-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Abweichungswinkels eines eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten.
-
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.
-
Heliostaten besitzen einen Antrieb mit zwei Aktoren, denen eine anzufahrende, gewünschte Position vorgegeben wird. Die gewünschte Ausrichtung wird anhand eines berechneten Sonnenstandes ermittelt. Die Genauigkeit der Heliostaten wird durch verschiedene Fehlerfaktoren bestimmt, wie in etwa Versetzungen und Rotationen der Achsen, Steifigkeit des Materials oder Winkelabhängigkeit der Motorbewegung durch unterschiedliche Belastungen der Aktuatoren.
-
Somit trifft der durch Reflexion der Solarstrahlung von der Spiegelfläche auf dem Ziel erzeugte Lichtfleck (Ist-Position) nicht auf die gewünschte Position, die ein theoretisch idealer Heliostat hervorrufen würde (Soll-Position). Somit entsteht ein Sonnen-Nachverfolgungsfehler.
-
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 es durch Überhitzung an Receiverkomponenten zu Schäden kommen kann. Mittels der Abweichung kann eine Kalibrierung vorgenommen werden, wodurch der Sonnen-Nachverfolgungsfehler minimiert werden kann.
-
Zur Bestimmung der Abweichung zwischen der Soll- und der Ist-Position existieren oft sogenannte Kamera-Target-Systeme. 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 auf dem Referenzpunkt des Targets befinden sollte. Aufgrund der Ungenauigkeiten in den Aktoren, Fehlern bei der Montage, Rotationen der Achsen und aufgrund einer möglichen Verbiegung des Heliostaten durch dessen Steifigkeit trifft das Abbild nicht den Referenzpunkt 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 des Anmelders bekannt.
-
Bei dem Kamera-Target-System, bei dem das Abbild der Spiegelfläche des Heliostats auf dem Target verwendet wird, hat dies zur Folge, dass ständig zumindest ein Heliostat nicht auf den Receiver zielt und somit dessen Leistung während der Kalibrierung nicht genutzt werden kann. Bei großen Heliostatfeldern von mehreren tausend Heliostaten ist ein enormer Zeitaufwand für die Kalibrierung notwendig, sodass eine regelmäßige Kalibrierung zumeist nicht durchführbar ist. Dies führt zu zunehmenden Ungenauigkeiten der Heliostaten und somit zu einer verringerten Energiegewinnung. Die Verwendung von Hilfsspiegeln führt zu zusätzlichem vorrichtungstechnischem Aufwand.
-
Es gibt auch Ansätze, Sensoren an den Heliostaten vorzusehen, die eine Istwert der Stellung eines Heliostaten ermitteln, die jedoch ebenfalls zu zusätzlichem vorrichtungstechnischem Aufwand führen.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache und schnelle Art und Weise des Abweichungswinkel von Heliostaten ermöglicht, wobei darüber hinaus möglichst eine hohe Genauigkeit erreicht werden soll.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Abweichungswinkels von eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten eines Heliostatfeldes weist folgende Schritte auf:
- a) Ausrichten einer vorgegebenen Gruppe von Heliostaten auf ein Target, wobei von den Spiegelflächen der Heliostaten durch Reflexion von Licht, insbesondere Sonnenlicht, jeweils ein Lichtfleck auf dem Target erzeugt wird, und Steuern der Gruppe von Heliostaten mit einem vorgegebenen Bewegungsprofil, wobei jeder der Heliostaten der Gruppe mit einem individuellen Bewegungsprofil, das von den Bewegungsprofilen der anderen Heliostaten der Gruppe verschieden ist, gesteuert wird, und wobei durch die Bewegung der Heliostaten die jeweiligen Lichtflecke über das Target bewegt werden,
- b) Aufnehmen von Bilddaten des mit den Lichtflecken bestrahlten Targets, wobei die Bilddaten eine zeitliche Abfolge mehrerer Bilder, vorzugsweise ein Video, umfassen,
- c) Auswerten der Bilddaten, wobei die Bewegungen der einzelnen Lichtflecken erkannt und anhand der erkannten Bewegungen und der bekannten Bewegungsprofile eine Zuordnung der Lichtflecken zu den Heliostaten erfolgt,
- d) Ermitteln der Abweichungswinkel der Heliostaten aus mindestens einem Einzelbild der Bilddaten durch Vergleich der Position der den Heliostaten zugeordneten Lichtflecken auf dem Target mit für jeden der Heliostaten berechneter oder vorgegebenen Sollposition des Lichtflecks.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass mehrere Heliostaten, die in der vorgegebenen Gruppe zusammengefasst sind, gleichzeitig auf das Target strahlen und durch die individuelle Bewegung unterscheidbar sind, sodass die in den Bilddaten enthaltenen Lichtflecke den Heliostaten zuordenbar sind. Dadurch werden in einem Vorgang Daten gesammelt, die eine Bestimmung des Abweichungswinkels für alle Heliostaten der Gruppe oder zumindest einen Teil der Heliostaten der Gruppe ermöglichen. Somit kann eine Bestimmung des Abweichungswinkels und somit eine Kalibrierung von mehreren Heliostaten gleichzeitig bzw. nahezu gleichzeitig erfolgen, sodass die Kalibrierung deutlich beschleunigt ist. Das Verfahren kann sukzessive für mehrere Gruppen von Heliostaten eines Heliostatfeldes durchgeführt werden. Somit kann die Zeitdauer für die Kalibrierung der Heliostaten eines gesamten Heliostatfeldes deutlich reduziert werden, sodass auch eine regelmäßige Kalibrierung ermöglicht werden kann. Somit wird die Ungenauigkeit der Heliostate des gesamten Heliostatfeldes gegenüber dem Stand der Technik, bei dem eine regelmäßige Kalibrierung der Heliostaten unterbleibt, deutlich reduziert.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zuordnung der Lichtflecken zu den Heliostaten über eine Wahrscheinlichkeitsbestimmung erfolgt, wobei ein Wahrscheinlichkeitswert für die Zugehörigkeit eines Lichtflecks zu einem Heliostaten berechnet wird und bei Überschreitung eines Schwellenwerts durch den Wahrscheinlichkeitswert der Lichtfleck dem entsprechenden Heliostaten zugeordnet wird.
-
Auf diese Weise kann die Zuordnung der Lichtflecken zu den Heliostaten in vorteilhafter Weise und mit vorteilhaften Rechenaufwand erfolgen.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei der Wahrscheinlichkeitsbestimmung die Wahrscheinlichkeit, ob eine erkannte Bewegung eines Lichtflecks ein Bewegungsprofil eines der Heliostaten entspricht, als Wahrscheinlichkeitswert berechnet wird und mit dem Schwellenwert verglichen wird.
-
Der Schwellenwert kann beispielsweise 75 % sein. Vorzugweise beträgt der Schwellenwert 90 %. Sobald der Wahrscheinlichkeitswert diesen Schwellenwert überschreitet, wird ein Lichtfleck einem Heliostaten fest zugeordnet.
-
In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Heliostaten der Gruppe von Heliostaten, bei denen im Schritt c) keine Zuordnung erfolgt ist, in Schritt a1) erneut anhand eines weiteren oder des entsprechenden Bewegungsprofils gesteuert werden, wobei durch die Bewegung der Heliostate die jeweiligen Lichtflecke über das Target bewegt werden und wobei in Schritt b1) zweite Bilddaten des in Schritt a1) mit den Lichtflecken bestrahlten Targets aufgenommen werden, wobei die zweiten Bilddaten eine zeitliche Abfolge mehrerer Bilder, vorzugsweise ein Video umfassen, wobei in einem Schritt c1) die zweiten Bilddaten ausgewertet werden, wobei die Bewegung der einzelnen Lichtflecken erkannt und anhand der erkannten Bewegungen und der Bewegungsprofile oder der weiteren Bewegungsprofile eine Zuordnung der Lichtflecken zu den Heliostaten erfolgt und wobei Schritt d) zusätzlich anhand von mindestens einem Einzelbild der zweiten Bilddaten durchgeführt wird.
-
In Schritt c) kann es vorkommen, dass eine Bewegung des Lichtflecks beispielsweise nicht hinreichend bestimmbar ist, ein Lichtfleck nicht ausreichend erkannt werden kann oder beispielsweise bei der Zuordnung der Bewegung eines Lichtflecks zu den Bewegungsprofilen die ermittelten Wahrscheinlichkeitswerte zu gering sind, so dass in Schritt c) nicht alle Lichtflecke einem Heliostaten zugeordnet werden können. In diesem Fall können durch die Schritte a1) bis c1) für diese Heliostaten weitere Bilddaten aufgenommen werden, wobei in diesem Fall die Anzahl der Lichtflecken auf das Target reduziert sein können, da die Heliostate, zu denen zuvor bereits eine Zuordnung eines Lichtflecks erfolgt ist, nicht mehr auf das Target fokussiert sind. Eine Zuordnung der Lichtflecken zu den Heliostaten wird somit in Schritt c1) vereinfacht.
-
Es kann auch vorgesehen sein, dass die die Heliostaten der Gruppe von Heliostaten, bei denen im Schritt c) keine Zuordnung erfolgt ist, einer anderen Gruppe von Heliostaten zugeordnet werden und zu einem späteren Zeitpunkt das erfindungsgemäße Verfahren für diese andere Gruppe durchgeführt wird.
-
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Zuordnung der Lichtflecke zu den Heliostaten kontinuierlich erfolgt, wobei, sobald ein Lichtfleck einem Heliostaten eindeutig zugeordnet werden kann, für diesen Heliostat das Bewegungsprofil abgebrochen wird und der Heliostat derart bewegt wird, dass sein Lichtfleck nicht mehr auf das Target fällt. Dadurch kann dieser Heliostat einerseits frühzeitig wieder auf den Receiver des Solarkraftwerks fokussiert werden, und andererseits wird die Anzahl der sich auf dem Target befindlichen Lichtflecken reduziert. Für die weiteren Heliostaten wird das weitere oder das entsprechende Bewegungsprofil fortgesetzt, bis eine Zuordnung eines Lichtflecks erfolgen kann.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Schritte a1), b1) und c1) zwischen den Schritten c) und d) erfolgen oder dass die Schritte a1), b1) und c1) nach dem Schritt d) erfolgen, wobei anschließend der Schritt d) anhand von mindestens einem Einzelbild der zweiten Bilddaten wiederholt wird.
-
Es kann somit vorgesehen sein, dass der Schritt d) erst durchgeführt wird, wenn sämtliche Lichtflecke den Heliostaten zugeordnet werden konnten. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zunächst der Schritt d) durchgeführt wird für alle der Heliostaten, zu denen bereits Lichtflecke zugeordnet werden konnten, und anschließend für die restlichen Heliostate der Gruppe die Schritte a1), b1) und c1) sowie die Wiederholung des Schritts d) erfolgt. Selbstverständlich können einige dieser Schritte und Teilschritte auch parallel erfolgen.
-
Vorzugweise ist vorgesehen, dass in Schritt a1) zur Steuerung eines Heliostaten verwendete weitere Bewegungsprofil von dem in Schritt a) für diesen Heliostaten verwendeten Bewegungsprofil unterschiedlich ist. Beispielsweise kann bei der Durchführung des Schritts a) das für einen Heliostaten verwendete Bewegungsprofil einfacher oder deutlicher sein, als das für diesen Heliostaten in Schritt a) verwendete Bewegungsprofil. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass in Schritt c1) eine Zuordnung eines Lichtflecks zu diesem Heliostaten erfolgen kann, vergrößert. Wenn beispielsweise das Bewegungsprofil eines Heliostaten in Schritt a) eine gerade Linie unter einen bestimmten Winkel umfasst, wobei keine Zuordnung eines Lichtflecks zu diesem Bewegungsprofil erfolgen konnte, kann in Schritt a1) vorgesehen sein, dass der Lichtfleck auf einer Kurvenbahn oder einer abgewinkelten Bahn bewegt wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt d) mehrere Einzelbilder der Bilddaten und/oder der zweiten Bilddaten, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, ausgewertet werden und Abweichungswinkel der Heliostaten zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt werden. Auf diese Weise steht für die Kalibrierung der Heliostate ein größerer Datensatz vor, sodass die Kalibrierung genauer erfolgen kann.
-
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt d) bei dem Ermitteln der Abweichungswinkel der Heliostaten die Schwerpunkte der Lichtflecke bestimmt werden und die Abweichung von berechneten oder vorgegebenen Sollpositionen der Schwerpunkte der Lichtflecken bestimmt werden.
-
Über die Bestimmung der Schwerpunkte der Lichtflecke kann in vorteilhafter Weise für die Bestimmung der Abweichungswinkel vergleichbarer Punkte der tatsächlichen Lichtflecken und der Sollpositionen der Lichtflecken bestimmt werden.
-
Es kann auch vorgehen sein, dass in Schritt c) die Schwerpunkte der Lichtflecke oder markante Punkte der Lichtflecke bestimmt werden und die Bewegungen der Lichtflecke anhand der Positionen der Schwerpunkte der Lichtflecke oder der markanten Punkte der Lichtflecke zu unterschiedlichen ermittelt werden. Auf diese Weise kann eine Bewegung der Lichtflecke in vorteilhafter Weise zum Vergleich mit den Bewegungsprofilen ermittelt werden.
-
Bei den Bewegungen der Lichtflecke über das Target kann es insbesondere bei einer großen Gruppe von Heliostaten dazu kommen, dass sich einzelne Lichtflecken überlagern. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass unterschiedliche Einzelbilder der ersten und/oder zweiten Bilddaten analysiert werden und Fragmente der sich teilweise überlagernden Lichtflecke, die nicht überlagert sind, bestimmt werden, wobei die Form der sich teilweise überlagernden Lichtflecken aus unterschiedlichen Einzelbildern bestimmten Fragmenten ermittelt wird. Mit anderen Worten: Zur Bestimmung der Form eines Brennflecks, um beispielsweise einen Schwerpunkt ermitteln zu können, werden die Bilder analysiert und bei sich teilweise überlagernden Lichtflecken werden die Lichtflecken aus einzelnen Fragmenten aus unterschiedlichen Bildern zusammengesetzt. Auf diese Weise kann beispielsweise für die Bestimmung des Abweichungswinkels ein Schwerpunkt des Lichtflecks genauer ermittelt werden. Selbstverständlich können nach der vollständigen Bestimmung der Form eines Lichtflecks diese Daten verwendet werden, um die Bilddaten von Bildern, in denen sich die Lichtflecken teilweise überlagern, zu ergänzen, sodass auch diese Bilddaten verwendbar sind.
-
Die Bestimmung der Form von sich teilweise überlagernden Lichtflecken durch die Verwendung von unterschiedlichen Einzelbildern hat auch eigenständige erfinderische Bedeutung, dass heißt, dass dieser Verfahrensschritt auch unabhängig von den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten durchführbar ist, um beispielsweise Lichtflecken von mehreren über ein Target bewegten Lichtflecken zu ermitteln, die beispielsweise für andere Zwecke als die Kalibrierung Anwendung finden können.
-
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Gruppe von Heliostaten, die Licht auf ein Target reflektieren, und
- 2 eine schematische Skizze zur Erläuterung der Trennung von zwei sich teilweise überlagernden Lichtflecken.
-
In 1 ist eine Gruppe 1 von Heliostaten 3 schematisch dargestellt. Jeder der Heliostaten 3 weist eine Spiegelfläche 5 auf, über die einfallendes Sonnenlicht auf ein Target 7 reflektiert werden kann. Das Target 7 ist beispielsweise eine weiße Fläche, die an einem nicht dargestellten Receiverturm beispielsweise unterhalb eines Receivers oder nahe dem Receiver angeordnet ist. Die Gruppe 1 der Heliostaten 3 ist Teil einer Vielzahl von Heliostaten 3 eines nicht dargestellten Hel iostatenfeldes.
-
Jeder der Heliostaten 3 erzeugt durch die Reflexion des Lichts auf dem Target 7 einen Lichtfleck 9. Zur Bestimmung des Abweichungswinkels der Heliostaten 3 wird somit zunächst für die Gruppe 1 der Heliostaten 3 eine Ausrichtung vorgenommen, sodass die Lichtflecken 9 sich auf dem Target 7 befinden. Anschließend werden die Heliostate 3 mit einem vorgegebenen Bewegungsprofil gesteuert, wobei das Bewegungsprofil jeder der Heliostaten 3 unterschiedlich zu den Bewegungsprofilen der anderen Heliostaten 3 der Gruppe 1 ist. Die Bewegungsprofile ergeben eine Bewegung a,b,c der Lichtflecken 9 auf dem Target 7, die durch die Pfeile dargestellt ist.
-
Mittels einer stark schematisch dargestellten Kamera 11 werden Bilddaten des Targets 7 aufgenommen. Die Bilddaten umfassen eine zeitliche Abfolge mehrerer Bilder, beispielsweise ein Video. Anhand der Bilddaten wird nun die Bewegung der einzelnen Lichtflecken 9 erkannt, indem beispielsweise mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder analysiert werden. Anhand der bekannten Bewegungsprofile der Heliostaten 3 wird nun durch einen Vergleich mit den bekannten Bewegungen der Lichtflecken 9 eine Zuordnung der Lichtflecken 9 zu den Heliostaten 3 vorgenommen. Beispielsweise können Bewegungen a, b, c der Lichtflecken 9 erkannt werden und diese über die entsprechenden Bewegungsprofile den Heliostaten 3 mit den Bezeichnungen A, B, C zugeordnet werden.
-
Anschließend kann über die den Heliostaten 3 zugeordneten Lichtflecken 9 der Abweichungswinkel für jeden Heliostaten 3 der Gruppe 1 ermittelt werden. Dafür werden eine oder mehrere Einzelbilder der Bilddaten vorgenommen und es erfolgt ein Vergleich der Position eines einem Heliostaten 3 zugeordneten Lichtflecks 9 mit einer für diesen Heliostaten 3 zuvor berechneten oder vorgegebenen Sollposition des Lichtflecks 9. Auf diese Weise lässt sich der Abweichungswinkel auf einfache Art und Weise bestimmen.
-
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand von drei Heliostaten 3 dargestellt worden. Grundsätzlich können natürlich auch eine größere Anzahl von Heliostaten 3 zu einer Gruppe 1 gehören. Dabei kann es vorkommen, dass beispielsweise einige der Lichtflecken 9 aufgrund einer nicht genau bestimmbaren Bewegung keinem Heliostaten 3 zugeordnet werden können. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt werden für eine Untergruppe der Gruppe 1 der Heliostaten 3, denen kein Lichtfleck 9 zugeordnet werden konnte. Bei dieser Wiederholung kann entweder das gleiche Bewegungsprofil oder ein anderes Bewegungsprofil den Heliostaten 3 vorgegeben werden. Auf diese Weise lässt sich in einem relativ kurzen Zeitraum der Abweichungswinkel von sehr vielen Heliostaten 3 bestimmen, sodass diese in vorteilhafter Weise kalibriert werden können.
-
In 2 sind Targets 7 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt. Bei einer Vielzahl von Lichtflecken 9 auf einem Target 7 kann es vorkommen, dass sich zwei Lichtflecken 9 teilweise überlagern. Bei beispielsweise sehr ähnlichen Bewegungen a, b der Lichtflecke 9, wie sie in 2 dargestellt sind, erfolgt die Überlagerung der gesamten Bewegung entlang der Bewegungen a, b. Dadurch können die Lichtflecke 9 nicht eindeutig bestimmt werden, sodass beispielsweise ein Schwerpunkt der Lichtflecke 9 nicht richtig bestimmt werden kann. Bei der Erfindung ist nun vorgesehen, dass aus den Bilddaten, beispielsweise anhand von zwei Einzelbildern (in 2 durch t=0 und t=1 dargestellt) Fragmente der sich teilweise überlagernden Lichtflecken 9 bestimmt werden, die nicht überlagert sind. Als Verdeutlichung ist in 2 der Lichtfleck 9, der entlang der Bewegung A bewegt wird, gegenüber dem Lichtfleck 9, der entlang der Bewegung B bewegt wird, abgegrenzt dargestellt. Wie aus einem Vergleich der Bilder zum Zeitpunkt t=0 und t=1 hervorgeht, können für jeden Lichtfleck 9 Fragmente bestimmt werden, die sich nicht in dem Überlagerungsbereich mit dem anderen Lichtfleck 9 befinden. Anhand dieser Fragmente lässt sich somit in Lichtfleck 9 vollständig zusammensetzen. In 2 ist dieser erfindungsgemäße Verfahrensschritt nur anhand von zwei Einzelbildern dargestellt. Grundsätzlich können jedoch auch eine Vielzahl von Einzelbildern verwendet werden, um die notwendigen Fragmente zu bestimmen und die Lichtflecken 9 zusammenzusetzen. Die in Bezug auf 2 beschriebenen Verfahrensschritte haben auch eigenständige erfinderische Bedeutung und können somit unabhängig von den in Bezug auf 1 beschriebenen Verfahrensschritten verwendet werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache, sehr schnelle und genaue Bestimmung der Abweichungswinkel von Heliostaten 3, sodass eine große Anzahl von Heliostaten 3 in vorteilhafter Weise kalibierbar ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gruppe
- 3
- Heliostat
- 5
- Spiegelfläche
- 7
- Target
- 9
- Lichtfleck
- 11
- Kamera
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009037280 A1 [0006]
