DE102020125609A1

DE102020125609A1 - Verfahren und system zur bestimmung eines zustands eines solarthermischen parabolrinnenkraftwerks

Info

Publication number: DE102020125609A1
Application number: DE102020125609.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Christoph Prahl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-03-31
Also published as: EP4222426A1; US12013154B2; US20230332803A1; WO2022069228A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes (100) mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung (120) des Feldes (100) parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche (16), welche entlang ihrer Längserstreckung (72) jeweils eine Brennpunktlinie (14) aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr (20) angeordnet ist,wobei wenigstens die Schritte durchgeführt werden- Positionieren wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung (30) zum Erfassen von Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich in einer vorgegebenen Höhe (54) über dem Feld (100);- Erstellen von Aufnahmen (44) von durch die Oberfläche (16) der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren (10) reflektierten Bildern von Absorberrohren (20) durch die Aufnahmeeinrichtung (30) wenigstens im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung (30) in einer Querrichtung (70) quer zur Längserstreckung (72) über die Parabolrinnenkollektoren (10) bewegt wird und die Aufnahmen (44) in Form von zusammenhängenden Bildsequenzen von der Aufnahmeeinrichtung (30) vorgenommen werden;Bestimmen einer Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Bestimmung eines Zustands des Solarfeldes eines Parabolrinnenkraftwerks mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung des Feldes parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche, sowie ein Computer-Programm-Produkt für ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes und ein Datenverarbeitungssystem.
Wärmeverluste von Absorber-Rohren in solarthermischen Kraftwerken mit Parabolrinnenkollektoren, sogenannten Parabolrinnenkraftwerken, sind ein kritisches Thema bei der Betriebsführung der Kraftwerke. Absorberrohre weisen üblicherweise ein Stahlrohr auf, welches schwarz beschichtet ist und in dem ein Wärmeträgerfluid mit einer typischen Temperatur von ca. 400 °C zirkuliert. Dieses Stahlrohr ist zur Wärmeisolation von einem evakuierten Glashüllrohr umgeben.
Verschiedene Defekte, wie Bruch des Glashüllrohres, Vakuumverlust, Diffusion von Wasserstoff in den Zwischenraum zwischen Absorber und Glashüllrohr, können dazu führen, dass thermische Energie in großem Maßstab wieder an die Umgebung abgegeben wird, was den Wirkungsgrad des Kraftwerks signifikant senken kann.
Aus diesem Grund müssen die Absorberrohre regelmäßig überprüft werden, was aufwändig ist: typischerweise weist ein Parabolrinnenkraftwerk mit thermischem Energiespeicher für 8 Stunden mehr als 22500 Absorberrohre auf. Die Qualität der Isolierung lässt sich aus dem Zustand des Glashüllrohrs, insbesondere aus dessen Oberflächentemperatur, ableiten. Gegenwärtig gängige Praxis in einem solchen Kraftwerk ist das manuelle Messen der Oberflächentemperatur des Glashüllrohrs mit Thermalkameras.
Auch luftgestützte Verfahren als Alternative zu den manuellen Verfahren wurden entwickelt. Dabei werden wegen des geringen Rohrdurchmessers Aufnahmen der Absorberrohre aus geringer Höhe von wenigen Metern über Grund, beispielsweise maximal 15 m über Grund, erzeugt. Damit können in relativ schlecht aufgelösten Infrarot (IR)-Bildern Absorber identifiziert und die absolute Glashüllrohtemperatur mit einer Genauigkeit von 2-5 K gemessen werden.
Die EP 2579017 B1 offenbart ein Verfahren zum Positionieren einer Vorrichtung zur Überwachung eines Parameters von Parabolrinnenkollektoren eines solarthermischen Feldes aus der Luft durch ein unbemanntes Fluggerät mit einem Positionsschätzungsmodul. Dabei wird ein Bild eines Absorberrohrs mittels einer Bildgebungsvorrichtung des Positionsschätzungsmoduls erfasst. Die Vorrichtung kann eine Infrarot-Kamera für Aufnahmen eines Absorberrohrs aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes, insbesondere zur Bestimmung von Temperaturen von Absorbern von Parabolrinnenkollektoren anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein einfaches und kostengünstiges System zur Ausführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Weitere Aufgaben sind, ein Computer-Programm-Produkt und ein Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung des Feldes parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche, welche entlang ihrer Längserstreckung jeweils eine Brennpunktlinie aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr angeordnet ist.
Dabei werden wenigstens die Schritte durchgeführt:

Positionieren wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung zum Erfassen von Aufnahmen wenigstens im Infrarot-Bereich in einer vorgegebenen Höhe über dem Feld;
Erstellen von Aufnahmen von durch die Oberfläche der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren reflektierten Bildern von Absorberrohren durch die Aufnahmeeinrichtung wenigstens im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung in einer Querrichtung quer zur Längserstreckung über die Parabolrinnenkollektoren bewegt wird und die Aufnahmen in Form von zusammenhängenden Bildsequenzen von der Aufnahmeeinrichtung vorgenommen werden; und
Bestimmen einer Intensität der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen wenigstens im Infrarot-Bereich.

Erfindungsgemäß wird ein schnelles Verfahren zur Bestimmung der Zustände der Absorberrohre und zur relativen Temperaturbestimmung der Glashüllrohre der Absorberrohre bereitgestellt. Weiterhin werden bei diesem Verfahren Daten aus unbemannten Fluggeräten, wie Flugdrohnen verwendet.
Ein wesentlicher Vorteil liegt in der indirekten Detektion von defekten Absorberrohren über die Reflektion des Glashüllrohrs an der spiegelnden Oberfläche des jeweiligen Parabolrinnenkollektors.
Die Verwendung einer Flughöhe von ca. 120 m statt wenigen Metern über Grund, wie im Stand der Technik, sowie einer Flugroute, quer in Ost-West Richtung, also quer zu den Parabolrinnenkollektoren anstatt längs in Nord-Süd Richtung, wie im Stand der Technik, weisen entscheidende Vorteile auf. Die damit erhobenen Daten werden ausgewertet, indem der Reflex, das Bild des Absorberrohres auf der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors radiometrisch untersucht wird.
Dadurch steht ein Bildsignal eines Absorberrohres, welches typischerweise eine Länge von 4 m und einen Durchmesser von 0,12 m aufweist, auf einer Größe von ca. 6 m x 4 m, statt bisher 0,12 m x 4 m zur Verfügung, was die Erhöhung der Flugroute und damit die Beschleunigung des Verfahrens ermöglicht.
Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit, möglichst genaue absolute Temperaturen zu bestimmen, deren Werte auch stark von den Umgebungsbedingungen abhängen. Vielmehr kann eine Bestimmung relativer Temperaturen erfolgen, welche für die Bewertung des solarthermischen Feldes zunächst ausreichend ist.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung von günstigen Infrarot-Kameras und einer handelsüblichen kostengünstigen Drohne für die Durchführung der Aufnahmen. Möglich ist die Verwendung von „Hobby-Drohnen“, die sich durch sehr einfache Handhabung und geringe Kosten auszeichnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine sehr kurze Messzeit aus. Durch die Erhöhung der Flughöhe ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Ersparnis um einen Faktor zehn, sodass sich typischerweise eine Bestimmung des Zustands eines solarthermischen Feldes üblicher Größe in vier Flügen mit je ca. 15 Minuten Flugzeit durchführen lässt.
Weiter vorteilhaft ist eine mögliche weitgehend vollautomatische Auswertung der Messdaten. Bei einer Messung werden beispielsweise maximal acht verschiedene, aber in sich zusammenhängende Bildsequenzen aufgenommen. Die bisher übliche manuelle Vororientierung des jeweils ersten Einzel-Bildes, auch Frame genannt, der Bildsequenz kann dabei automatisiert werden.
Vorteilhaft ist auch eine geringere Beeinflussung der Messdaten durch Umgebungsstrahlung. Die Detektion der indirekten, über den Parabolrinnenkollektor zur Kamera reflektierten Infrarot-Strahlung bringt entscheidende Vorteile mit sich. Es wird nur die Strahlung von der Kamera empfangen, welche die Oberfläche des Absorberrohrs senkrecht verlässt. Dadurch findet mit der Aufnahme eine räumliche Filterung sowohl des winkelabhängigen Emissionsgrads als auch der Hintergrundstrahlung statt. Der Hintergrund ist deshalb völlig neutral, da nur der kalte Himmel gesehen wird und das mit der Aufnahme erfasste Profil des Absorberrohrs, d.h. der Querschnitt durch das Absorberrohr, sehr homogen ist. Der Reflexionsgrad der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors kann dabei in dem entsprechenden Spektralbereich berücksichtigt werden, um die Abschwächung des Messsignals zu quantifizieren.
Im Stand der Technik ist die Zustandserfassung sowie Betrieb und Wartung von solarthermischen Parabolrinnenkraftwerken durch einen hohen manuellen Aufwand und eine unzureichende Datenlage gekennzeichnet. Insbesondere die Wärmeverluste der Absorberrohre stellen ein ungelöstes Problem dar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht erstmals die Möglichkeit, diese Messung robust, kostengünstig und, je nach verwendeter Hardware, mit sehr guter Genauigkeit anzubieten. Vorteilhaft für die Betreiber kann die Messung durch die verkürzte Messdauer am wöchentlich, mindestens aber monatlich durchgeführt werden. Hierdurch können akute Schäden und Degradationsprozesse protokolliert werden oder auch entstehende Schäden frühzeitig erkannt werden.
Das Verfahren lässt sich in allen bestehenden Kraftwerken als Teil der Betriebsroutine integrieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Verfahren als Software in die Betriebsroutine zu integrieren.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine vergrößerte Darstellung der Absorberrohre als eine Abwicklung der Abbildung der Absorberrohre auf der Oberfläche des Parabolrinnenkollektors erzeugt werden. Durch die Abbildung des Absorberrohrs auf der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors wird ein Bildsignal eines Absorberrohres dargestellt. Ein handelsübliches Absorberrohr weist typischerweise eine Länge von 4 m und einen Durchmesser von 0,12 m auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Absorberrohr durch die Aufnahmetechnik als Abwicklung der Abbildung auf einer Größe von ca. 6 m x 4 m, statt bisher 0,12 m x 4 m dargestellt werden. Damit kann eine wesentlich größere Aufnahmeentfernung durch eine höhere Flughöhe eingestellt werden, wodurch sich eine deutliche Beschleunigung bei der Messdurchführung des ganzen Feldes erzielen lässt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Positionieren der wenigstens einen Aufnahmeeinrichtung zum Erfassen von Aufnahmen wenigstens im Infrarot-Bereich so in einer vorgegebenen Höhe über dem Feld erfolgen, dass ein Segment des Feldes mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren gleichzeitig von der Aufnahmeeinrichtung erfasst wird. Durch die gleichzeitig erfolgende Aufnahme von mehreren Parabolrinnenkollektoren kann die Messzeit zur Bestimmung des Zustandes des gesamten solarthermischen Feldes vorteilhaft verkürzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung für Aufnahmen im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich ausgebildet sein. Dabei können wenigstens die Schritte durchgeführt werden:

Positionieren der wenigstens einen Aufnahmeeinrichtung zum Erfassen von Aufnahmen im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich in der vorgegebenen Höhe über dem Feld;
Erstellen von Aufnahmen von durch die Oberfläche der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren reflektierten Absorberrohren durch die Aufnahmeeinrichtung im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung in der Querrichtung quer zur Längserstreckung über die Parabolrinnenkollektoren bewegt wird; und
Bestimmen der Intensität der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich.

Durch die Kombination von Bildinformation im sichtbaren Bereich (RGB-Bereich) mit Bildinformation im Infrarot-Bereich (IR-Bereich) können vorteilhaft auch Infrarot-Kameras mit geringerer Bildauflösung eingesetzt werden. Dadurch lassen sich wesentliche Kostenvorteile bei der Auslegung des Messsystems erzielen. Solche Infrarot-Kameras benötigen zudem relativ wenig Bauraum und weisen günstiges geringes Gewicht auf.
Vorteilhaft ist eine Extrahierung von möglichst gut synchronisierten Einzel-Bilder aus den Video-Aufnahmen der Aufnahmeeinrichtung. Mit einer geeigneten Software können aus den Video-Aufnahmen einzelne Bilder mit möglichst geringen Kompressionsverlusten extrahiert werden.
Die Kameras im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich arbeiten üblicherweise mit unterschiedlichen Bildfrequenzen, daher ist eine möglichst gute Synchronisation der Einzel-Bilder vorteilhaft. Typischerweise arbeitet eine RGB-Kamera mit 30 Hz, während eine IR-Kamera beispielsweise mit 8,7 Hz arbeitet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zur radiometrischen Auswertung der Aufnahmen im sichtbaren Bereich und/oder im infraroten Bereich wenigstens die Schritte durchgeführt werden:

Einlesen von Temperaturdaten des Wärmeträgerfluids zum Zeitpunkt der Aufnahmen;
Bestimmen einer Position der Aufnahmeeinrichtung relativ zu dem jeweiligen Absorberrohr;
Erstellen von Orthobildern einer Aperturfläche des jeweiligen Parabolrinnenkollektors aus den Aufnahmen im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich; und
Bestimmen der Geometrie des jeweiligen Parabolrinnenkollektors, sowie Nachführen aus der Position der Aufnahmeeinrichtung und den Orthobildern.

Unter Orthobilder ist die, zumindest weitgehend, verzerrungsfreie und maßstabsgetreue Abbildung der Apertur-Fläche des Parabolrinnenkollektors zu verstehen. Orthobilder können für den IR-Bereich und den sichtbaren RGB-Bereich generiert werden.
Das Bestimmen der Position der Aufnahmeeinrichtung relativ zu dem jeweiligen Parabolrinnenkollektor kann beispielsweise über Methoden der Bildverarbeitung und photogrammetrischen Bündelblockausgleichung erfolgen, wie dies beispielsweise aus der DE 102011080969 A1 bekannt ist.
Dort ist beschrieben, dass bei Bildern, die aus der Luft aufgenommen werden, die dreidimensionale Position jeder charakteristischen Form über eine erneute photogrammetrische Auswertung der Bilder mit den zweidimensionalen Bildkoordinaten einer Markierung und den zweidimensionalen Bildkoordinaten der charakteristischen Form bestimmt werden kann.
Zweckmäßig kann eine Auswertung der Aufnahmen über die Feststellung der Kameraposition und der Gewinnung von Orthobildern aus geeigneten Perspektiven erfolgen. Dafür werden beispielsweise Kraftwerksdaten aus einer Datenbank eingelesen, um insbesondere die Temperatur des Wärmeträgerfluids zum Zeitpunkt der Messung zu kennen. Die Kameraposition wird relativ zum Solarfeld bestimmt. Es werden aus den Informationen Orthobilder erstellt. Anschließend erfolgt die Berechnung der Geometrie des Parabolrinnenkollektors und der Nachführung aus der Kameraposition und den Orthobildern.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann, falls Aufnahmen im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, die Aufnahmeeinrichtung für eine geometrische Transformation der Aufnahmen im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich optisch kalibriert werden. Insbesondere können dabei Kameras der Aufnahmeeinrichtung über einen photogrammetrischen Ansatz kalibriert werden.
Um eine geometrische Transformation zwischen Aufnahmen im sichtbaren Bereich (RGB-Aufnahmen) und im Infrarot-Bereich (IR-Aufnahmen) durchführen zu können, werden die Kameras vor der Messung kalibriert. Diese Kalibration lässt sich für die RGB-Aufnahmen über einen photogrammetrischen Ansatz realisieren.
Für die Infrarot-Kamera ist dies aufgrund der geringen Auflösung nicht praktikabel. Hier können die notwendigen Daten für die Erstellung der Transformation gewonnen werden, indem Kontrollpunkte bei Aufnahmen mit der RGB-Kamera und der Infrarot-Kamera generiert werden, welche sowohl im optischen als auch im thermischen Bereich sichtbar sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zum Bestimmen der Intensität der Wärmestrahlung des Absorberrohrs wenigstens die Schritte durchgeführt werden:

Falls Aufnahmen im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, Zweidimensionales Transformieren der Aufnahme im sichtbaren Bereich in die Aufnahme im Infrarot-Bereich und Überlagerung der beiden Aufnahmen;
Erstellen der Orthobilder im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich aus den Aufnahmen im sichtbaren und/oder Infrarot-Bereich; Räumliches Zuordnen der Bildinformation der Orthobilder zu dem jeweiligen Absorberrohr; und
Bestimmen der Intensität der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs durch Mitteln der Bildinformation des Orthobildes im Infrarot-Bereich in einer Längsausdehnung des jeweiligen Absorberrohrs.

Vorteilhaft lässt sich eine zweidimensionale Transformation der Abbildung aus der RGB-Aufnahme in die IR-Aufnahme durchführen. Unter Verwendung einer durch Kalibration der Kameras bestimmten Transformations-Matrix lassen sich die zweidimensionalen Koordinaten des RGB-Orthobildes in die IR-Aufnahme überführen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zum Bestimmen der Intensität der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs weiter die Schritte durchgeführt werden:

Aufsummieren und Mitteln der Intensitätswerte von in der Querrichtung winkelversetzt aufgenommenen Orthobildern im Infrarot-Bereich über die Längsausdehnung des jeweiligen Absorberrohrs;
Korrigieren der Intensitätswerte durch Eliminieren der Hintergrundstrahlung; und
Ableiten der Intensität der Wärmestrahlung aus den gemittelten und korrigierten Intensitätswerten.

Vorteilhaft kann eine Erstellung und Analyse von Querschnitten und Histogrammen erfolgen, um die Intensität der Wärmestrahlung des Absorberrohrs zu quantifizieren, die auf diesem Wege empfangen wird. Aus den IR-Orthobildern kann ein skalarer Wert für die Intensität der Wärmestrahlung und dessen Variation bestimmt werden. Dazu werden innerhalb einer Maske des Orthobildes die Intensitätswerte in Längsrichtung des Parabolrinnenkollektors aufsummiert und gemittelt. Das daraus entstehende Profil ist weitgehend bereinigt von Bildrauschen. Ein Fit an die Flanken der Intensitätswerte ermöglicht, den Hintergrund vom Vordergrund zu unterscheiden und den Bereich der Reflektion, also der Abbildung des Absorberrohrs zu identifizieren. Hierdurch kann nun die Intensität der Wärmestrahlung in Mittelwert und Standardabweichung abgeleitet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zum Bestimmen einer absoluten Temperatur des jeweiligen Absorberrohrs wenigstens die Schritte durchgeführt werden:

- Für die Aufnahmeeinrichtung mit nicht-radiometrischen Infrarot-Kameras, Zuordnen der minimalen und maximalen Intensitätswerte der Orthobilder im Infrarot-Bereich zu vorgegebenen Erwartungswerten und Interpolieren von Zwischenwerten; und
- Für die Aufnahmeeinrichtung mit radiometrischen Infrarot-Kameras, Korrigieren eines Emissionsgrads, der Hintergrundstrahlung und eines Reflexionsgrads der Oberfläche des jeweiligen Parabolrinnenkollektors.

Vorteilhaft kann weiter eine Erstellung und Anwendung von Korrekturfunktionen erfolgen, um, insbesondere bei nicht-radiometrischen Infrarot-Kameras, zu relativen und wenn möglich zu absoluten Temperarturwerten der Absorberrohre zu kommen. Auch wenn das Hauptziel des beschriebenen Verfahrens die Klassifizierung der Absorberrohre ist, lassen sich unter Zuhilfenahme bestimmter Annahmen durchaus absolute Temperaturen bestimmen. Je nach Qualität der IR-Rohdaten (radiometrisch oder nicht-radiometrisch, Dynamik, und dergleichen) werden dazu unterschiedliche Schritte vorgeschlagen:

Bei nicht-radiometrischen Kameras entsprechen die gemessenen Intensitätswerte keinen absoluten Temperaturwerten. Hier kann jedoch eine Zuordnung stattfinden, indem die minimalen und maximalen intensitätswerte bestimmten Erwartungswerten zugeordnet werden, welche bei gegebenen Randbedingungen (Temperatur des Wärmeträgerfluids und Umgebungstemperatur) den üblichen Temperaturen der Absorberrohre entsprechen. Bereiche dazwischen können interpoliert werden.

Bei radiometrischen Kameras können neben dem Emissionsgrad noch die Hintergrundstrahlung und der Reflexionsgrad der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors im IR-Bereich korrigiert werden, um innerhalb von Messunsicherheiten absolute Temperaturen zu erhalten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann zum Klassifizieren des jeweiligen Absorberrohrs nach Wärmeverlust die Intensität der Wärmestrahlung und eine Breite eines Rechteckintegrals der Intensitätswerte des Orthobildes im Infrarot-Bereich (IR-Bereich) des jeweiligen Absorberrohrs bestimmt werden. Auch ohne die Anwendung von Korrekturfunktionen lassen sich die Absorberrohre in Klassifizierungen einteilen, indem die Intensität der Wärmestrahlung und über die Breite einer im Orthobild bestimmten Rechteckfunktion der Abbildung des jeweiligen Absorberrohrs der Durchmesser der Intensitätsprofile bestimmt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Erstellen der Aufnahmen durch die Aufnahmeeinrichtung direkt nach Sonnenuntergang durchgeführt werden.
Eine Durchführung der Messung mit Aufnahmen von Videosequenzen im RGB-Bereich und im IR-Bereich kann zweckmäßigerweise so erfolgen, dass ein geeigneter Zeitpunkt, bevorzugt nach Sonnenuntergang, besonders bevorzugt direkt nach Sonnenuntergang, gewählt wird, weil dann das Solarfeld noch Betriebstemperatur aufweist und praktisch noch nicht ausgekühlt ist. Das Wärmeträgerfluid weist dann üblicherweise eine Temperatur von mindestens 250°C auf. Dies ist vorteilhaft, weil nur bei ausreichendem Unterschied der Temperatur des Wärmeträgerfluids zur Umgebungstemperatur erhöhte Wärmeverluste detektiert werden können. Der Betrieb wird durch die Messung nicht gestört. Die Lichtverhältnisse lassen eine sehr robuste Auswertung zu. Direkt nach Sonnenuntergang bestehen auch hinsichtlich des Kontrastes in den RGB-Aufnahmen günstige Voraussetzungen. Die Kameraeinstellungen können günstigerweise insbesondere in der IR-Aufnahme dem zu erwartenden Temperaturbereich entsprechen, um den relativ schwachen Kontrast optimal aufzulösen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Aufnahmeeinrichtung mittels eines unbemannten Fluggeräts über dem solarthermischen Feld positioniert werden.
Für das vorgeschlagene Verfahren eignen sich beispielsweise vorteilhaft Flugdrohnen mit einer Nutzlast, welche einer sogenannten Dual-Kamera entspricht. Dabei handelt es sich beispielsweise um zwei in ein und dasselbe Gehäuse integrierte und kollinear ausgerichtete Kameras, von denen eine im Infrarotbereich empfindlich ist (IR), während die andere Kamera Aufnahmen im sichtbaren Bereich (RGB) ermöglicht. Ein geeigneter Spektralbereich der IR-Kamera, in dem Glasrohre der Absorber üblicherweise opak und nicht mehr transparent sind, liegt bei einem für ungekühlte VOx Mikrobolometer üblichen Spektralband von 8-14 µm.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Erstellen der Aufnahmen mittels eines mäanderförmigen Flugmusters über dem solarthermischen Feld erfolgen.
Diese Flugrouten entsprechen dabei weitgehend der einfacher Mäanderflüge in ca. 120 m Flughöhe, von Ost nach West über das Solarfeld. Die Videofilme werden dabei entlang der Strecken in ost-westlicher Richtung aufgenommen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Erstellen der Aufnahmen bei einer Flugbewegung in der Querrichtung der Parabolrinnenkollektoren des solarthermischen Feldes erfolgen. Da die Parabolrinnenkollektoren mit ihrer Längserstreckung üblicherweise in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind, findet die Flugbewegung in der Querrichtung in Ost-West-Richtung statt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Erstellen der Aufnahmen in einer Flughöhe von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe von etwa 120 m, erfolgen. Die relativ große Flughöhe für Drohnen kann aufgrund der Vergrößerung der Bilder des Absorberrohrs durch die Abbildung auf der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors gewählt werden. Dadurch können mehrere Parabolrinnenkollektoren gleichzeitig erfasst werden, wodurch sich die Messzeit vorteilhaft verkürzen lässt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgeschlagen zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung des Feldes parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche. Das System umfasst wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung für Aufnahmen wenigstens im Infrarot-Bereich, insbesondere für Aufnahmen im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich; sowie ein unbemanntes Fluggerät, an welchem die Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist.
Für das vorgeschlagene System eignen sich beispielsweise vorteilhaft Flugdrohnen mit einer Nutzlast, welche einer sogenannten Dual-Kamera entspricht. Dabei handelt es sich um zwei in ein und dasselbe Gehäuse integrierte und kollinear ausgerichtete Kameras, von denen eine im Infrarotbereich empfindlich ist (IR), während die andere Kamera Aufnahmen im sichtbaren Bereich (RGB) ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist jedoch auch eine Verwendung von getrennten Kameras im RGB-Bereich und im IR-Bereich möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Systems kann das unbemannte Fluggerät ausgebildet sein, ein mäanderförmiges Flugmuster über dem solarthermischen Feld abzufliegen, insbesondere autonom abzufliegen.
Diese Flugrouten entsprechen dabei weitgehend der einfacher Mäanderflüge in ca. 120 m Flughöhe, von Ost nach West über das Solarfeld. Die Videofilme werden dabei entlang der Strecken in ost-westlicher Richtung aufgenommen. Vorteilhaft kann die Flugroute vorab in das System einprogrammiert oder drahtlos übertragen werden, sodass der gesamte Messablauf autonom erfolgen kann. Auch ein automatisches Starten und Landen des Fluggeräts ist so möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Systems kann das unbemannte Fluggerät ausgebildet sein, in einer Flughöhe von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe von etwa 120 m über dem solarthermischen Feld zu fliegen.
Die relativ große Flughöhe für Drohnen kann aufgrund der Vergrößerung der Bilder des Absorberrohrs durch die Abbildung auf der spiegelnden Oberfläche des Parabolrinnenkollektors gewählt werden. Dadurch können mehrere Parabolrinnenkollektoren gleichzeitig erfasst werden, wodurch sich die Messzeit vorteilhaft verkürzen lässt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computer-Programm-Produkt vorgeschlagen für ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung des Feldes parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche, welche entlang ihrer Längserstreckung jeweils eine Brennpunktlinie aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr angeordnet ist.
Dabei umfasst das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen.
Dabei werden wenigstens die Schritte ausgeführt:

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms vorgeschlagen, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes mit einer Vielzahl von aufeinander folgend und in einer Querrichtung des Feldes parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche, welche entlang ihrer Längserstreckung jeweils eine Brennpunktlinie aufweisen, in der jeweils ein Absorberrohr angeordnet ist, auszuführen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 ein solarthermisches Feld mit einer Vielzahl von Parabolrinnenkollektoren mit darüber gelegtem Flugmuster zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines Zustands des Feldes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Reihe mit in einer Längsrichtung des Feldes aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren nach 1 ;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schemahafte Darstellung der Positionierung der Aufnahmeeinrichtung zu einem Parabolrinnenkollektor bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie die Position der Reflektion des Absorberrohrs in der Spiegelfläche bei gegebener Position der Aufnahmeeinrichtung;
5 Aufnahmen von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren im sichtbaren Bereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
6 Aufnahmen von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren im Infrarot-Bereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
7 Aufnahmen von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich zusammen mit einem daraus extrahierten Orthobild im Infrarot-Bereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
8 ein Orthobild im Infrarot-Bereich mit Auswahl der Intensität für ein bestimmtes Absorberrohr nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung im Orthobild;
10 eine schematische Darstellung einer Klassifizierung der Intensitäten für Absorberrohre;
11 eine schematische Darstellung einer Klassifizierung der Absorberrohre anhand der Intensität des IR-Signals und des Durchmessers, welcher aus einer Rechteckfunktion, der Flughöhe und der Geometrie eines Parabolrinnenkollektors abgeleitet werden kann; und
12 ein System zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes mit einem unbemannten Fluggerät und einer Aufnahmeeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt ein solarthermisches Feld 100 mit einer Vielzahl von Parabolrinnenkollektoren 10 mit darüber gelegtem Flugmuster 52 zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines Zustands des Feldes 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Feld 100 weist eine Vielzahl von Reihen von Parabolrinnenkollektoren 10 auf, die in einer Längsrichtung 110 des Feldes 100 aufeinander folgen, wobei die Reihen in einer Querrichtung 120 des Feldes 100 parallel angeordnet sind. Die Parabolrinnenkollektoren 10 weisen jeweils eine spiegelnden Reflektor-Oberfläche 16 auf, welche entlang ihrer Längserstreckung 72 jeweils eine Brennpunktlinie 14 aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr 20 angeordnet ist.
In 2 ist dazu eine Reihe von in einer Längsrichtung 110 des Feldes 100 aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren 10 aus 1 dargestellt, die jeweils durch eine Pylon zur Lagerung 12 getrennt sind.
3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass wenigstens die Schritte durchgeführt werden: Positionieren wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung 30 zum Erfassen von Aufnahmen 44 wenigstens im Infrarot-Bereich in einer vorgegebenen Höhe 54 über dem Feld 100 in einem ersten Schritt S100;
Erstellen von Aufnahmen 44 von durch die Oberfläche 16 der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren 10 reflektierten Bildern von Absorberrohren 20 durch die Aufnahmeeinrichtung 30 wenigstens im Infrarot-Bereich in Schritt S102, wobei die Aufnahmeeinrichtung 30 in einer Querrichtung 70 quer zur Längserstreckung 72 über die Parabolrinnenkollektoren 10 bewegt wird in Schritt S104 und die Aufnahmen 44 in Form von zusammenhängenden Bildsequenzen von der Aufnahmeeinrichtung 30 vorgenommen werden in Schritt S106; und daraus
Bestimmen einer Intensität 60 der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs 20 durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen 44 wenigstens im Infrarot-Bereich in Schritt S108.
Die Schritte S104 und S106 werden dabei bei einem Flug der Aufnahmeeinrichtung 30 mit einem Fluggerät 50 über das Feld 100 kontinuierlich durchgeführt.
Insbesondere kann die Aufnahmeeinrichtung nicht nur für Infrarot-Aufnahmen (IR-Aufnahmen) ausgebildet sein, sondern auch für Aufnahmen im sichtbaren Bereich (RGB-Aufnahmen). Durch die Kombination von Bildinformation im sichtbaren Bereich mit Bildinformation im Infrarot-Bereich können vorteilhaft auch Infrarot-Kameras mit geringerer Bildauflösung eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die Bildbearbeitung zur Bestimmung der Kameraposition in den deutlich kontrastreicheren und besser aufgelösten RGB Bildern durchführen. Dadurch lassen sich wesentliche Kostenvorteile bei der Auslegung des Messsystems erzielen. Solche Infrarot-Kameras benötigen auch weniger Bauraum und weisen geringeres Gewicht auf, was für den Betrieb vorteilhaft ist.
Hierzu ist in 1 das Flugmuster 52 zur Erhebung der Daten eingezeichnet, welche für das hier beschriebene Verfahren notwendig sind. Die Aufnahmeeinrichtung 30 wird mittels eines unbemannten Fluggeräts 50 über dem solarthermischen Feld 100 positioniert. Das Erstellen der Aufnahmen erfolgt mittels eines mäanderförmigen Flugmusters 52 über dem solarthermischen Feld 100. Die Flugbewegung erfolgt in der Querrichtung 70 der Parabolrinnenkollektoren 10 des solarthermischen Feldes 100. Die Aufnahmen 42, 44 erfolgen in einer Flughöhe 54 von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe 54 von etwa 120 m, in Bildsequenzen. Die Videofilme werden dabei entlang der Strecken in Querrichtung 120, also in ost-westlicher Richtung aufgenommen. Das Erstellen der Aufnahmen 42, 44 durch die Aufnahmeeinrichtung 30 wird vorteilhaft direkt nach Sonnenuntergang durchgeführt.
Das Positionieren der Aufnahmeeinrichtung 30 zum Erfassen von Aufnahmen 44 wenigstens im Infrarot-Bereich kann so in einer vorgegebenen Höhe 54 über dem Feld 100 erfolgen, dass ein Segment des Feldes 100 mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren 10 gleichzeitig von der Aufnahmeeinrichtung 30 erfasst wird.
In 2 sind die in einer Längserstreckung 72, mit Y gekennzeichnet, aufeinander folgenden Parabolrinnenkollektoren 10 mit spiegelnden Reflektor-Oberfläche 16 angeordnet, welche entlang ihrer Längserstreckung 72 jeweils eine Brennpunktlinie 14 aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr 20 angeordnet ist. Die Absorberrohre 20 sind über Halter 24 mit dem Parabolrinnenkollektor 10 verbunden. Ein Absorberrohr 20 weist typischerweise eine Längsausdehnung 22 von 4 m auf. Die Querrichtung 70, mit X gekennzeichnet, in welcher die Aufnahmen mit der Aufnahmeeinrichtung 30 vorgenommen werden, ist ebenfalls markiert.
4 zeigt eine schemahafte Darstellung der Positionierung der Aufnahmeeinrichtung 30 zu einem Parabolrinnenkollektor 10 bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Aufnahmeeinrichtung 30 sieht beim Überflug des Parabolrinnenkollektors 10 eine in Flugrichtung vergrößerte Darstellung der Absorberrohre 20 als eine Abwicklung 49 der der Absorberrohre 20 auf der Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 10.
Die Verwendung einer Flughöhe 54 von einer großen Höhe von ca. 120 m über Grund sowie einer Flugroute 52, quer in Ost-West Richtung, also quer zu den Parabolrinnenkollektoren 20 anstatt längs in Nord-Süd Richtung, wie im Stand der Technik, weisen entscheidende Vorteile auf. Die damit erhobenen Daten werden ausgewertet, indem der Reflex, das Bild 48 des Absorberrohres 20 auf der spiegelnden Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 20 radiometrisch untersucht wird. Durch die Abbildung des Absorberrohrs 20 auf der spiegelnden Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 10 wird ein Bildsignal eines Absorberrohres 20, welches typischerweise eine Länge von 4 m und einen Durchmesser von 0,12 m aufweist, auf einer Größe von ca. 6 m x 4 m, statt bisher 0,12 m x 4 m dargestellt.
Zur radiometrischen Auswertung der Aufnahmen 42, 44 im sichtbaren Bereich und/oder im infraroten Bereich werden wenigstens die Schritte durchgeführt:

Einlesen von Temperaturdaten des Wärmeträgerfluids zum Zeitpunkt der Aufnahmen 42, 44;
Bestimmen einer Position der Aufnahmeeinrichtung 30 relativ zu dem jeweiligen Absorberrohr 20;
Erstellen von Orthobildern 43, 45 einer Aperturfläche des jeweiligen Parabolrinnenkollektors 10 aus den Aufnahmen 42, 44 im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich; sowie
Bestimmen der Geometrie des jeweiligen Parabolrinnenkollektors 10, sowie Nachführen aus der Position der Aufnahmeeinrichtung 30 und den Orthobildern 43, 45.

Um in den IR-Orthobildern 45 die Intensität einem spezifischen Absorberrohr 20 zuordnen zu können, werden mithilfe der relativen Position von Aufnahmeeinrichtung 30, spiegelnder Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 10 und Absorberrohr 20 die Bereiche auf der Oberfläche 16 bestimmt, welche den Reflex eine bestimmten Absorberrohrs 20 zeigen, wie in 4 dargestellt.
Falls Aufnahmen 42 im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, wird die Aufnahmeeinrichtung 30 für eine geometrische Transformation der Aufnahmen 42, 44 im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich optisch kalibriert. Insbesondere werden dabei die Kameras 32, 34 der Aufnahmeeinrichtung 30 über einen photogrammetrischen Ansatz kalibriert.
Zum Bestimmen der Intensität 60 der Wärmestrahlung des Absorberrohrs 20 werden wenigstens die Schritte durchgeführt:

Falls Aufnahmen 42 im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, Zweidimensionales Transformieren der Aufnahme 42 im sichtbaren Bereich in die Aufnahme 44 im Infrarot-Bereich und Überlagerung der beiden Aufnahmen 42, 44;
Erstellen der Orthobilder 43, 45 im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich aus den Aufnahmen 42, 44 im sichtbaren und/oder Infrarot-Bereich;
Räumliches Zuordnen der Bildinformation der Orthobilder 43, 45 zu dem jeweiligen Absorberrohr 20; und
Bestimmen der Intensität 60 der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs 20 durch Mitteln der Bildinformation des Orthobildes 45 im Infrarot-Bereich in einer Längsausdehnung 22 des jeweiligen Absorberrohrs 20.

Weiter erfolgt zum Bestimmen der Intensität 60 der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs 20 in einem ersten Schritt das Aufsummieren und Mitteln der Intensitätswerte von in der Querrichtung 70 winkelversetzt aufgenommenen Orthobildern 45 im Infrarot-Bereich über die Längsausdehnung 22 des jeweiligen Absorberrohrs 20. Sodann erfolgt in einem weiteren Schritt das Korrigieren der Intensitätswerte durch Eliminieren der Hintergrundstrahlung. Als letzter Schritt erfolgt das Ableiten der Intensität 60 der Wärmestrahlung aus den gemittelten und korrigierten Intensitätswerten.
In den 5 und 6 sind Aufnahmen 42, 44 von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren 10 im sichtbaren Bereich (5) und in im Infrarot-Bereich (6) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
Helle Streifen 65 in der RGB-Aufnahme 42 in 5 entsprechen einer Reflektion des Himmels, dunkle Streifen 66 stellen den Boden dar. In der IR-Aufnahme 44 in 6 entsprechen helle Streifen 63 dem warmen Boden, während der Himmel aufgrund der niedrigen Temperatur im IR-Bereich als dunkler Streifen 62 dargestellt wird. Eine Schattenlinie 67 in der RGB-Aufnahme 42 in 5 entspricht der Abbildung eines Absorberrohrs 20, welche auch in der IR-Aufnahme 44 in 6 als Schatten 64 abgebildet wird. Das Glashüllrohr eines Absorberrohrs 20 stellt sich in der IR-Aufnahme 44 opak dar. Dies kann abhängig von Glastyp und dem Spektralband der IR Kamera sein.
7 zeigt nebeneinandergestellt Aufnahmen 42, 44 von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren 10 im sichtbaren Bereich (links in der Figur) und im Infrarot-Bereich (in der Mitte der Figur) zusammen mit einem daraus extrahierten Orthobild 45 im Infrarot-Bereich (rechts in der Figur).
RGB-Aufnahmen 42 und IR-Aufnahmen 44 sind jeweils teilweise überlagert mit einer Maske 40 zur Erzeugung der Orthobilder 43, 45. In der IR-Aufnahme 44 ist diese Maske 40 wegen der unzureichenden Korrektur der radialsymmetrischen Verzeichnung noch nicht korrekt platziert. Die Helligkeitsvariation des mittels des RGB-Orthobildes 43 erzeugten IR-Orthobildes 45 liefert Information über den Zustand der Absorberrohre 20.
In 8 ist ein Orthobild 45 im Infrarot-Bereich mit Auswahl 46 der Intensität für ein bestimmtes Absorberrohr 20 dargestellt. Das Orthobild 45 ist in der Längsrichtung 72 stark komprimiert im Vergleich zu der Querrichtung 70. In Querrichtung 70 entspricht das Orthobild 45 der Abwicklung 49 (4) der Abbildung eines Absorberrohrs 20 auf der spiegelnden Reflektor-Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 10 von ca. 6 m. In der Längsrichtung 72 entspricht das Orthobild 45 beispielsweise 36 Parabolrinnenkollektoren 10 mit jeweils einer Länge von ca. 4 m und deckt damit inklusive der Trennungen 12 (2) zwischen den Parabolrinnenkollektoren 10 eine Breite von ca. 150 m ab.
Das abgebildete Orthobild 45 gibt in diesem speziellen Fall keine Rechteckfunktion wieder, da der Reflex die ganze spiegelnde Oberfläche 16 des Parabolrinnenkollektors 10 ausfüllt. In einer Serie von Orthobildern 45 lässt sich aber beobachten, wie der Reflex von der einen Seite in die Oberfläche 16 hineinläuft und auf der anderen Seite wieder hinaus. Auf diese Weise lassen sich Reflex und Hintergrund sehr gut unterscheiden.
Vorteilhaft kann eine Erstellung und Analyse von Querschnitten und Histogrammen erfolgen, um die Intensität der Wärmestrahlung des Absorberrohrs 20 zu quantifizieren, die auf diesem Wege empfangen wird.
Aus den IR-Orthobildern 45 kann ein skalarer Wert für die Intensität 60 der Wärmestrahlung und dessen Variation bestimmt werden. Dazu werden innerhalb einer Maske 40 des Orthobildes 45 die Intensitätswerte 60 in Längserstreckung des Parabolrinnenkollektors 20 aufsummiert und gemittelt. Das daraus entstehende Profil ist weitgehend bereinigt von Bildrauschen. Ein Fit an die Flanken der Intensitätswerte 60 ermöglicht es, den Hintergrund vom Vordergrund zu unterscheiden und den Bereich der Reflexion, also der Abbildung des Absorberrohrs 20 auf der Oberfläche 16, zu identifizieren. Hierdurch kann nun der Mittelwert und die Standardabweichung der Intensität 60 der Wärmestrahlung in abgeleitet werden.
9 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung 60 im Orthobild 45. Eine solche Intensitätsverteilung 60 wäre zu erwarten, wenn der Reflex des Absorberrohrs 20 nicht die ganze Oberfläche 16 ausfüllen würde.
Eine absolute Temperatur des jeweiligen Absorberrohrs 20 kann folgendermaßen bestimmt werden.
Für die Aufnahmeeinrichtung 30 mit nicht-radiometrischen Kameras 32, 34 erfolgt ein Zuordnen der minimalen und maximalen Intensitätswerte der Orthobilder 45 im Infrarot-Bereich zu vorgegebenen Erwartungswerten und ein Interpolieren von Zwischenwerten.
Für die Aufnahmeeinrichtung 30 mit radiometrischen Kameras 32, 34 erfolgt ein Korrigieren eines Emissionsgrads, der Hintergrundstrahlung und eines Reflexionsgrads der Oberfläche 16 des jeweiligen Parabolrinnenkollektors 10.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Klassifizierung der Intensitäten für Absorberrohre 20, während in 11 eine schematische Darstellung einer Klassifizierung der Absorberrohre anhand der Intensität 60 des IR-Signals und des Durchmessers, welcher aus einer Rechteckfunktion, der Flughöhe 54 und der Geometrie eines Parabolrinnenkollektors 10 abgeleitet werden kann.
Zum Klassifizieren des jeweiligen Absorberrohrs 20 nach Wärmeverlust werden die Intensität 60 der Wärmestrahlung und eine Breite eines Rechteckintegrals der Intensitätswerte des Orthobildes 45 im Infrarot-Bereich des jeweiligen Absorberrohrs 20 bestimmt.
Beispielsweise lassen sich die Absorberrohre 20 so mindestens in folgende Klassifizierung einteilen, indem die Intensität 60 und über die Breite der Rechteckfunktion der Durchmesser bestimmt werden:

Intakte Absorberrohre werden klassifiziert mit Intensität Klasse I, Durchmesser Klasse II.

Absorberrohre mit erhöhten Wärmeverlusten werden klassifiziert mit Intensität Klasse II, Durchmesser Klasse II.
Defekte Absorberrohre (kompletter Vakuumverlust, aber Glashüllrohr intakt) werden klassifiziert mit Intensität Klasse III, Durchmesser Klasse II.
Absorberrohre mit gebrochenem Glashüllrohr werden klassifiziert mit Intensität Klasse III, Durchmesser Klasse I.
In 12 ist ein System 200 zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes 100 mit einem unbemannten Fluggerät 50 und einer Aufnahmeeinrichtung 30 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Das System 200 umfasst wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung 30 für Aufnahmen 44 wenigstens im Infrarot-Bereich, insbesondere für Aufnahmen 42, 44 im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich sowie das unbemannte Fluggerät 50, an welchem die Aufnahmeeinrichtung 30 angeordnet ist.
Das unbemannte Fluggerät 50 ist ausgebildet, ein mäanderförmiges Flugmuster 52 über dem solarthermischen Feld 100 abzufliegen, insbesondere autonom abzufliegen. Weiter ist das unbemannte Fluggerät 50 ausgebildet, in einer Flughöhe 54 von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe 54 von etwa 120 m über dem solarthermischen Feld 100 zu fliegen.
Für das vorgeschlagene Verfahren eignen sich beispielsweise vorteilhaft Flugdrohnen 50 mit einer Nutzlast, welche einer sogenannten Dual-Kamera 30 entspricht. Dabei handelt es sich um zwei in ein und dasselbe Gehäuse integrierte und kollinear ausgerichtete Kameras 32, 34, von denen eine Kamera 34 im Infrarotbereich empfindlich ist (IR), während die andere Kamera 32 Aufnahmen im sichtbaren Bereich (RGB) empfindlich ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist jedoch auch eine Verwendung von getrennten Kameras 32, 34 im RGB-Bereich und im IR-Bereich möglich.
Auflösungen von IR-Kameras 34 betragen beispielsweise 640 x 512 Pixel. Vollintegriere Drohnen 50 weisen häufig eine sehr geringe Auflösung im IR-Bereich von beispielsweise 160 x 120 Pixel auf.
Die in 12 dargestellte Ausführungsform entspricht dabei einer handelsüblichen Drohne 50 für den Hobby-Bereich.
Bezugszeichenliste

10: Parabolrinnenkollektor
12: Trennung
14: Brennpunktlinie
16: Oberfläche
20: Absorberrohr
22: Längausdehnung Absorberrohr
24: Halter Absorberrohr
30: Aufnahmeeinrichtung
32: Kamera sichtbarer Bereich
34: Kamera IR-Bereich
40: Maske für Orthobild
42: Abbildung im sichtbaren Bereich
43: Orthobild im sichtbaren Bereich
44: Abbildung im IR-Bereich
45: Orthobild im IR-Bereich
46: Intensität eines Absorberrohrs
48: Abbild Absorberrohr auf Oberfläche
49: Abwicklung Abbild im Spiegel
50: Fluggerät
52: Flugmuster
54: Flughöhe
60: Intensität Wärmestrahlung
62: IR-Bild Himmel
63: IR-Bild Boden
64: IR-Bild Absorberrohr
65: Bild Himmel
66: Bild Boden
67: Bild Absorberrohr
70: Querrichtung Parabolrinnenkollektor
72: Längserstreckung Parabolrinnenkollektor
76: Breite Intensitätsverteilung
80: Anzahl
100: solarthermisches Feld
110: Längsrichtung
120: Querrichtung
200: System

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2579017 B1 [0006]
DE 102011080969 A1 [0033]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes (100) mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung (120) des Feldes (100) parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche (16), welche entlang ihrer Längserstreckung (72) jeweils eine Brennpunktlinie (14) aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr (20) angeordnet ist, wobei wenigstens die Schritte durchgeführt werden - Positionieren wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung (30) zum Erfassen von Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich in einer vorgegebenen Höhe (54) über dem Feld (100); - Erstellen von Aufnahmen (44) von durch die Oberfläche (16) der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren (10) reflektierten Bildern von Absorberrohren (20) durch die Aufnahmeeinrichtung (30) wenigstens im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung (30) in einer Querrichtung (70) quer zur Längserstreckung (72) über die Parabolrinnenkollektoren (10) bewegt wird und die Aufnahmen (44) in Form von zusammenhängenden Bildsequenzen von der Aufnahmeeinrichtung (30) vorgenommen werden; - Bestimmen einer Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine vergrößerte Darstellung der Absorberrohre (20) als eine Abwicklung (49) der Abbildung (48) der Absorberrohre (20) auf der Oberfläche (16) des Parabolrinnenkollektors (10) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Positionieren der wenigstens einen Aufnahmeeinrichtung (30) zum Erfassen von Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich so in einer vorgegebenen Höhe (54) über dem Feld (100) erfolgt, dass ein Segment des Feldes (100) mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) gleichzeitig von der Aufnahmeeinrichtung (30) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung (30) für Aufnahmen im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich ausgebildet ist, wobei wenigstens die Schritte durchgeführt werden - Positionieren der wenigstens einen Aufnahmeeinrichtung (30) zum Erfassen von Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich in der vorgegebenen Höhe (54) über dem Feld (100); - Erstellen von Aufnahmen (42, 44) von durch die Oberfläche (16) der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren (10) reflektierten Absorberrohren (20) durch die Aufnahmeeinrichtung (30) im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung (30) in der Querrichtung (70) quer zur Längserstreckung (72) über die Parabolrinnenkollektoren (10) bewegt wird; - Bestimmen der Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur radiometrischen Auswertung der Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und/oder im infraroten Bereich wenigstens die Schritte durchgeführt werden - Einlesen von Temperaturdaten des Wärmeträgerfluids zum Zeitpunkt der Aufnahmen (42, 44); - Bestimmen einer Position der Aufnahmeeinrichtung (30) relativ zu dem jeweiligen Parabolrinnenkollektor (10); - Erstellen von Orthobildern (43, 45) einer Aperturfläche des jeweiligen Parabolrinnenkollektors (10) aus den Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich; - Bestimmen der Geometrie des jeweiligen Parabolrinnenkollektors (10), sowie Nachführen aus der Position der Aufnahmeeinrichtung (30) und den Orthobildern (43, 45).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, falls Aufnahmen (42) im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, die Aufnahmeeinrichtung (30) für eine geometrische Transformation der Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich optisch kalibriert wird, insbesondere wobei Kameras (32, 34) der Aufnahmeeinrichtung (30) über einen photogrammetrischen Ansatz kalibriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der Intensität (60) der Wärmestrahlung des Absorberrohrs (20) wenigstens die Schritte durchgeführt werden - Falls Aufnahmen (42) im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden, Zweidimensionales Transformieren der Aufnahme (42) im sichtbaren Bereich in die Aufnahme (44) im Infrarot-Bereich und Überlagerung der beiden Aufnahmen (42, 44); - Erstellen der Orthobilder (43, 45) im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich aus den Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren und/oder Infrarot-Bereich; - Räumliches Zuordnen der Bildinformation der Orthobilder (43, 45) zu dem jeweiligen Absorberrohr (20); - Bestimmen der Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) durch Mitteln der Bildinformation des Orthobildes (45) im Infrarot-Bereich in einer Längsausdehnung (22) des jeweiligen Absorberrohrs (20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) weiter die Schritte durchgeführt werden - Aufsummieren und Mitteln der Intensitätswerte von in der Querrichtung (70) winkelversetzt aufgenommenen Orthobildern (45) im Infrarot-Bereich über die Längsausdehnung (22) des jeweiligen Absorberrohrs (20); - Korrigieren der Intensitätswerte durch Eliminieren der Hintergrundstrahlung; - Ableiten der Intensität (60) der Wärmestrahlung aus den gemittelten und korrigierten Intensitätswerten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen einer absoluten Temperatur des jeweiligen Absorberrohrs (20) wenigstens die Schritte durchgeführt werden - Für die Aufnahmeeinrichtung (30) mit nicht-radiometrischen Kameras (32, 34), Zuordnen der minimalen und maximalen Intensitätswerte der Orthobilder (45) im Infrarot-Bereich zu vorgegebenen Erwartungswerten und Interpolieren von Zwischenwerten; - Für die Aufnahmeeinrichtung (30) mit radiometrischen Kameras (32, 34), Korrigieren eines Emissionsgrads, der Hintergrundstrahlung und eines Reflexionsgrads der Oberfläche (16) des jeweiligen Parabolrinnenkollektors (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Klassifizieren des jeweiligen Absorberrohrs (20) nach Wärmeverlust die Intensität (60) der Wärmestrahlung und eine Breite eines Rechteckintegrals der Intensitätswerte des Orthobildes (45) im Infrarot-Bereich des jeweiligen Absorberrohrs (20) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erstellen der Aufnahmen (42, 44) durch die Aufnahmeeinrichtung (30) direkt nach Sonnenuntergang durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmeeinrichtung (30) mittels eines unbemannten Fluggeräts (50) über dem solarthermischen Feld (100) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erstellen der Aufnahmen mittels eines mäanderförmigen Flugmusters (52) über dem solarthermischen Feld (100) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Erstellen der Aufnahmen (42, 44) bei einer Flugbewegung in der Querrichtung (70) der Parabolrinnenkollektoren (10) des solarthermischen Feldes (100) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Erstellen der Aufnahmen (42, 44) in einer Flughöhe (54) von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe (54) von etwa 120 m, erfolgt.
System (200) zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes (100) mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung (120) des Feldes (100) parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche (16) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das System wenigstens umfassend - Eine Aufnahmeeinrichtung (30) für Aufnahmen (44) wenigstens im Infrarot-Bereich, insbesondere für Aufnahmen (42, 44) im sichtbaren Bereich und im Infrarot-Bereich; - Ein unbemanntes Fluggerät (50), an welchem die Aufnahmeeinrichtung (30) angeordnet ist.
System nach Anspruch 16, wobei das unbemannte Fluggerät (50) ausgebildet ist, ein mäanderförmiges Flugmuster (52) über dem solarthermischen Feld (100) abzufliegen, insbesondere autonom abzufliegen.
System nach Anspruch 16 oder 17, wobei das unbemannte Fluggerät (50) ausgebildet ist, in einer Flughöhe (54) von mindestens 100 m, bevorzugt in einer Flughöhe (54) von etwa 120 m über dem solarthermischen Feld (100) zu fliegen.
Computer-Programm-Produkt für ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes (100) mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung (120) des Feldes (100) parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche (16), welche entlang ihrer Längserstreckung (72) jeweils eine Brennpunktlinie (14) aufweisen, in der jeweils wenigstens ein Absorberrohr (20) angeordnet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium umfasst, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen, insbesondere nach wenigstens Anspruch 1, wobei wenigstens die Schritte ausgeführt werden - Positionieren wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung (30) zum Erfassen von Aufnahmen wenigstens im Infrarot-Bereich in einer vorgegebenen Höhe (54) über dem Feld (100); - Erstellen von Aufnahmen (44) von durch die Oberfläche (16) der jeweiligen Parabolrinnenkollektoren (10) reflektierten Bildern von Absorberrohren (20) durch die Aufnahmeeinrichtung (30) wenigstens im Infrarot-Bereich, wobei die Aufnahmeeinrichtung (30) in einer Querrichtung (70) quer zur Längserstreckung (72) über die Parabolrinnenkollektoren (10) bewegt wird; - Bestimmen einer Intensität (60) der Wärmestrahlung des jeweiligen Absorberrohrs (20) durch radiometrische Auswertung der Aufnahmen (42, 44) wenigstens im Infrarot-Bereich.
Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines solarthermischen Feldes (100) mit einer Vielzahl von in einer Querrichtung (120) des Feldes (100) parallel angeordneten Reihen von aufeinander folgend angeordneten Parabolrinnenkollektoren (10) mit spiegelnder Reflektor-Oberfläche (16), welche entlang ihrer Längserstreckung (72) jeweils eine Brennpunktlinie (14) aufweisen, in der jeweils ein Absorberrohr (20) angeordnet ist, insbesondere nach wenigstens Anspruch 1, auszuführen.