ( 5 ) directed laser light source ( 11 ) for generating a laser beam having a predetermined wavelength, with at least one camera ( 15 ) for each adjustable angular direction of the heliostat ( 5 ), whereby the cameras ( 15 ) are arranged at an angle α to each other extending receiving directions, and with an evaluation system ( 17 ) for determining the direction of a laser beam reflected by the heliostat ( 13a ) from the cameras ( 15 ) recorded image data, wherein the angle between 30 ° and 150 °.

System according to claim 8, characterized in that the cameras ( 15 ) have a resolution of at least one megapixel.

System according to claim 8 or 9, characterized in that the cameras ( 15 ) has an optical or electronic wavelength filter having a transmission range in the wavelength range of the laser beam ( 13 ) having.

System according to one of claims 8 to 10, characterized in that the cameras ( 15 ) have a photosensor having a wavelength of the laser beam ( 13 ) is a selectively detecting sensor.

System according to one of claims 8 to 11, characterized in that the cameras ( 15 ) Are high speed cameras.

System according to one of claims 8 to 12, characterized in that the laser light source ( 11 ) in the vertical direction below or above a receiver ( 9 ), to which the heliostat is assigned, is arranged.

System according to one of claims 8 to 13, characterized in that the cameras ( 15 ) the reflected laser beam ( 13a ) are traceable.

Drive system of a heliostat ( 5 ) with a motor, a motor control and a system according to any one of claims 8 to 14, wherein the system controls the motor control.