DE102015217086A1

DE102015217086A1 - Verfahren zur Vermessung von Heliostaten

Info

Publication number: DE102015217086A1
Application number: DE102015217086.1A
Authority: DE
Inventors: Felix Göhring; Christoph Hilgert; Steffen Ulmer; Christoph Prahl; Marc Röger
Original assignee: Csp Services GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Csp Services GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: DE102015217086B4; ES2604554R1; ES2604554B2; ES2604554A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Heliostaten (1) eines mehrere Heliostaten (1) aufweisenden Heliostatenfeldes eines Solarturmkraftwerks. Die Heliostate (1) weisen jeweils mindestens einen eine Spiegelfläche (5) aufweisenden Reflektor (3) mit folgenden Schritten auf: – Positionierung eines steuerbaren Fluggeräts (9) oberhalb des Heliostatenfeldes an einer vorgegebenen Startposition (P), – Bewegen des Fluggeräts (9) gemäß einem vorgegebenen Flugmuster (15) und gleichzeitige Aufnahme von Bildern eines Heliostats (1) oder mehrerer Heliostate mittels einer Kamera (13) in einem vorgegebenen Zeitabstand, wobei die Bilder ausgewertet werden, – Generierung mindestens eines Auswertebildes einer Reflexion (11') eines durch das Fluggerät (9) oder eines Teils des Fluggeräts (9) gebildeten Targets (11) auf der Spiegelfläche (5) des mindestens einen Reflektors (3) des Heliostats (1) und Bestimmen der Position des Targets (11) in Bezug auf den mindestens einen Reflektor (3), – Auswertung des mindestens einen Auswertebildes zur Bestimmung mindestens eines Normalenvektors (N) der Spiegelfläche (5) mittels der Position des Targets (11), wobei über den mindestens einen Normalenvektor (N) die optische Achse des Heliostaten (1) bestimmt wird und/oder Formfehler der Spiegelfläche (5) bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Heliostaten eines mehrere Heliostaten aufweisenden Heliostatenfeldes eines Solarturmkraftwerks.
Solarturmkraftwerke weisen ein Heliostatenfeld aus einer Vielzahl von Heliostaten auf, wobei jedes Heliostat mindestens einen Reflektor mit einer Spiegelfläche aufweist, über den solare Strahlung auf einen Absorber konzentriert werden kann.
Die Heliostate sind häufig entlang gekrümmten Bahnen um den Solarturm angeordnet. Die Abstände der Heliostate zum Turm/Absorber können dabei zwischen mehreren hundert Metern bis zu mehr als ein Kilometer je nach Position des Heliostats variieren. Jeder Reflektor weist eine Fokallänge f auf, die an den Abstand des Reflektors von dem Absorber angepasst ist.
Während des Betriebs werden die Heliostate dem Sonnenstand nachgeführt. Die charakterisierenden Parameter, die für eine genaue Nachführung der Heliostaten notwendig sind, sind zumeist Folgende: zwei Winkel zur Beschreibung der Verkippung des Pylons (Azimut-Achse), Offset jeweils für die Levations- und die Azimut-Achse, zwei Parameter, welche die Nichtlinearität der Antriebe beschreiben, ein Winkel, welcher die Abweichung von 90° zwischen Elvations- und Azimut-Achse beschreibt, sowie die Abweichung zwischen der durch die Spiegel definierten optischen Achse und der optischen Achse, wie sie durch die Stellung der Achsen eigentlich definiert ist.
Um eine möglichst genaue Fokussierung eines Heliostats auf dem Absorber zu erreichen, müssen die genannten Offsets und Parameter bestimmt werden, um eine Kalibrierung der Steuerung des Heliostats zu ermöglichen. Ferner sind die Offsets und Parameter auch während des Betriebs zu prüfen, um etwaigen Anpassungen vorzunehmen.
Die bekannten Verfahren zur Bestimmung des Offsets nutzen die sogenannte Kamera-Targetmethode, bei der ein Brennfleck des Heliostats auf einem weißen, diffus reflektierenden Target mit einer Kamera beobachtet wird.
Es gibt ferner Ansätze, eine fotometrische Auswertung von Bildern der Spiegelfläche vorzunehmen. Diese sind in EP 1 717 568 A2 und DE 10 2011 080 969 der Anmelderin beschrieben. In diesen Verfahren werden Reflexionen eines Targets auf der Spiegelfläche des Reflektors mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. Diese beiden bekannten Verfahren sind für die Vermessung von Parabolrinnenkollektoren optimiert und sind daher nur bedingt für Heliostate eines Solarturmkraftwerks einsetzbar.
Die bekannten Flussdichte-basierten Verfahren benötigen eine feste Hardwareinstallation an dem Turm und sind darüber hinaus abhängig vom Sonnenstand bzw. der Verfügbarkeit von direkter Sonnenstrahlung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Vermessung von Heliostate bereitzustellen, das unabhängig von Sonneneinstrahlung ist und darüber hinaus mit geringem hardwaretechnischem Aufwand und sehr genau durchführbar ist.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eines mehrere Heliostaten aufweisenden Heliostatenfeldes eines Solarturmkraftwerks, wobei die Heliostate jeweils mindestens einen eine Spiegelfläche aufweisenden Reflektor mit einer Fokallänge f aufweisen, sind folgende Schritte vorgesehen:

– Positionierung eines steuerbaren Fluggeräts oberhalb des Heliostatenfeldes an einer vorgegebenen Startposition,
– Bewegen des Fluggeräts gemäß einem vorgegebenen Flugmuster und gleichzeitige Aufnahme von Bildern eines Heliostats oder mehrerer Heliostate mittels einer Kamera in einem vorgegebenen Zeitabstand, wobei die Bilder ausgewertet werden,
– Generierung mindestens eines Auswertbildes der Reflexion eines durch das Fluggerät oder eines Teils des Fluggeräts gebildeten Targets auf der Spiegelfläche des mindestens einen Reflektors des oder eines Heliostats und Bestimmen der Position des Targets in Bezug auf den mindestens einen Reflektor,
– Auswertung des mindestens einen Auswertebildes zur Bestimmung mindestens eines Normalenvektors der Spiegelfläche mittels der Position des Targets, wobei über den mindestens einen Normalenvektor die optische Achse des Heliostaten bestimmt wird und/oder Formfehler der Spiegelfläche bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung eines Targets in Form eines Fluggeräts oder eines Teils eines Fluggeräts ein mobiles Target verwendet wird, das somit sehr flexibel einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit mit einem geringen vorrichtungstechnischen Aufwand verwirklichbar, wobei die für das Verfahren notwendigen technischen Vorrichtungen, wie beispielsweise das Fluggerät, auch an unterschiedlichen Solarturmkraftwerken einsetzbar sind. Somit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein kostengünstiges Verfahren zur Vermessung von Heliostaten bereitgestellt.
Der vorgegebene Zeitabstand, in dem die Bilder aufgenommen oder ausgewertet werden, kann in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fluggeräts vorgegeben werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, kontinuierlich Bilder, beispielsweise in Form eines Films, aufzunehmen, bei dem anschließend die Einzelbilder ausgewertet werden.
Bei einer Kalibrierung von Heliostaten wird üblicherweise zunächst eine Rohkalibrierung (Vorkalibrierung) vorgenommen, um die groben Parameter des Heliostaten zu ermitteln und anschließend eine Feinkalibrierung um eine möglichst genaue Steuerung des Heliostaten zu ermöglichen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl die Roh- als auch die Feinkalibrierung durchgeführt werden. Es ist somit möglich, Heliostate einzumessen, über deren initiale, reale Orientierung nur sehr grobe Kenntnisse vorliegen, die beispielsweise aus den Konstruktionsunterlagen abgeleitet sind. Über die Auswertung des mindestens einen Auswertebildes lässt sich die optische Achse des Heliostaten in vorteilhafter Weise bestimmen, so dass hierüber eine sehr gute Kalibrierung der Steuerung des Heliostaten möglich ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Generierung des mindestens einen Auswertebildes durch eine Auswahl aus den zuvor aufgenommenen Bildern erfolgt. Es werden somit aus den aufgenommenen Bildern ein oder mehrere Bilder ausgewählt, auf denen zumindest ein Teil des Targets als Reflexion auf die Spiegelfläche eines Heliostats erkennbar ist. Diese Bilder können dann als Auswertebilder für die weitergehende Auswertung verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit, dass das Flugmuster über mehrere Heliostate des Heliostatfelds erfolgen kann und während des Flugmusters eine Vielzahl von Bildern aufgenommen wird. Somit können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Heliostate in sehr kurzem Zeitraum vermessen werden.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der Generierung des mindestens einen Auswertebildes die aufgenommenen Bilder während des Fluges ausgewertet werden und bei Erkennen zumindest eines Teils des Targets als Reflexion auf der Spiegelfläche des mindestens einen Reflektors des oder eines Heliostats das Flugmuster abgebrochen wird. Anschließend wird das Fluggerät gesteuert, bis die Reflexion des Targets an einer vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche angeordnet ist. Nun wird mindestens ein Auswertebild der Reflexion des Targets auf der Spiegelfläche mittels der Kamera aufgenommen.
Ein derartiges Verfahren ist besonders geeignet, wenn lediglich ein Heliostat vermessen werden soll. Das Fluggerät kann dann oberhalb des Heliostats an einer vorgegebenen Startposition positioniert werden und das Flugmuster für die Bewegung des Fluggeräts ist weitestgehend oberhalb des Heliostats vorgegeben.
Dabei wird durch die Positionierung des steuerbaren Fluggeräts an einer vorgegebenen Startposition und einem anschließenden Abfliegen eines Flugmusters sichergestellt, dass bereits nach kurzer Zeit eine Reflexion zumindest eines Teils des Targets in der Spiegelfläche erkannt werden kann und anschließend über die Steuerung des Fluggeräts das Fluggerät derart positioniert wird, dass die Reflexion des Targets an einer vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass nach relativ kurzer Zeit Auswertebilder der Reflexion des Targets aufgenommen werden können, die für eine Auswertung zur Bestimmung des Normalenvektors geeignet sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Flugmuster unmittelbar abgebrochen wird, wenn bei Erreichen der Startposition bereits das Abbruchkriterium in Form einer Reflexion eines Teils des Targets auf der Spiegelfläche vorliegt.
Selbst wenn die reale Orientierung des Heliostats oder der Heliostate von der theoretischen Orientierung deutlich abweicht, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Verwendung eines vorgegebenen Flugmusters und einer anschließenden Feinjustierung des Flugs des Fluggeräts, wenn ein Teil des Targets als Reflexion auf der Spiegelfläche erscheint, eine Kalibrierung innerhalb kurzer Zeit vorgenommen werden.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch vorsehen, dass das Flugmuster eine Bewegung des Fluggeräts über mehrere Heliostate vorsieht, wobei, wenn die Bildauswertung ergibt, dass ein Teil des Targets als Reflexion auf ein Heliostat erkannt wird, das Flugmuster unterbrochen wird, um eine genauere Positionierung des Fluggeräts oberhalb des Heliostaten vorzunehmen und um ein genaueres Auswertebild mittels der Kamera aufzunehmen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kamera an dem Fluggerät angeordnet ist. Somit weist das Fluggerät neben dem Target auch die Kamera auf, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders hohe Mobilität gegeben ist. Zur Durchführung des Verfahrens bedarf es lediglich des Fluggeräts und einer Recheneinheit, die einer Auswertung der Bilder erfolgt und gegebenenfalls eine Steuerung des Fluggeräts vornimmt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Fluggerät automatisch über eine an Bord befindliche Steuerung gesteuert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Startposition auf einer theoretischen, optischen Achse eines oder des Heliostats angeordnet ist. Die theoretische, optische Achse kann beispielsweise die sich aus den Konstruktionsunterlagen ergebende optische Achse des Heliostats sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich das Fluggerät und somit das Target in der Startposition bereits relativ nah der realen optischen Achse befindet, so dass mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb kürzester Zeit zumindest ein Teil des Targets als Reflexion auf der Spiegelfläche erkennbar ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Flugmuster eine Spiralenform um die theoretische optische Achse des Heliostats enthält. Mit anderen Worten: Bei der Bewegung entlang des Flugmusters wird das Fluggerät spiralenförmig um die theoretische optische Achse gesteuert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb von kürzester Zeit das Target auf der Spiegelfläche des Heliostats erscheint.
Bei einem Flugmuster, das mehrere Heliostate des Heliostatfelds überfliegt, kann vorgesehen sein, dass für jede theoretische optische Achse eines Heliostats das Flugmuster eine Spiralenform vorsieht. Das Flugmuster kann daher vorsehen, dass das Fluggerät zunächst zu einer oberhalb des Heliostats auf der theoretischen optischen Achse befindlichen Position gesteuert wird und dann in einer Spiralenform gesteuert wird. Anschließend fliegt das Fluggerät zu den nächsten innerhalb des Flugmusters vorgesehenen Heliostaten. Auf diese Weise besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass einige der aufgenommenen Bilder die Reflexion des Targets auf der Spiegelfläche zeigen, so dass diese als Auswertebilder geeignet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Heliostatfeld mit Heliostaten, deren Reflektoren jeweils eine Fokallänge f aufweisen, die Startposition in einer Entfernung zwischen f und 2f von der Spiegelfläche eines Heliostaten angeordnet ist. Beispielsweise kann die Startposition entlang der theoretischen optischen Achse in dieser Entfernung von der Spiegelfläche angeordnet sein. Eine derartige Entfernung hat den Vorteil, dass die Drohne vergrößert auf der Spiegelfläche dargestellt wird. Bei einer Entfernung der doppelten Fokallänge (2f) ist das Target mit einer maximalen Vergrößerung auf der Spiegelfläche erkennbar.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Startposition zunächst näher an der Spiegelfläche angeordnet ist. Wenn nun ein Teil des Fluggeräts bzw. des Targets in der Spiegelfläche erkennbar ist, kann das Fluggerät gesteuert werden, so dass sich das Target an einer vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche, beispielsweise im Mittel der Spiegelfläche, befindet und ein Normalenvektor der Spiegelfläche kann bestimmt werden. Anschließend kann das Fluggerät entlang dieses Normalenvektors von dem Heliostate wegfliegen, so dass ein Vergrößerungseffekt auf der Spiegelfläche entsteht. Dadurch kann eine Feinanpassung des berechneten Normalenvektors erfolgen.
Grundsätzlich hat eine größere Entfernung der Drohne von dem Heliostat den Vorteil, dass Positionsabweichungen bei der Bestimmung der Position des Targets für die Genauigkeit des Normalenvektors einen geringeren Einfluss haben. Es wird angestrebt, die optische Achse des Heliostaten mit einer Genauigkeit von 0,1 mrad zu bestimmen. Bei dem Abstand des Targets zur Spiegelfläche von 10 m wäre somit eine Genauigkeit bei der Positionsbestimmung des Targets von 1 mm notwendig. Bei einem Abstand von mehreren 100 m zu dem Heliostaten, z.B. im Bereich von f bis 2f, muss die Position des Targets lediglich mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern bestimmt werden, um die angestrebte Messgenauigkeit einzuhalten. Derartige Positionsbestimmungen sind mit den zurzeit verfügbaren Mitteln mit vertretbarem Aufwand erreichbar.
Die Auswertung der Bilder zur Bestimmung des mindestens einen Normalenvektors der Spiegelfläche kann während des Betriebs des Fluggeräts und somit online oder auch offline nach dem Betrieb des Fluggeräts erfolgen.
Bei der Auswertung der Bilder während des Betriebs des Fluggeräts kann vorgesehen sein, dass das Fluggerät die Bilder drahtlos an eine Auswerteeinheit überträgt. Bei der offline-Auswertung kann vorgesehen sein, dass das Fluggerät zunächst die Bilder speichert und anschließend der Speicher des Fluggeräts zur offline-Auswertung ausgelesen wird.
Bei der Auswertung des mindestens einen Auswertebildes zur Bestimmung der optischen Achse des Heliostaten oder von Formfehlern der Spiegelfläche können auch mehrere Normalenvektoren der Spiegelfläche bestimmt werden und anschließend erfolgt eine Mittelung der Normalenvektoren.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Aufnahme von Bildern mehrere Spiegelflächen von benachbarten Heliostaten aufgenommen werden. Dies kann erfolgen, indem eine Kamera mit entsprechender Brennweite gewählt wird. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens mit einer Kamera, die stationär angeordnet ist und somit nicht von dem Fluggerät mitgeführt wird, hat dies den Vorteil, dass keine Fokussierung der Kamera auf einen einzelnen Heliostaten erfolgen muss, sondern das Fluggerät nacheinander mehrere Heliostate ansteuern kann, ohne dass es eine Veränderung an der Kamera bedarf.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Fluggerät bei der Generierung des Auswertebildes über eine Auswertung der Bilder gesteuert wird, wobei die Auswertung der Bilder in einer Recheneinheit in dem Fluggerät oder nach drahtloser Übermittlung in einer externen Recheneinheit erfolgt. Mit anderen Worten: Bei der Steuerung des Fluggeräts nach Abbruch bzw. Unterbrechung des Flugmusters, um die Reflexion des Targets auf der Spiegelfläche genau zu positionieren, werden die Bilder im Fluggerät selbst oder extern ausgewertet. Die Auswertung der Bilder in einer Recheneinheit in dem Fluggerät hat den Vorteil, dass diese sehr schnell erfolgen kann, da Übermittlungszeiten vermieden werden. Ferner besteht die Möglichkeit, eine vollkommen automatische Steuerung des Fluggeräts zu verwirklichen. Die drahtlose Übermittlung an eine externe Recheneinheit hat den Vorteil, dass somit auf entsprechende Rechenkapazitäten in dem Fluggerät verzichtet werden können und darüber hinaus in einer externen Recheneinheit eine höhere Rechenleistung zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Bestimmung der Position des Targets in Bezug auf den mindestens einen Reflektor die Position des Targets und die Position des Reflektors in einem gemeinsamen Koordinatensystem ermittelt werden. Das gemeinsame Koordinatensystem kann beispielsweise ein globales Koordinatensystem sein. Eine derartige Bestimmung hat den Vorteil, dass auf aufwändige Umrechnungen zwischen verschiedenen Koordinatensystemen verzichtet werden kann. Ferner kann in dem globalen Koordinatensystem auch die Position der Kamera und insbesondere des Sensors der Kamera ermittelt bzw. festgelegt werden.
Bei der Bestimmung der Position des Targets in Bezug auf den mindestens einen Reflektor kann die Ermittlung der Position des Targets über Satellitennavigation oder mittels einer Bildauswertung erfolgen. Auch die Bestimmung der Position der Kamera in Bezug auf den mindestens einen Reflektor kann auf diese Weise erfolgen. Die ermittelte Position des Reflektors kann über eine Vorgabe aus der Konstruktion des Heliostatenfeldes oder über eine Auswertung der aufgenommenen Bilder erfolgen. Auf diese Weise sind die Position des Targets sowie die Position des Reflektors und somit auch die Position dieser beiden Elemente zueinander auf einfache Art und Weise möglich. Bei der Auswertung der Position mittels einer Bildauswertung können mehrere Bilder ausgewertet werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass Markierungspunkte oder charakteristische Formen, deren Position bekannt ist, bei der Bildauswertung verwendet werden. Bei der Bildauswertung werden Methoden aus der Photogrammetrie verwendet, welche Genauigkeiten im Bereich weniger Zentimeter zulassen.
Die Verwendung von Satellitennavigation zur Positionsbestimmung des Targets hat den Vorteil, dass diese unmittelbar zur Verfügung steht, und eine ausreichende Genauigkeit zur Verfügung stellen kann. Zur technischen Verwertung von Satellitennavigation muss lediglich ein entsprechender Empfänger an dem Fluggerät mitgeführt werden. Für die Satellitennavigation kann beispielsweise ein differentielles GPS verwendet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Auswertung der Bilder zur Steuerung des Fluggeräts mittels der ausgewerteten Bilder die Position der Reflexion des Targets auf der Spiegelfläche und charakteristische Merkmale des aufgenommenen Reflektors bestimmt werden. Dies kann beispielsweise in dem gemeinsamen Koordinatensystem erfolgen. Beispielsweise können dann bei der Auswertung der Bilder die Ecken oder Kanten des Reflektors ermittelt werden und die Abweichung der Position der Reflexion des Targets von der vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche, beispielsweise dem Mittelpunkt. Über die Abweichung der Position der Reflexion des Targets von der vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche kann dann genutzt werden, um das Fluggerät so zu steuern, bis die Reflexion des Targets auf der gewünschten Position oder innerhalb eines Abweichungsbereichs der gewünschten Position angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Feinpositionierung der Reflexion des Targets auf der Spiegelfläche auf sehr einfache Weise und genau durchführbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Target als ein Muster oder eine charakteristische Form an dem Fluggerät ausgebildet ist. Auf diese Weise ist nicht nur die Position der Reflexion des Targets, sondern auch eventuell eine Ausrichtung ermittelbar. Dadurch ist eine Steuerung des Fluggeräts zum Erreichen der vorgegebenen Position der Reflexion des Targets einfacher durchführbar, da anhand des Musters besser erkannt werden kann, in welche Richtung eine Bewegung des Fluggeräts notwendig ist. Ferner kann anhand von Mustern oder charakteristischen Formen auf einfache Art und Weise Formfehler in der Spiegelfläche ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise auf das in EP 1 717 568 A2 beschriebene Verfahren verwiesen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Target aus mehreren Lichtquellen besteht, die vorzugsweise in einem Muster angeordnet sind. Das Vorsehen von Lichtquellen als Target hat den Vorteil, dass das Verfahren unabhängig vom Umgebungslicht ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann das Verfahren nachts ausgeführt werden. Die Leuchten können beispielsweise LEDs oder eine Laserlichtquelle sein. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Lichtquellen in unterschiedlichen Farben versehen sind, wodurch bei einer Situation, bei der nur ein Teil des Targets von der Spiegelfläche reflektiert wird, schneller erkannt werden kann, von welcher Lichtquelle die Reflexion erfolgt. Die mehrere Lichtquellen können beispielsweise in einer Kreisform oder in einer Matrix angeordnet sein. Auch ist eine dreieckförmige Anordnung möglich. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass das Target lediglich eine Lichtquelle aufweist, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Reflexion der Lichtquelle an einer vorgegebenen Position positioniert werden muss.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Heliostate nacheinander vermessen werden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass dem Fluggerät ein Flugplan vorgegeben wird und nacheinander die Heliostate angesteuert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass innerhalb eines Flugplans mehrere Heliostate mit gleicher oder ähnlicher Fokallänge nacheinander angesteuert werden. Dadurch wird vermieden, dass das Fluggerät zwischen zwei Heliostaten große Höhenänderungen vornehmen muss, um in dem gewünschten Abstandsbereich zu den Heliostaten zu gelangen. Dadurch ist eine sehr schnelle Vermessung mehrerer Heliostate möglich.
Als Fluggerät können sogenannte Drohnen verwendet werden. Beispielsweise kann das Fluggerät ein Quadrokopter oder ein Oktokopter sein. Derartige Fluggeräte haben sich als besonders vorteilhaft insbesondere in Bezug auf die Flugstabilität herausgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine Vermessung der Heliostate sehr schnell und mit sehr hoher Präzision erfolgen kann. Das Verfahren kann beispielsweise für die initiale Heliostat-Offset- und Tracking-Charakterisierung direkt nach dem Aufbau einzelner Heliostate eines Heliostatenfeldes einsetzbar. Dadurch können diese zeitnah nach dem Aufbau voll zur Verfügung stehen. Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine nachträgliche Kontrolle des Kalibrierzustandes größerer Heliostatenfeldbereiches oder ganzer Heliostatenfelder einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise, wie im Folgenden beschrieben, ablaufen:
Aus dem Betriebszustand des Solarturmkraftwerks wird ein Sollzustand des Heliostats abgeleitet, aus dem die ideale Richtung des Normalenvektors ermittelt wird. Hierbei handelt es sich um theoretische Größen.
Ausgehend von dieser Heliostatposition wird die Startposition berechnet, auf der eine Reflexion des Fluggeräts oder des Targets des Fluggeräts im Reflektor sichtbar sein sollte. Hier wird üblicherweise die Startposition mit der maximalen Vergrößerung der Reflexion gewählt, die sich im Abstand der doppelten Fokallänge vom Heliostat befindet.
Das Fluggerät navigiert anschließend gesteuert über eine Positionserkennung, beispielsweise über GPS, zu der Position. Sofern die Kamera an dem Fluggerät angeordnet ist, wird diese auf den Heliostat ausgerichtet und über eine Bildauswertung, die beispielsweise onboard erfolgt, wird geprüft, ob das Fluggerät sein eigenes Spiegelbild bzw. das Spiegelbild des Targets sieht. Sofern keine Reflexion auf der Spiegelfläche erkennbar ist, beginnt das Fluggerät spiralförmig um die ideale Richtung des Normalenvektors zu kreisen, bis die Kamera eine Reflexion des Targets detektiert.
Mithilfe der Bildinformation der aufgenommenen Bilder kann das Fluggerät nun gezielt so gesteuert werden, dass sich die Reflexion des Targets mittig in der Spiegelfläche befindet.
Die aktuelle Position des Fluggeräts bzw. des Targets wird gespeichert. Aus diesem kann über die Heliostatposition die Ausrichtung des Heliostats und somit die optische Achse bestimmt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Fluggerät verwendet, das neben einem Antrieb ein Target aufweist. Ferner kann das Fluggerät eine Kamera besitzen, die vorzugsweise beweglich an dem Fluggerät befestigt ist. Das Fluggerät kann eine Steuerung aufweisen, die eine Bildbearbeitungssoftware zur Bearbeitung der mittels der Kamera aufgenommenen Bilder aufweist. Das Target kann beispielsweise als aktives Target ausgebildet sein und mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, beispielsweise LEDs, die unterschiedliche Farben aufweisen können. Beispielsweise können die Lichtquellen in einer Matrix angeordnet sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Bilder das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Anordnung eines Heliostats mit dem Fluggerät während der Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Ansicht der Spiegelfläche des Heliostats mit teilweise sichtbarem Target und
3 eine schematische Anordnung eines aktiven Targets.
Unter Bezugnahme auf die 1–3 wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. In 1 ist ein Heliostat 1 eines Heliostatenfeldes eines Solarturmkraftwerks schematisch dargestellt. Der Heliostat 1 weist einen Reflektor mit einer Spiegelfläche 5 auf. Die Spiegelfläche 5 des Heliostats besitzt einen Mittelpunkt M mit einem realen Normalenvektor N_real. Ferner bestehen Informationen über einen theoretischen Normalenvektor N_theo, der sich aus der Konstruktion des Heliostats 1 ergibt. Die Normalenvekoren N_real und N_theo weichen geringfügig voneinander ab, die aufgrund von Herstellungsungenauigkeiten hervorgerufen wird. Zu Veranschaulichungszwecken ist in 1 eine sehr übertriebene Abweichung dargestellt.
Ein Fluggerät 9 mit an dem Fluggerät 9 angeordneten Target 11 wird an einer Startposition P positioniert. Dabei befindet sich vorzugsweise das Target 11 an der Startposition P. Die Startposition P kann beispielsweise, wie in 1 dargestellt ist, auf dem theoretischen Normalenvektor N_theo in einem Abstand von 2f von der Spiegelfläche 5 angeordnet sein. Mit diesem Abstand hat eine Reflexion des Targets 11 auf der Spiegelfläche 5 die maximale Größe. Mittels einer Kamera 13, die beispielsweise ebenfalls an dem Fluggerät 9 angeordnet sein kann, wird ein Bild der Spiegelfläche 5 des Heliostats 1 aufgenommen. Wenn keine Reflexion des Targets 11 und des gesamten Fluggeräts 9 auf der Spiegelfläche 5 erkennbar ist, wird das Fluggerät 9 entlang eines Flugmusters 15 gesteuert. Das Flugmuster 15 ist in 1 schematisch durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet. Das Flugmuster 15 kann spiralförmig um den theoretischen Normalenvektor N_theo erfolgen. Während des Abfliegens des Flugmusters 15 nimmt die Kamera 13 fortlaufend Bilder der Spiegelfläche 5 auf. Diese werden über eine bordeigene, nicht dargestellte, Auswerteeinheit des Fluggeräts 9 ausgewertet. Sobald eine Reflexion des Targets 11 oder des Fluggeräts 9 für die Kamera 13 in der Spiegelfläche 5 ersichtlich ist, wird das Flugmuster 15 abgebrochen oder unterbrochen.
In 2 ist eine Draufsicht auf die Spiegelfläche 5 des Heliostats 1 der 1 dargestellt. Eine Reflexion 11' des Targets 11 ist in der Spiegelfläche 5 ersichtlich. Mittels einer Bildauswertung werden die Eckpunkte 17 der Spiegelfläche 5 bestimmt. Über diese Informationen kann die Abweichung der Reflexion 11' des Targets 11 von einer vorgegebenen Position, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Mittelpunkt M ist, ermittelt werden. Darüber lässt sich das Fluggerät so steuern, dass die Reflexion 11' des Targets 11 an der vorgegebenen Position erscheint. Nun befindet sich das Target 11 auf dem realen Normalenvektor bzw. mit einer akzeptablen Abweichung im Bereich des realen Normalenvektors. Die nunmehr aufgenommenen Bilder werden als Auswertebilder verwendet. Durch eine Speicherung der Position des Fluggeräts bzw. des Targets 11 kann daraus der reale Normalenvektor berechnet werden.
Für die Bestimmung der optischen Achse des Heliostaten muss nicht notwendigerweise der Normalenvektor im Mittelpunkt M der Spiegelfläche 5 bestimmt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, aus mehreren Auswertebildern eine Vielzahl von Normalenvektoren N zu bestimmen und eine Mittlung vorzunehmen.
Das Target 11 kann auch als sogenanntes aktives Target ausgebildet sein. Eine entsprechende Ausbildung ist in 3 schematisch dargestellt. Das Target besteht bei dieser Ausführungsform aus mehreren Lichtquellen in Form von LED-Lampen. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind neun LED-Lampen 19 vorgesehen, die in einer Matrix angeordnet sind. Dabei besitzen die LED-Lampen 19 unterschiedliche Farbgebung. Die LED-Lampen 19a besitzen beispielsweise die rote Farbe, die LED-Lampen 19b beispielsweise die grüne Farbe und die LED-Lampen 19c beispielsweise die blaue Farbe. Auf diese Weise ist bei der Aufnahme des Bildes die Spiegelfläche in vorteilhafter Weise ermittelbar, die Reflexion welcher Lampen auf dem aufgenommenen Bild zu sehen sind, so dass eine Ausrichtung des Targets 11 ermittelbar ist. Somit kann auf einfache Art und Weise und sehr genau bestimmt werden, in welche Richtung das Fluggerät 9 zum Erreichen der gewünschten Position geflogen werden muss.
Die Bestimmung der Positionen der einzelnen Elemente erfolgt in einem globalen Koordinatensystem. Somit ist der Mittelpunkt M der Spiegelfläche in dem gleichen Koordinatensystem wie das Target 11. Bei der Bestimmung der Position des Targets 11 kann über eine Bildauswertung der aufgenommenen Bilder erfolgen, indem in dem Bild Markierungen, deren Positionen bekannt sind, erfasst werden. Auch besteht die Möglichkeit, eine Positionsbestimmung über einen in dem Fluggerät 9 angeordneten Navigationssensor, beispielsweise einen Satellitennavigationssensor, zu bestimmen. Aus der Konstruktion des Fluggeräts 9 ist die Anordnung des Targets 11 in Bezug auf den nicht dargestellten Navigationsempfänger bekannt, so dass die tatsächliche Target-Position des Targets 11 auf einfache Art und Weise errechnet werden kann. Auch kann die Position der Kamera 13 auf diese Weise bestimmt werden, so dass die Aufnahmerichtung der Kamera 13 bestimmt und berücksichtigt werden kann. Dadurch ist eine besonders genaue Messung möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Heliostat auf einfache Art und Weise und sehr schnell vermessen werden. Dies kann unabhängig von Sonnenstand und Verfügbarkeit von direkter Sonnenstrahlung erfolgen und kann in wenigen Minuten erfolgen. Das Verfahren kann für eine Heliostat-Offset- und Tracking-Charakterisierung, die für eine Kalibrierung der Steuerung des Heliostats verwendet werden kann, genutzt werden. Dies kann initial vor der Inbetriebnahme des Heliostaten erfolgen. Das Verfahren kann jedoch auch für eine schnelle Kontrolle des Kalibrierzustandes des Heliostats zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1717568 A2 [0007, 0039]
DE 102011080969 [0007]

Claims

Verfahren zur Vermessung von Heliostaten (1) eines mehrere Heliostaten (1) aufweisenden Heliostatenfeldes eines Solarturmkraftwerks, wobei die Heliostate (1) jeweils mindestens einen eine Spiegelfläche (5) aufweisenden Reflektor (3) aufweisen mit folgenden Schritten: – Positionierung eines steuerbaren Fluggeräts (9) oberhalb des Heliostatenfeldes an einer vorgegebenen Startposition (P), – Bewegen des Fluggeräts (9) gemäß einem vorgegebenen Flugmuster (15) und gleichzeitige Aufnahme von Bildern eines Heliostats (1) oder mehrerer Heliostate mittels einer Kamera (13) in einem vorgegebenen Zeitabstand, wobei die Bilder ausgewertet werden, – Generierung mindestens eines Auswertebildes einer Reflexion (11') eines durch das Fluggerät (9) oder eines Teils des Fluggeräts (9) gebildeten Targets (11) auf der Spiegelfläche (5) des mindestens einen Reflektors (3) des Heliostats (1) und Bestimmen der Position des Targets (11) in Bezug auf den mindestens einen Reflektor (3), – Auswertung des mindestens einen Auswertebildes zur Bestimmung mindestens eines Normalenvektors (N) der Spiegelfläche (5) mittels der Position des Targets (11), wobei über den mindestens einen Normalenvektor (N) die optische Achse des Heliostaten (1) bestimmt wird und/oder Formfehler der Spiegelfläche (5) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Generierung des mindestens einen Auswertebildes durch eine Auswahl aus den aufgenommenen Bildern erfolgt, indem auf den aufgenommenen Bildern zumindest ein Teil des Targets (11) als Reflexion (11') auf der Spiegelfläche (5) des mindestens einen Reflektors des Heliostats (1) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Generierung des mindestens einen Auswertebildes bei Erkennen eines Teils des Targets (11) als Reflexion (11') auf der Spiegelfläche des mindestens einen Reflektors (3) eines Heliostats das Flugmuster (15) abgebrochen wird, das Fluggerät (9) gesteuert wird, bis die Reflexion (11') des Targets (11) an einer vorgegebenen Position auf der Spiegelfläche (5) angeordnet ist und mindestens ein Auswertebild der Reflexion (11') des Targets (11) auf der Spiegelfläche (5) des mindestens einen Reflektors mittels der Kamera (13) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (13) an dem Fluggerät (9) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Startposition (P) auf einer theoretischen optischen Achse (N_real) eines oder des Heliostats (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugmuster (15) eine Spiralenform um die theoretische optische Achse (N_real) des Heliostats (1) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Heliostatfeld mit Heliostaten, deren Reflektoren jeweils eine Fokallänge f aufweisen, die Startposition (P) in einer Entfernung zwischen f und 2f von der Spiegelfläche (5) eines Heliostats (1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des mindestens einen Auswertebildes zur Bestimmung des mindestens einen Normalenvektors (N) der Spiegelfläche (5) während des Betriebs des Fluggeräts (9) oder offline erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme der Bilder mehrere Spiegelflächen (5) von benachbarten Heliostaten (1) aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (9) bei der Generierung des Auswertebildes über eine Auswertung der Bilder gesteuert wird, wobei die Auswertung der Bilder in einer Recheneinheit in dem Fluggerät (9) oder nach drahtloser Übermittlung an einer externen Recheneinheit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Position des Targets (11) in Bezug auf den mindestens einen Reflektor (3) die Position des Targets (11) und die Position des Reflektors (3) in einem gemeinsamen Koordinatensystem ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Position des Targets (11) in Bezug auf den mindestens einen Reflektor (3) die Ermittlung der Position des Targets (11) über Satellitennavigation oder mittels einer Bildauswertung erfolgt und die Ermittlung der Position des Reflektors (3) über eine Vorgabe aus der Konstruktion des Heliostatenfeldes oder mittels einer Bildauswertung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Bilder zur Steuerung des Fluggeräts (9) mittels der ausgewerteten Bilder die Position der Reflexion (11') des Targets (11) auf der Spiegelfläche (5) und charakteristische Merkmale des aufgenommen Reflektors (3) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (11) als ein Muster oder eine charakteristische Form an dem Fluggerät (9) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (11) aus mehreren Lichtquellen (19) besteht.