DE102023106003A1 - Device and method for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface irradiated with solar radiation - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche (100), mit einer Infrarotkamera (2) und mit einem ersten Bandpassfilter (4) und einem zweiten Bandpassfilter (5), wobei der erste Bandpassfilter (4) auf einen ersten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist und der zweite Bandpassfilter (5) auf einen zweiten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist, wobei sich der erste Wellenlängenbereich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet, wobei die Infrarotkamera (2) eine Spektralempfindlichkeit aufweist, die den ersten und den zweiten Wellenlängenbereich umfasst, wobei die Infrarotkamera (2) ein erstes Messignal über den mit dem ersten Bandpassfilter (4) gebildeten Messkanal empfängt und ein zweites Messignal über den mit dem zweiten Bandpassfilter (5) gebildeten Messkanal empfängt und eine Berechnungseinrichtung über ein Verhältnis der Messignale die Temperatur und der spektralen Emissionsgrad der bestrahlten Fläche (100) ermittelt. Device (1) for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface (100) irradiated with solar radiation, with an infrared camera (2) and with a first bandpass filter (4) and a second bandpass filter (5), the first bandpass filter (4) is centered on a first wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation and the second bandpass filter (5) is centered on a second wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation, wherein the first wavelength range differs from the second wavelength range, wherein the infrared camera (2) has a spectral sensitivity that the first and the second wavelength range, wherein the infrared camera (2) receives a first measurement signal via the measurement channel formed with the first bandpass filter (4) and receives a second measurement signal via the measurement channel formed with the second bandpass filter (5) and a calculation device via a Ratio of the measurement signals determines the temperature and the spectral emissivity of the irradiated surface (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche sowie ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a device for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface irradiated with solar radiation and a corresponding method.
Die Erfassung der Temperatur und des Emissionsgrads spielt insbesondere bei solarthermischen Anwendungen eine wesentliche Rolle in der Prozessüberwachung. Beispielsweise wird bei solarthermischen Turmkraftwerken die Solarstrahlung über ein Heliostatenfeld auf einen thermischen Receiver konzentriert, der auf einem Turm angeordnet ist. Der Receiver wandelt die konzentrierte Direktstrahlung in Wärme um und koppelt sie in einen thermodynamischen Kreislauf ein. Um den optimalen Betrieb eines derartigen solarthermischen Turmkraftwerks zu gewährleisten ist die Überwachung der Temperatur und des Emissionsgrades des Receiveroberfläche von Bedeutung.The recording of temperature and emissivity plays an important role in process monitoring, especially in solar thermal applications. For example, in solar thermal tower power plants, solar radiation is concentrated via a heliostat field onto a thermal receiver that is arranged on a tower. The receiver converts the concentrated direct radiation into heat and couples it into a thermodynamic cycle. In order to ensure optimal operation of such a solar thermal tower power plant, monitoring the temperature and emissivity of the receiver surface is important.
Eine Überwachung der Oberflächentemperatur kann über mehrere hochauflösende langwellige Infrarotkameras (LWIR-Kameras) erfolgen.Surface temperature monitoring can be done using multiple high-resolution long-wave infrared (LWIR) cameras.
Durch eine die Messung der Temperatur in Echtzeit ist eine Regelung des Heliostatenfelds möglich und damit ein sicherer Betrieb des thermischen Receivers. Dadurch werden lokale Hotspots, Orte, bei denen lokal erhöhte Temperaturen auftreten, die zur Schädigung des Receivers führen, vermieden und die Lebensdauer des Receivers und die Beständigkeit der Receiverbeschichtung erhöht.By measuring the temperature in real time, it is possible to regulate the heliostat field and thus ensure safe operation of the thermal receiver. This avoids local hotspots, places where locally elevated temperatures occur that lead to damage to the receiver, and increases the service life of the receiver and the durability of the receiver coating.
Die Genauigkeit der Temperaturmessung mit einer LWIR-Kamera beispielsweise vom lokalen Emissionsgrad der Receiverbeschichtung, vom atmosphärischen Transmissionsgrad zwischen Receiver und Kamera und von der Temperatur der LWIR-Kamera und der Temperatur des Schutzgehäuses beeinflusst. Um eine möglichst genaue Temperaturmessung durchzuführen, müssen diese Einflussfaktoren aufwendig korrigiert werden, beispielsweise durch modelbasierte Simulationen oder durch zusätzliche Referenzmessungen an einer aufgeheizten Referenzfläche.The accuracy of temperature measurement with an LWIR camera is influenced, for example, by the local emissivity of the receiver coating, the atmospheric transmittance between the receiver and camera and by the temperature of the LWIR camera and the temperature of the protective housing. In order to carry out the most accurate temperature measurement possible, these influencing factors must be corrected in a complex manner, for example through model-based simulations or through additional reference measurements on a heated reference surface.
Bei der Kalibrierung der Kamera können nur in bestimmten Zeitfenstern, zum Beispiel in einem kurzen Zeitfenster nach einem Solarbetrieb und somit vergleichsweise selten durchgeführt werden. Mögliche Abweichungen des Emissionsgrads während des Kraftwerkbetriebs (Alterung oder Überhitzung der Receiverbeschichtung) sind schwierig in Echtzeit für eine genaue Temperaturmessung zu berücksichtigen.When calibrating the camera, it can only be carried out in certain time windows, for example in a short time window after solar operation and therefore comparatively rarely. Possible deviations in emissivity during power plant operation (aging or overheating of the receiver coating) are difficult to take into account in real time for accurate temperature measurement.
Die bisher verwendeten langwellige Infrarotkameras sind ferner vergleichsweise kostenintensiv.The long-wave infrared cameras used so far are also comparatively cost-intensive.
Die optischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Emissionsgrad einer Receiverbeschichtung, kann auch bei Umgebungstemperatur durch Aufsetzen eines Sensorkopfes an der jeweiligen Messstelle ermittelt werden. Diese Messmethode ist nur während einer Wartung eines Kraftwerks möglich und darüber hinaus sehr aufwendig, da der Sensorkopf an verschiedene Stellen an dem Receiver, der zumeist in großer Höhe angeordnet ist, herangeführt werden muss.The optical properties, such as the emissivity of a receiver coating, can also be determined at ambient temperature by placing a sensor head at the respective measuring point. This measuring method is only possible during maintenance on a power plant and is also very complex because the sensor head has to be moved to different locations on the receiver, which is usually located at a great height.
Die zuvor beschriebenen Methoden stellen einen allgemeinen Kenntnisstand des Anmelders dar, der sich jedoch nicht notwendigerweise auf einen konkreten Stand der Technik bezieht.The methods described above represent a general level of knowledge of the applicant, which, however, does not necessarily relate to a specific state of the art.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche bereitzustellen, mit der Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads vereinfacht und kostengünstiger ermittelbar ist.It is the object of the present invention to provide a device and a method for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface irradiated with solar radiation, with which the temperature and a spectral emissivity can be determined in a simplified and more cost-effective manner.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 13 definiert.The device according to the invention is defined by the features of
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche, weist eine Infrarotkamera und einen ersten Bandpassfilter und einen zweiten Bandpassfilter auf, wobei der erste Bandpassfilter auf einen ersten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist und der zweite Bandpassfilter auf einen zweiten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist, wobei sich der erste Wellenlängenbereich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet, wobei die Infrarotkamera eine Spektralempfindlichkeit aufweist, die den ersten und den zweiten Wellenlängenbereich des ersten Bandpassfilter und des zweite Bandpassfilters umfasst, wobei die Infrarotkamera ein erstes Messignal über den mit dem ersten Bandpassfilter gebildeten Messkanal empfängt und ein zweites Messignal über den mit dem zweiten Bandpassfilter gebildeten Messkanal empfängt und eine Berechnungseinrichtung über ein Verhältnis der Messignale die Temperatur und einen spektralen Emissionsgrad ermittelt.The device according to the invention for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface irradiated with solar radiation has an infrared camera and a first bandpass filter and a second bandpass filter, the first bandpass filter being centered on a first wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation and the second bandpass filter being centered on a second wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation is centered, wherein the first wavelength range differs from the second wavelength range, wherein the infrared camera has a spectral sensitivity that includes the first and second wavelength ranges of the first bandpass filter and the second bandpass filter, wherein the infrared camera transmits a first measurement signal receives the measurement channel formed with the first bandpass filter and receives a second measurement signal via the measurement channel formed with the second bandpass filter and a calculation device determines the temperature and a spectral emissivity via a ratio of the measurement signals.
Durch die Verwendung von Bandpassfiltern wird prinzipiell Strahlung, die außerhalb des für den Bandpassfilter charakteristischen Wellenlängenbereichs liegt, nicht durch den Filter transmittiert. Durch die Verwendung zweier Bandpassfilter, die jeweils auf einen Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert sind, gelangt auf besonders vorteilhafte Weise wenig Intensität der Solarstrahlung oder Intensität ungewollter streuender Strahlung zur Infrarotkamera. Durch die Bandpassfilter ist die Infrarotkamera somit solarblind. Somit wird ein Messsignal der emittierten Strahlung der bestrahlten Fläche erzeugt, das nur in geringfügigem Maße von der reflektierender Solarstrahlung beeinflusst ist. Die von der bestrahlten Fläche reflektierte Strahlung wird von der Infrarotkamera aufgrund der solarblinden Bandpassfilter nur im vernachlässigbaren Maße registriert.The use of bandpass filters basically eliminates radiation that falls outside the wavelength range that is characteristic of the bandpass filter rich, not transmitted through the filter. By using two bandpass filters, each of which is centered on a wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation, little intensity of solar radiation or intensity of unwanted scattered radiation reaches the infrared camera in a particularly advantageous manner. Due to the bandpass filter, the infrared camera is solar blind. A measurement signal of the emitted radiation of the irradiated surface is thus generated, which is only slightly influenced by the reflecting solar radiation. The radiation reflected from the irradiated surface is only registered to a negligible extent by the infrared camera due to the solar-blind bandpass filters.
Dabei ist das Verhältnis der Messsignale, welches die Berechnungseinrichtung ermittelt, grundsätzlich von drei Parametern abhängig:
- - von einem spektralen Emissionsgrad ε (λ) der mit der Solarstrahlung bestrahlten Fläche,
- - von einem spektralen Transmissionsgrad τ(λ) der Atmosphäre, die natürlicherweise zwischen der Infrarotkamera und bestrahlten Fläche vorhanden ist und
- - von einer spektralen Bestrahlungsstärke E (λ, T) der bestrahlten Fläche bei einer Temperatur T.
- - a spectral emissivity ε (λ) of the surface irradiated with solar radiation,
- - from a spectral transmittance τ(λ) of the atmosphere that is naturally present between the infrared camera and the irradiated surface and
- - from a spectral irradiance E (λ, T) of the irradiated surface at a temperature T.
Es kann idealisiert davon ausgegangen werden, dass die bestrahlte Fläche und die Atmosphäre das Strahlungsverhalten eines grauen Körpers aufweisen. Ein grauer Körper im Sinne der Strahlungsphysik ist ein Körper, bei dem in einem spektralen Bereich der Emissionsgrad, Reflexionsgrad oder Transmissionsgrad unabhängig von der Wellenlänge ist.It can be ideally assumed that the irradiated surface and the atmosphere have the radiation behavior of a gray body. A gray body in the sense of radiation physics is a body in which the emissivity, reflectance or transmittance is independent of the wavelength in a spectral range.
Unter der Annahme, dass die bestrahlte Fläche und die Atmosphäre eine Strahlung wie ein grauer Körper emittieren, ist der spektrale Emissionsgrad ε bei einer ersten und einer zweiten Wellenlänge (charakteristische Wellenlängenbereiche des ersten und zweiten Bandfilters) eines atmosphärischen Absorptionsbandes (λx) (in etwa) gleich. Ebenfalls ist der spektrale Transmissionsgrad τ bei einer ersten und einer zweiten Wellenlänge eines atmosphärischen Absorptionsbandes (in etwa) gleich:
Unter dieser Annahme kürzt sich das Verhältnis
Mit der nun bekannten Temperatur T der bestrahlten Fläche wird in einem weiteren Schritt der spektralen Emissionsgrad ε bestrahlten Fläche ermittelt. Dazu werden weitere Verhältnisse aus den mit den Bandpassfiltern gemessenen Signalen Smeas(T) (0< εT <1) und einem zu erwartenden Signal Scalc(T) eines schwarzen Körpers (εT = 1) bei der Temperatur T gebildet. Das zu erwartende Signal Scalc kann durch die Kalibrierung der Infrarotkamera abgeleitet werden und weist die Informationen der zuvor ermittelten Temperatur T sowie den spektralen Emissionsgrad eines schwarzen Körpers ε = 1 auf, sodass die folgenden Verhältnisse gebildet werden:
Aus den jeweiligen Verhältnissen wird anschließend das Produkt εT und somit der spektrale Emissionsgrad ε für die charakteristische Wellenlängenbereiche des ersten und zweiten Bandfilters bestimmt. Unter der Annahme, dass die bestrahlte Fläche und die Atmosphäre das Strahlungsverhalten eines grauen Körpers aufweisen, stimmen die spektralen Emissionsgrade ε beider Wellenlängen atmosphärischer Absorptionsbänder überein.The product ε T and thus the spectral emissivity ε for the characteristic wavelength ranges of the first and second band filters are then determined from the respective conditions. Assuming that the irradiated surface and the atmosphere have the radiation behavior of a gray body, the spectral emissivities ε of both wavelengths of atmospheric absorption bands agree.
Das erzeugte Messsignal eignet sich somit vorteilhaft für die Berechnung eines Messsignalverhältnisses, über das die Temperatur und der spektralen Emissionsgrad der bestrahlten Fläche ermittelt werden kann.The measurement signal generated is therefore advantageously suitable for calculating a measurement signal ratio, via which the temperature and the spectral emissivity of the irradiated surface can be determined.
Bei der Messung bzw. Berechnung kann ein Kompensationsfaktor vorgesehen sein, um ein Ungenauigkeit der Grauer-Strahler-Hypothese für die atmosphärische Säule korrigieren zu können. Dieser Kompensationsfaktor k kann entweder auf Basis von Luftfeuchtigkeits-Daten und einen spektralen Modell berechnet oder empirisch gemessen werden.During the measurement or calculation, a compensation factor can be provided in order to be able to correct an inaccuracy of the gray radiator hypothesis for the atmospheric column. This compensation factor k can either be calculated based on humidity data and a spectral model or measured empirically.
Dabei kann als Infrarotkamera eine auf den erweiterten kurzwelligen Infrarotbereich ausgelegte Infrarotkamera verwendet werden, vorzugsweise eine e-SWIR Kamera. Diese ist in der Lage ein breites kurzwelliges Spektrum an Wellenlängen, das sich in den mittelwelligen Bereich erstreckt, in vorteilhafter Weise zu erfassen und ist vergleichsweise kostengünstig.An infrared camera designed for the extended short-wave infrared range can be used as an infrared camera, preferably an e-SWIR camera. This is able to advantageously capture a broad short-wave spectrum of wavelengths that extends into the medium-wave range and is comparatively inexpensive.
Der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sind auf einen Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder zentriert. Der erste Wellenlängenbereich auf einen Bereich zwischen 1,3 µm und 1,5 µm und der zweite Wellenlängenbereich auf einen Bereich zwischen 1,8 µm und 2,0 µm zentriert sein. Vorzugsweise ist der erste Wellenlängenbereich auf 1,38 µm und der zweite Wellenlängenbereich auf 1,87 µm zentriert. Atmosphärischer Absorptionsbänder liegen beispielsweise aufgrund von Wassermoleküle, wie sie natürlicherweise in der Atmosphäre vorkommen, bei 1,4 µm und 1,9 µm. In diesen Wellenlängenbereichen transmittiert die Atmosphäre die Solarstrahlung nur in sehr geringem Maße, da in diesen Bereichen die Wassermoleküle der Atmosphäre die Solarstrahlung absorbieren. Folglich wird durch die Verwendung von Bandpassfiltern mit einem erste Wellenlängenbereich, der auf 1,4 µm zentriert ist und einem zweiten Wellenlängenbereich, der auf 1,9 µm zentriert ist, nur ein sehr geringer Intensitätsanteil der Strahlung zur Infrarotkamera transmittiert.The first wavelength range and the second wavelength range are centered on a wavelength range of atmospheric absorption bands. The first wavelength range should be centered on a range between 1.3 µm and 1.5 µm and the second wavelength range on a range between 1.8 µm and 2.0 µm. Preferably, the first wavelength range is centered at 1.38 µm and the second wavelength range is centered at 1.87 µm. For example, atmospheric absorption bands due to water molecules that occur naturally in the atmosphere are 1.4 µm and 1.9 µm. In these wavelength ranges, the atmosphere only transmits solar radiation to a very small extent, since the water molecules in the atmosphere absorb the solar radiation in these ranges. Consequently, by using bandpass filters with a first wavelength range centered at 1.4 µm and a second wavelength range centered at 1.9 µm, only a very small intensity portion of the radiation is transmitted to the infrared camera.
Vorzugsweise liegt der atmosphärische Transmissionsgrad im ersten und zweiten Wellenlängenbereich unter 0,1%.The atmospheric transmittance in the first and second wavelength ranges is preferably below 0.1%.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an der Infrarotkamera ein Fabry-Perot-Interferometer zur Bereitstellung des ersten Bandpassfilters und zweiten Bandpassfilters angeordnet ist. Dabei fungiert das Fabry-Perot-Interferometer als optischer Filter und filtert aus einer breitbandigen Strahlung die gewünschten schmalbandigen Spektren heraus.One embodiment of the invention provides that a Fabry-Perot interferometer is arranged on the infrared camera to provide the first bandpass filter and second bandpass filter. The Fabry-Perot interferometer acts as an optical filter and filters out the desired narrow-band spectra from broadband radiation.
Der der erste Bandpassfilter und der zweite Bandpassfilter kann auch durch einen Dual-Filter gebildet sein. Durch die Verwendung eines derartigen Dual-Filters kann somit die Erfassung von Strahlung von zwei Wellenlängenbereichen atmosphärischer Absorptionsbänder auf besonders einfache Weise erfolgen.The first bandpass filter and the second bandpass filter can also be formed by a dual filter. By using such a dual filter, radiation from two wavelength ranges of atmospheric absorption bands can be detected in a particularly simple manner.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zwei weitere optische Bandpassfilter aufweisen, die jeweils auf einen Wellenlängenbereich zentriert sind, der in Bezug auf eine Atmosphäre signal-unabhängig ist, wobei sich die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter voneinander und von dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden, wobei die Infrarotkamera eine Spektralempfindlichkeit aufweist, die die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter umfasst, wobei mittels der Infrarotkamera weitere Messignale über zwei weitere mit den zwei weiteren optischen Bandpassfilter gebildete Messkanäle empfängt und die Berechnungseinrichtung über ein Verhältnis der weiteren Messignale Informationen über einen atmosphärischen Transmissionsgrad ermittelt und mittels des atmosphärischen Transmissionsgrads das erste und das zweite Messsignal korrigiert. Grundsätzlich können auch weitere Verhältnisse der Messignale gebildet werden, beispielsweise auch Verhältnisse der weiteren Messignale mit dem ersten und zweiten Messignal.The device according to the invention can have two further optical bandpass filters, each of which is centered on a wavelength range which is signal-independent with respect to an atmosphere, the wavelength ranges of the two further optical bandpass filters differing from one another and from the first and second wavelength ranges, wherein the infrared camera has a spectral sensitivity which includes the wavelength ranges of the two further optical bandpass filters, wherein the infrared camera receives further measurement signals via two further measurement channels formed with the two further optical bandpass filters and the calculation device determines information about an atmospheric transmittance via a ratio of the further measurement signals and The first and second measurement signals are corrected using the atmospheric transmittance. In principle, further ratios of the measurement signals can also be formed, for example also ratios of the further measurement signals with the first and second measurement signals.
Für die Ermittlung des atmosphärischen Transmissionsgrads kann vorher eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen, beispielsweise unter ähnlichen atmosphärischen Bedingungen mittels einer heißen, unbestrahlten Referenzfläche.To determine the atmospheric transmittance, the device according to the invention can be calibrated beforehand, for example under similar atmospheric conditions using a hot, unirradiated reference surface.
Die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter können jeweils auf einen Bereich zwischen 1,5 µm und 2,2 µm zentriert sein, wobei vorzugsweise ein Wellenlängenbereich der weiteren optischen Bandpassfilter auf das sogenannte H-Band (1,65 µm) und der andere Wellenlängenbereich der weiteren optischen Bandpassfilter auf das sogenannte K-Band (2,2 µm) zentriert ist. Für übliche Atmosphären haben sich derartige Bandpassfilter als besonders vorteilhaft herausgestellt.The wavelength ranges of the two further optical bandpass filters can each be centered on a range between 1.5 µm and 2.2 µm, with one wavelength range of the further optical bandpass filters preferably being on the so-called H-band (1.65 µm) and the other wavelength range Another optical bandpass filter is centered on the so-called K-band (2.2 µm). Such bandpass filters have proven to be particularly advantageous for common atmospheres.
Der erste Bandpassfilter, der zweite Bandpassfilter und/oder die weiteren Bandpassfilter können durch einen Multizonen-Filter gebildet sein. Der erste Bandpassfilter, der zweite Bandpassfilter und/oder die weiteren Bandpassfilter können auch durch ein Filterrad gebildet sein.The first bandpass filter, the second bandpass filter and/or the further bandpass filters can be formed by a multizone filter. The first bandpass filter, the second bandpass filter and/or the further bandpass filters can also be formed by a filter wheel.
An dem Filterrad oder dem Multizonen-Filter sind beispielsweise zumindest der erste Bandpassfilter und der zweite Bandpassfilter angeordnet. Durch das Filterrad oder den Multizonen-Filter kann ein Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Bandpassfiltern auf besonders einfache Weise und sehr schnell erfolgen. Somit wird das erste Messsignal der Fläche unter Verwendung des ersten Bandpassfilter aufgenommen. Danach erfolgt ein Wechsel auf den zweiten Bandpassfilter durch Drehen des Filterrads oder Betätigung des Multizonen-Filter das zweite Messsignal der Fläche wird unter Verwendung des zweiten Bandpassfilters aufgenommen. Somit entstehen zwischen den einzelnen Messsignalaufnahmen nur zeitlich sehr kurze Abstände und die Aufnahmen der Messsignale erfolgen quasi-synchron.For example, at least the first bandpass filter and the second bandpass filter are arranged on the filter wheel or the multizone filter. The filter wheel or the multi-zone filter allows a change between the first and second bandpass filters to be carried out in a particularly simple and very quick manner. The first measurement signal of the area is thus recorded using the first bandpass filter. Then you switch to the second bandpass filter by turning the filter wheel or actuating the multizone filter. The second measurement signal of the area is recorded using the second bandpass filter. This means that there are only very short time intervals between the individual measurement signal recordings and the measurement signals are recorded quasi-synchronously.
Das Filterrad kann motorisiert angetrieben sein, um ein Wechseln der Bandpassfilter auf besonders einfache und schnelle Weise und automatische zu ermöglichen.The filter wheel can be motorized to enable the bandpass filters to be changed in a particularly simple and quick manner and automatically.
Die Infrarotkamera kann auch ein Infrarot-Objektiv aufweisen. Dadurch kann beispielsweise bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf dem Boden in vorteilhafter Weise auch Messsignale von einem mehrere hundert Meter entfernten Receiver auf einem Solarturm aufgenommen werden. Die Brennweite des Objektivs kann an den Abstand zwischen der Infrarotkamera und der mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche angepasst sein.The infrared camera can also have an infrared lens. This means that, for example, when the device according to the invention is arranged on the ground, measurement signals can also be advantageously recorded from a receiver on a solar tower several hundred meters away. The focal length of the lens can be adapted to the distance between the infrared camera and the surface irradiated with solar radiation.
Die Berechnungseinrichtung kann das Verhältnis des ersten und zweiten Messsignals pixelweise auswerten und dadurch die Temperatur und/oder den Emissionsgrad ortsaufgelöst ermitteln. Entsprechend kann auch der für eine Korrektur verwendete Transmissionsgrad ortsaufgelöst ermittelt werden.The calculation device can evaluate the ratio of the first and second measurement signals pixel by pixel and thereby determine the temperature and/or the emissivity in a spatially resolved manner. Accordingly, the transmittance used for a correction can also be determined in a spatially resolved manner.
Die Infrarotkamera und erste Bandpassfilter und der zweite Bandpassfilter können insbesondere auf einem Flugobjekt angeordnet sein. Selbstverständlich können auch die weiteren Bandfilter und das Objektiv auf dem Flugobjekt angeordnet sein. Beispielsweise ist die Infrarotkamera als e-SWIR-Kamera mit beispielsweise einem Filterrad oder einem Multizonenfilter und beispielsweise einem Objektiv vergleichsweise kompakt und kann in vorteilhafter weise von einem Flugobjekt, beispielsweise einer Drohne transportiert werden. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Temperatur- und Emissionsgradmessung einer Fläche auf besonders vorteilhafte Weise. Beispielsweise kann die Drohne mit der Infrarotkamera um einen Receiver, der auf einem Solarturm angebracht ist, kreisen und somit auf besonders einfache Weise Messsignale erfassen, die auf andere Weise nur unter großem Aufwand zu erfassen wären.The infrared camera and first bandpass filter and the second bandpass filter can in particular be arranged on a flying object. Of course, the additional band filters and the lens can also be arranged on the flying object. For example, the infrared camera is comparatively compact as an e-SWIR camera with, for example, a filter wheel or a multi-zone filter and, for example, a lens, and can advantageously be transported by a flying object, for example a drone. Such an embodiment of the invention enables temperature and emissivity measurement of a surface in a particularly advantageous manner. For example, the drone with the infrared camera can circle around a receiver that is mounted on a solar tower and thus capture measurement signals in a particularly simple manner that would otherwise only be possible to capture with great effort.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche mit den folgenden Schritten:
- a) Ausrichten einer Infrarotkamera auf die bestrahlte Fläche,
- b) Aufnehmen eines ersten Messsignals über einen ersten Messkanal , in dem ein erster Bandpassfilter angeordnet ist, der auf einen ersten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist, und eines zweiten Messsignals über einen zweiten Messkanal, in dem ein zweiter Bandpassfilter angeordnet ist, der auf einen zweiten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist,
- c) Bilden eines Verhältnisses des ersten und zweiten Messsignals und ermitteln der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads der mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche aus dem Verhältnis.
- a) aligning an infrared camera with the irradiated surface,
- b) recording a first measurement signal via a first measurement channel, in which a first bandpass filter is arranged, which is centered on a first wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation, and a second measurement signal via a second measurement channel, in which a second bandpass filter is arranged, which is on a second wavelength range of atmospheric absorption bands for solar radiation is centered,
- c) forming a ratio of the first and second measurement signals and determining the temperature and the spectral emissivity of the surface irradiated with solar radiation from the ratio.
Die in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann, beschriebenen Vorteile gelten grundsätzlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Bei dem erfindungsgemäße Verfahren kann somit ein Messsignal der emittierten Strahlung der bestrahlten Fläche erzeugt werden, das nur in geringfügigem Maße von der direkter, gestreuter bzw. reflektierender Solarstrahlung beeinflusst ist. Die von der bestrahlten Fläche reflektierte Strahlung wird von der Infrarotkamera aufgrund der solarblinden Bandpassfilter nur im vernachlässigbaren Maße registriert. Das erzeugte Messsignal eignet sich somit vorteilhaft für die Berechnung eines Messsignalverhältnisses, über das die Temperatur und der spektralen Emissionsgrad der bestrahlten Fläche ermittelt werden kann.The advantages described with regard to the device according to the invention, which can also be used in the method according to the invention, fundamentally also apply accordingly to the method according to the invention. In the method according to the invention, a measurement signal of the emitted radiation of the irradiated surface can be generated, which is only slightly influenced by the direct, scattered or reflective solar radiation. The radiation reflected from the irradiated surface is only registered to a negligible extent by the infrared camera due to the solar-blind bandpass filters. The measurement signal generated is therefore advantageously suitable for calculating a measurement signal ratio, via which the temperature and the spectral emissivity of the irradiated surface can be determined.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist ferner folgender Schritt vorgesehen:
- aa) Aufnehmen von zwei weiteren Messignalen mittels zwei weiterer optischer Bandpassfilter, die jeweils auf einen Wellenlängenbereich zentriert sind, der in Bezug auf eine Atmosphäre signal-unabhängig ist, wobei sich die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter voneinander und von dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden, wobei über ein Verhältnis der weiteren Messignale Informationen über einen atmosphärischen Transmissionsgrad ermittelt werden, und wobei mittels des atmosphärischen Transmissionsgrads das erste und das zweite Messsignal vor dem Bilden des Verhältnisses in Schritt
- c) korrigiert werden.
- aa) Recording two further measurement signals using two further optical bandpass filters, each of which is centered on a wavelength range that is signal-independent with respect to an atmosphere, the wavelength ranges of the two further optical bandpass filters differing from one another and from the first and second wavelength ranges , wherein information about an atmospheric transmittance is determined via a ratio of the further measurement signals, and the first and second measurement signals are determined by means of the atmospheric transmittance before forming the ratio in step
- c) be corrected.
Die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter können jeweils auf einen Bereich zwischen 1,5 µm und 2,2 µm zentriert sein, wobei vorzugsweise ein Wellenlängenbereich der weiteren optischen Bandpassfilter auf 1,65 µm und der andere Wellenlängenbereich der weiteren optischen Bandpassfilter auf 2,2 µm zentriert ist.The wavelength ranges of the two further optical bandpass filters can each be centered on a range between 1.5 µm and 2.2 µm, with one wavelength range of the further optical bandpass filters preferably at 1.65 µm and the other wavelength range of the further optical bandpass filters at 2.2 µm is centered.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass ein atmosphärischer Transmissionsgrad durch meteorologische Daten, insbesondere Umgebungstemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit, und/oder durch Messung und/oder durch Simulation ermittelt wird, wobei mittels des atmosphärischen Transmissionsgrads das erste und das zweite Messsignal vor dem Bilden des Verhältnisses in Schritt c) korrigiert werden.In principle, it can also be provided that an atmospheric transmittance is determined by meteorological data, in particular ambient temperature and/or humidity, and/or by measurement and/or by simulation, using the atmospheric transmittance sion level, the first and second measurement signals are corrected before forming the ratio in step c).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der erste Wellenlängenbereich des ersten Bandfilters auf einen Bereich zwischen 1,3 µm und 1,5 µm und der zweite Wellenlängenbereich des zweiten Bandfilters auf einen Bereich zwischen 1,8 µm und 2,0 µm zentriert sein, wobei der erste Wellenlängenbereich vorzugsweise auf 1,38 µm und der zweite Wellenlängenbereich vorzugsweise auf 1,87 µm zentriert ist.In the method according to the invention, the first wavelength range of the first band filter can be centered on a range between 1.3 µm and 1.5 µm and the second wavelength range of the second band filter can be centered on a range between 1.8 µm and 2.0 µm, the first Wavelength range is preferably centered at 1.38 μm and the second wavelength range is preferably centered at 1.87 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verhältnis des ersten und zweiten Messsignals pixelweise auswertet und die Temperatur und/oder der Emissionsgrad ortsaufgelöst ermittelt werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the ratio of the first and second measurement signals can be evaluated pixel by pixel and the temperature and/or the emissivity can be determined in a spatially resolved manner.
Es kann vorgesehen sein, dass die Infrarotkamera mittels eines Flugobjekts bewegt wird, wobei die Infrarotkamera im Schritt (a) auf eine vorgegebene Maximaldistanz an die bestrahlte Fläche herangeführt wird. Durch die Verwendung eine Flugobjekts kann die Infrarotkamera somit besonders nah an die bestrahlte Fläche, beispielsweise an einen Receiver eigens Solarkraftwerks herangeführt werden, wodurch der Einfluss des atmosphärischen Transmissionsgrads reduziert werden kann. Mittels des Flugobjekts kann die Infrarotkamera beispielsweise entlang einer vorgegeben Strecke bewegt werden, wobei zumindest Schritt b) wiederholt ausgeführt wird oder zumindest die Schritte b) und c) wiederholt ausgeführt werden. Mit anderen Worten, es kann eine Art abscannen der bestrahlten Fläche durchgeführt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise auch bei einem sich über einen großen Winkelbereich, beispielsweise 360° um einen Solarturm erstreckenden Receiver in vorteilhafter Weise die Temperatur und der spektrale Emissionsgrad ortsaufgelöst ermittelt werden.It can be provided that the infrared camera is moved by means of a flying object, with the infrared camera being brought to a predetermined maximum distance from the irradiated surface in step (a). By using a flying object, the infrared camera can be brought particularly close to the irradiated area, for example to a receiver specifically designed for a solar power plant, whereby the influence of atmospheric transmittance can be reduced. By means of the flying object, the infrared camera can be moved, for example, along a predetermined route, with at least step b) being carried out repeatedly or at least steps b) and c) being carried out repeatedly. In other words, a type of scanning of the irradiated area can be carried out. In this way, for example, in a receiver that extends over a large angular range, for example 360 ° around a solar tower, the temperature and the spectral emissivity can advantageously be determined in a spatially resolved manner.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur und eines spektralen Emissionsgrads einer mit Solarstrahlung bestrahlten Fläche, -
2 eine schematische Darstellung eines Solarkraftwerks, bei dem erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird.
-
1 a schematic representation of a device according to the invention for determining a temperature and a spectral emissivity of a surface irradiated with solar radiation, -
2 a schematic representation of a solar power plant in which the device according to the invention is used.
In
An der Infrarotkamera 2 ist ein erster Bandpassfilter 4 und ein zweiter Bandpassfilter 5 angeordnet. Der erste und der zweite Bandpassfilter 4,5 sind durch einen Dual-Filter gebildet, wobei durch Verschieben des Dual-Filters die zu empfangene Strahlung entweder durch den ersten Bandpassfilter 4 oder den zweiten Bandpassfilter 5 gefiltert wird.A
Der erste Bandpassfilter 4 ist auf einen ersten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist und der zweite Bandpassfilter 5 auf Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich atmosphärischer Absorptionsbänder für Solarstrahlung zentriert ist, wobei sich der erste Wellenlängenbereich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet. Die Infrarotkamera 2, die beispielsweise eine e-SWIR-Kamera sein kann, weist eine Spektralempfindlichkeit auf, die den ersten und den zweiten Wellenlängenbereich des ersten Bandpassfilter 4 und des zweite Bandpassfilters 5 umfasst.The
Der erste Wellenlängenbereich kann beispielsweise auf 1,38 µm zentriert sein und der zweite Wellenlängenbereich beispielsweise auf 1,87 µm.The first wavelength range can be centered, for example, at 1.38 μm and the second wavelength range, for example, at 1.87 μm.
Die Infrarotkamera 2 empfängt ein erstes Messignal über den mit dem ersten Bandpassfilter 4 gebildeten Messkanal und ein zweites Messignal über den mit dem zweiten Bandpassfilter 5 gebildeten Messkanal empfängt. Eine nicht dargestellte Berechnungseinrichtung ermittelt über ein Verhältnis der Messignale die Temperatur und der spektralen Emissionsgrad. Dabei kann eine pixelweise Auswertung erfolgen, wodurch eine ortsaufgelöste Ergebnisse ermittelt werden können.The infrared camera 2 receives a first measurement signal via the measurement channel formed with the
Die bestrahlten Fläche 100 reflektiert bei der Wellenlänge λ einen Anteil ρ(λ) der auf die Fläche 100 gestrahlten Solarstrahlung und emittiert einen Anteil (1- ρ(λ)) der Schwarzkörper-Strahlung. Der Anteil 1-ρ(λ) entspricht dem spektralen Emissionsgrad ε((λ)). Für einen solarblinden Filter, wie es der erste Bandpassfilter 4 und der zweite Bandpassfilter 5 sind, ist der reflektierte Anteil vernachlässigbar.The
In
Wie in
Mittels des Flugobjekts 6 kann die Infrarotkamera 2 relativ nahe an den Receiver 500 und somit die bestrahlte Fläche 100 herangeflogen werden, so dass der Einfluss des atmosphärischen Transmissionsgrades bei der Messung reduziert werden kann. Auch kann mittels des Flugobjekts 6 die Infrarotkamera 2 zu jeder Stelle der bestrahlten Fläche 100 ausgerichtet werden, so dass auch beispielsweise ein sich um 360° um den Solarturm 400 erstreckender Receiver 500 vermessen werden kann.Using the flying
Die am Boden angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist vergleichsweise weit von der bestrahlten Fläche 100 entfernt. Somit wird die empfangene Strahlung von der Atmosphäre beeinflusst daher kann der atmosphärische Transmissionsgrad bestimmt werden, um die empfangenen Messsignale zu korrigieren. Die Bestimmung des atmosphärischen Transmissionsgrads kann dabei über beispielsweise eine modellbasierte Schätzung, die auf meteorologischen Daten beruht oder durch Simulation erfolgt, ermittelt werden. Auch ist es möglich, dass der atmosphärische Transmissionsgrad ermittelt wird, in dem mit der Infrarotkamera 2 zwei weiteren Messignale mittels zwei weiterer optischer Bandpassfilter, die jeweils auf einen Wellenlängenbereich zentriert sind, der in Bezug auf eine Atmosphäre signal-unabhängig ist, wobei sich die Wellenlängenbereiche der zwei weiteren optischen Bandpassfilter voneinander und von dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden, wobei über ein Verhältnis der weiteren Messignale Informationen über einen atmosphärischen Transmissionsgrad ermittelt werden, und wobei mittels des atmosphärischen Transmissionsgrads das erste und das zweite Messsignal korrigiert werden.The
Mittels der erfindungsgemäße Vorrichtung 1 können die Temperatur und der spektralen Emissionsgrad der bestrahlten Fläche 100 auf einfache Art und Weise ermittelt werden, wobei die Vorrichtung von relativ einfachem Aufbau ist und vergleichsweise kostengünstig.Using the
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