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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Abweichungswinkels eines Antriebs eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten.
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Solare Turmkraftwerke nutzen Heliostaten, die zweiachsig der Sonne nachgeführt werden, um das Sonnenlicht auf einen Empfänger (Receiver) auf einem Turm zu konzentrieren. Das von den Heliostaten reflektierte Licht soll dabei den Zielpunkt auf dem Receiver möglichst genau treffen.
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Heliostaten besitzen einen Antrieb mit zwei Aktoren, denen eine anzufahrende, gewünschte Position (Sollposition) vorgegeben wird. Ferner sind zwei Sensoren vorgesehen, um die erreichte Position (Ist-Position) anzuzeigen. Je kleiner die Heliostaten sind, umso ungenauer werden Aktoren und Sensoren. Einen weiteren Einfluss auf die Genauigkeit des Treffens des Zielpunktes ist die Steifigkeit der Heliostatstruktur.
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Die Sollposition wird anhand eines berechneten Sonnenstandes ermittelt. Die Luftfeuchtigkeit, der Luftdruck und die Brechung des Lichts in der Atmosphäre haben jedoch einen Einfluss auf den Verlauf der Solarstrahlung, so dass die auf die Spiegelfläche des Heliostats auftreffende Solarstrahlung nicht der des berechneten Sonnenstands entspricht.
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Die Kenntnis der Abweichung zwischen der Soll- und der Ist-Position ist von großer Bedeutung, da einerseits Leistungsverluste entstehen können, wenn Heliostaten den Receiver nicht oder nicht vollständig treffen und andererseits Unfallgefahren bestehen, wenn Heliostaten auf Bereiche zielen, die nicht für konzentrierte Solarstrahlung ausgelegt sind. Mittels der Abweichung kann eine Kalibrierung vorgenommen werden.
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Heutzutage werden die tatsächlichen Abweichungen nicht oder nur sehr ungenau erfasst. Bei großen Heliostaten wird der Ist-Wert des Drehgebers des Antriebs genutzt, um eine Abweichung festzustellen. Es existieren oft sogenannte Kamera-Target-Systeme zur Bestimmung der Abweichung. In diesen Systemen wird Licht mittels der Spiegelfläche des Heliostaten oder der Spiegelfläche eines an dem Heliostaten angeordneten Hilfsspiegels auf eine weiße Fläche, dem Target, reflektiert. Der vorgegebene Sollwert für den Heliostaten ist dabei so bestimmt, dass sich das auf die weiße Fläche reflektierte Abbild in der Mitte des Targets befinden sollte. Aufgrund der Ungenauigkeiten in den Aktoren und Sensoren und aufgrund einer möglichen Verbiegung des Heliostaten durch dessen Steifigkeit trifft das Abbild nicht die Mitte des Targets. Es werden Bilddaten von dem Target mit Abbild aufgenommen, um durch die Auswertung der Bilddaten die Abweichung zu ermitteln. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus
DE 10 2009 037 280 A1 der Anmelderin bekannt.
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Bei dem vorbekannten Verfahren besteht das Problem, dass der Mittelpunkt des Abbildes auf dem Target, über den die Abweichung von dem Mittelpunkt des Targets bestimmt werden soll, nur sehr schwierig bestimmbar ist, wenn das Abbild nicht nahezu kreisrund ist. Selbst wenn das Abbild eine kreisrunde Form aufweist, kann es möglich sein, dass das Zentrum des Kreises nicht auf den theoretischen Zielpunkt des Heliostats liegen muss. Bei nicht konzentrierenden Heliostaten ist es noch schwieriger zu bestimmen, ob der Heliostat auf die Mitte des Targets zielt.
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Ferner haben die Tageszeit und die Jahreszeit Einfluss auf die Genauigkeit der Abweichungsbestimmung. Somit muss mehrmals im Jahr oder auch zu verschiedenen Tageszeiten eine Kalibrierung stattfinden. Dies kann zu erhöhten Personalkosten bei dem Betrieb eines solaren Turmkraftwerks führen. Bei dem Kamera-Target-System, bei dem das Abbild der Spiegelfläche des Heliostats auf dem Target verwendet wird, hat dies zur Folge, dass ständig Heliostaten nicht auf den Receiver zielen und somit deren Leistung während der Kalibrierung nicht genutzt werden kann. Die Verwendung von Hilfsspiegeln führt zu zusätzlichem vorrichtungstechnischem Aufwand.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache Art und Weise eine Bestimmung des Abweichungswinkels bei der Nachführung eines Heliostats ermöglicht wird und eine verbesserte Steuerung der Nachführung erfolgen kann. Ferner wäre es wünschenswert, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Abweichung der tatsächlich auf eine Spiegelfläche des Heliostaten treffenden Solarstrahlung von dem berechneten Sonnenstand ermittelbar ist.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 12.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Abweichungswinkels bei der Nachführung eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten sind folgende Schritte vorgesehen:
- a) Vermessen eines Heliostats und Erzeugen eines Softwaremodells des Heliostats,
- b) Ausrichten des Heliostats mit für einen berechneten Sonnenstand vorgegebenen Sollwerten, Bestrahlen des Heliostats mit Licht und Reflektieren des Lichts von der Spiegelfläche des Heliostats auf ein Target,
- c) Aufnehmen von ersten Bilddaten des mit dem Licht bestrahlten Targets,
- d) Bestimmen von Flussdichtewerten und einer Flussdichteverteilung des auf das Target reflektierten Lichts aus den ersten Bilddaten,
- e) Simulieren einer Bestrahlung des Softwaremodells des Heliostats mit bei dem Sonnenstand vorgegebener Ausrichtung und einer Reflektion von Licht auf ein fiktives Target sowie Berechnung einer theoretischen Flussdichteverteilung auf dem fiktiven Target,
- f) Vergleich der Flussdichteverteilung mit der theoretischen Flussdichteverteilung zur Bestimmung des Abweichungswinkels.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, die Simulation mittels eines Softwaremodells eines realen Heliostats mit dem Verhalten des realen Heliostats zu vergleichen. Die Simulation nutzt die für den berechneten Sonnenstand theoretisch vorliegenden Strahlungsdaten, Einflüsse wie die Luftfeuchtigkeit, der Luftdruck und die Brechung des Lichts in der Atmosphäre werden nicht berücksichtigt. Das Softwaremodell enthält auch keine Ungenauigkeiten in dem Antrieb, d.h. in den Aktoren und den Sensoren, sowie auch nicht die Steifigkeit des Heliostaten. Somit berücksichtigt die Simulation diese Einflussfaktoren nicht, so dass durch einen Vergleich der Simulation mit der Realität in vorteilhafter Weise der Abweichungswinkel bestimmt werden kann. Da der Heliostat zur Erstellung des Softwaremodells des Heliostats zuvor vermessen wird, haben sowohl das Softwaremodell als auch der reale Heliostat identische oder zumindest vergleichbare Spiegelungenauigkeiten. Somit ist der berechnete Abweichungswinkel ausschließlich bzw. nahezu ausschließlich auf die zuvor genannten Einflussfaktoren zurückzuführen. Dadurch ist eine sehr genaue Bestimmung des Abweichungswinkels möglich.
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Durch die Bestimmung der Flussdichteverteilung auf dem Target bzw. der theoretischen Flussdichteverteilung auf dem fiktiven Target kann der Abweichungswinkel auch in vorteilhafter Weise bei nicht perfekten Spiegelflächen, die keine kreisrunde Abbilde der Sonne erzeugen, bestimmt werden, indem beispielsweise die Abweichungen der Punkte mit der höchsten Flussdichte zum Vergleich herangezogen werden. Die ungenaue und aufwändige Bestimmung des Mittelpunkts des auf das Target reflektierten Abbildes, wie es bei den vorbekannten Verfahren notwendig ist, kann somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfallen.
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Somit ist eine sehr genaue Bestimmung des Abweichungswinkels möglich.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt a) der Heliostat mittels Deflektometrie vermessen wird. Mittels Deflektometrie lässt sich die Spiegelfläche des Heliostats in besonders vorteilhafter Weise und sehr genau vermessen. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Heliostat mittels Laser-Scanner oder Photogrammetrie vermessen wird.
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Bei der Vermessung des Heliostats mittels Deflektometrie sieht die Erfindung vorzugsweise folgende Unterschritte vor:
- aa) Projizieren von Mustern auf das Target oder ein zweites Target,
- ab) Ausrichten des Heliostaten,
- ac) Aufnahme von zweiten Bilddaten des auf der Spiegelfläche erzeugten Abbildes der Muster,
- ad) Auswertung der zweiten Bilddaten zur Bestimmung von lokalen Steigungsfehlern und/oder der Gesamtbrennweite der Spiegelfläche.
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Dabei kann das zweite Target identisch oder unterschiedlich zu dem in Verfahrensschritt b) verwendeten Target sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das zweite Target nah an dem Empfänger, dem der Heliostat zugeordnet ist, angeordnet ist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Unterschritte lässt sich der Heliostat in besonders vorteilhafter Weise mittels Deflektometrie vermessen.
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Die Muster können beispielsweise sinusförmige Streifenmuster verschiedener Frequenz sein, die horizontal und/oder vertikal projiziert werden.
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Ein Heliostat mit einem aus mehreren Facetten bestehenden Spiegelfläche kann in Schritt ad) zusätzlich oder alternativ Abweichungen in den Facettenbrennweiten und/oder Abweichungen der Facettenausrichtungen bestimmt werden. Dadurch sind derartige Heliostaten besonders genau vermessbar.
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Das Vermessen des Heliostats mittels eines derartigen Verfahrens hat den Vorteil, dass das Vermessen sehr genau und mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgen kann. Aus den ermittelten Daten kann ferner in vorteilhafter Weise ein Softwaremodell des Heliostats erstellt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Target fest an einem Empfängerturm angeordnet ist oder in Schritt b) in den Strahlengang des von der Spiegelfläche des Heliostats reflektierten Lichts geschwenkt wird. Dadurch werden die Zeiten, in denen der Heliostat auf das Target gerichtet ist, sehr kurz gehalten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt f) zur Bestimmung des Abweichungswinkels eine Ausrichtung des Softwaremodells des Heliostats simuliert wird, bei der die theoretische Flussdichteverteilung und die Flussdichteverteilung einander überdecken. Dadurch kann mittels der Simulation auf einfache Art und Weise der Abweichungswinkel bestimmt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt a) die Vermessung des Heliostats zu einem Zeitpunkt ohne direkte Sonneneinstrahlung auf die Spiegelfläche des Heliostats erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Vermessung nachts. Auf diese Weise wird einerseits die Relevanz des Ausfalls des Heliostats für die Vermessung gering gehalten und andererseits lässt sich der Heliostat ohne störende Einflüsse durch direkte Sonnenbestrahlung in vorteilhafter Weise vermessen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Schritt f) automatisiert erfolgt. Dadurch wird der Personalaufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering gehalten.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Verfahrensschritt a) einmalig durchgeführt wird und die Verfahrensschritte b)–f) in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden. Die Zeitabstände können beispielsweise so gewählt werden, dass die Verfahrensschritte b)–f) einmal am Tag, wöchentlich oder einmal im Monat stattfinden. Auch können die Zeitabstände so gewählt werden, dass Verfahrensschritte b)–f) jeweils zu unterschiedlichen Tageszeiten durchgeführt werden.
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Für einer Steuerung der Nachführung eines Heliostaten kann somit zu gewünschten Zeitpunkten eine Kalibrierung stattfinden. Dadurch werden auch tageszeit- oder jahreszeitabhängige Einflussfaktoren berücksichtigt. Da das Softwaremodell nach einmaliger Erstellung wiederverwendet werden kann, ist die Durchführung des Verfahrensschritts a) nur selten oder einmalig notwendig.
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Durch die wiederholte Durchführung der Verfahrensschritte b)–f) kann darüber hinaus eine Datenbank mit Informationen über den Heliostat und dessen Nachführung gesammelt werden und somit die Steuerung basierend auf diesen Erfahrungen verbessert werden.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch die Möglichkeit, eine Korrektur des berechneten Sonnenstands vorzunehmen. Der Sonnenstand wird üblicherweise anhand des Ortes, des Datums und der Uhrzeit berechnet. Hierbei bestehen grundsätzlich Ungenauigkeiten in der Berechnung selbst und es werden ferner meteorologische Einflüsse auf die Solarstrahlung, wie Luftdruck und Luftfeuchtigkeit sowie unterschiedliche Brechung in der Atmosphäre, nicht berücksichtigt. Einen sehr kleinen Einfluss, der bei der Berechnung ebenfalls nicht berücksichtigt wird, haben die Stellungen der Planeten und des Mondes. Die Sonnenstandberechnung kann mit folgendem Verfahren korrigiert werden:
- 1) Bereitstellen oder Auswahl eines Testheliostats mit gegenüber anderen Heliostaten in einem Heliostatfeld genaueren Antrieb und genaueren Steuerungssensoren sowie mit einer Spiegelfläche höherer Qualität,
- 2) Durchführen des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung eines Abweichungswinkels,
- 3) Ermitteln einer Abweichung der auf die Spiegelfläche des Heliostaten treffenden Solarstrahlung von der für einen berechneten Sonnenstand berechneten Solarstrahlung aus dem bestimmten Abweichungswinkel.
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Dieses Verfahren geht davon aus, dass der Testheliostat aufgrund des sehr genauen Antriebs, beispielsweise durch das Vorsehen von sehr genauen Sensoren und hochwertigen Aktoren sowie einer besonders hochwertigen Spiegelfläche, das durch den Testheliostat erzeugte Abbild auf den Target sich mit einer sehr hohen Genauigkeit auf der Position des Targets befindet, auf die der Heliostat zielt. Durch Simulation wird nun ein virtuelles Abbild auf dem virtuellen Target für den berechneten Sonnenstand simuliert, wobei bei dieser Simulation die genannten Ungenauigkeiten bei der Sonnenstandberechnung nicht berücksichtigt werden. Durch einen Vergleich des realen Abbilds mit dem virtuellen Abbild und somit der realen Flussdichteverteilung mit der theoretischen Flussdichteverteilung kann die durch die genannten Faktoren entstehenden Ungenauigkeiten bei der Sonnenstandberechnung bestimmt werden.
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Die durch die Aufzählung der Verfahrensschritte gegebene Reihenfolge ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht festgelegt. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Verfahrensschritte b)–d) vor dem Verfahrensschritt a) erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, dass Verfahrensschritt e) vor den Verfahrensschritten b)–d) durchgeführt wird.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines auf ein Target gerichteten Heliostats und
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2 eine Darstellung eines Systems zur Vermessung eines Heliostats mittels Deflektometrie.
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In 1 ist ein Solarturmkraftwerk 10 schematisch dargestellt. Ein Heliostat 12 eines nicht dargestellten Heliostatfeldes reflektiert von der Sonne 13 auf die Spiegelfläche 15 gestrahlte Solarstrahlung auf ein Target 16. Das Target besteht aus einer weißen Platte und ist an einem Turm 18 des Turmkraftwerks 10 angeordnet und lässt sich in den Strahlengang 20 der reflektierten Solarstrahlung vor einen nicht dargestellten Empfänger des Turms 18 schwenken.
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Mittels einer Kamera 22 werden erste Bilddaten des mit dem Licht bestrahlten Targets 16 aufgenommen. In einer Rechenvorrichtung 24 werden die ersten Bilddaten ausgewertet. Dabei werden Flussdichtewerte und eine Flussdichteverteilung des auf das Target 16 reflektierten Lichts aus den Bilddaten bestimmt.
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Der Heliostat 12 wird für die Erzeugung der ersten Bilddaten mit einem für einen berechneten Sonnenstand vorgegebenen Sollwert ausgerichtet. Hierfür weist der Heliostat einen nicht dargestellten Antrieb auf, der über zwei Aktoren den Heliostat zweiachsig antreibt, um diesen im Betrieb der Sonne nachzuführen. Im Betrieb werden über den berechneten Sonnenstand üblicherweise dem Heliostat Sollwerte für die Einstellung des Azimut- und des Elevationswinkels vorgegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Heliostat 12 vermessen wird und ein Softwaremodell des Heliostats erstellt wird. In der Rechenvorrichtung 24 und einer separaten Rechenvorrichtung wird eine Bestrahlung des Softwaremodells des Heliostats simuliert, wobei der Heliostat eine dem berechneten Sonnenstand vorgegebene Ausrichtung aufweist. Die Simulation simuliert ferner eine Reflektion von Licht mittels des Softwaremodells des Heliostats auf ein fiktives Target. Ferner wird eine theoretische Flussdichteverteilung des auf das fiktive Target reflektierten Lichts berechnet. Die theoretische Flussdichteverteilung auf das fiktive Target und die reale Flussdichteverteilung auf das Target 16 werden miteinander verglichen, um einen Abweichungswinkel zu bestimmen.
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Die Vermessung des Heliostats 12 kann mittels Deflektometrie erfolgen. Ein Aufbau zur Deflektometrie-Vermessung ist in 2 schematisch dargestellt. An dem Turm 18 des Solarturmkraftwerks 10 sind hierfür ein zweites Target 26 sowie eine zweite Kamera 28 angeordnet. Die zweite Kamera 28 blickt auf den Heliostaten 12. Das zweite Target 26 kann dem ersten Target 16 entsprechen oder auch ein von diesem unterschiedliches Target sein, das ebenfalls aus einer weißen Fläche besteht. Bei Zeiten geringer Sonneneinstrahlung oder beispielsweise nachts wird das zweite Target 26 mittels eines Projektors 30 bestrahlt. Der Heliostat 12 ist derart ausgerichtet, dass auf seiner Spiegelfläche 15 das zweite Target 26 erkennbar ist. Mittels des Projektors 30 werden Muster auf das zweite Target 26 projiziert, dessen Abbild auf der Spiegelfläche 15 des Heliostats mittels der Kamera 28 als zweite Bilddaten aufgenommen werden. Die zweiten Bilddaten werden ausgewertet und lokale Steigungsfehler und/oder die Gesamtbrennweite der Spiegelfläche 15 bestimmt. Aus diesen Daten lässt sich in vorteilhafter Weise ein Softwaremodell des Heliostats 12 erstellen. Bei einem Heliostat 12, der eine Spiegelfläche 15 aus mehreren Facetten aufweist, können zusätzlich Abweichungen in den Facettenbrennweiten und Abweichungen der Facettenausrichtung bestimmt werden. Dadurch, dass lässt sich ein besonders genaues Softwaremodell erstellen.
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Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Abweichungswinkel lässt sich zur Kalibrierung der Steuerung der Nachführung des Heliostaten 15 verwenden. Dabei wird die aus einem berechneten Sonnenstand sich ergebende Sollposition um den Abweichungswinkel korrigiert.
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Das Target 16 und/oder das zweite Target 26 können eine weiße Beschichtung mit Lambert´schen Eigenschaften aufweisen, d.h. die Intensität der von einem Flächenelement ausgesandten Strahlung ist in jede Richtung des Raums gleich groß, die Dichte dagegen nimmt proportional zur Größe des Winkels der Flächennormalen ab.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch Ungenauigkeiten bei der Sonnenstandberechnung korrigieren. Hierzu wird ein Heliostat 12 mit besonders hoher Qualität verwendet, der auf das Target 16 ein nahezu perfekt rundes Abbild erzeugt. Hierzu sind eine Spiegelfläche 15 von besonders hoher Qualität, d.h. mit nur sehr wenigen sehr geringen Fehlern, und ein besonders hochwertiger Antrieb notwendig. Bei einem derartigen Testheliostat wird davon ausgegangen, dass das auf das erste Target 16 projizierte Abbild sich sehr genau auf der Stelle des Targets 16 befindet, auf die der Heliostat 12 tatsächlich ausgerichtet ist. Der als Testheliostat verwendete Heliostat 12 wird ebenfalls beispielsweise mittels Deflektometrie vermessen. Bei der Simulation wird nun der berechnete Sonnenstand eingegeben. Die Abweichung zwischen der theoretischen Flussdichteverteilung auf dem fiktiven Target und der Flussdichteverteilung auf dem Target 16 ergibt nun einen Korrekturwert für den Sonnenstand, über den Ungenauigkeiten des berechneten Sonnenstandes durch unterschiedliche Einflüsse auf die Solarstrahlung, beispielsweise meteorologische Einflüsse, wie Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und eine unterschiedliche Brechung in der Atmosphäre, korrigierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037280 A1 [0006]
