DE10238202B4

DE10238202B4 - Strahlungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10238202B4
Application number: DE10238202A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Jürgen Dr.-Ing. Riffelmann; Andreas Dr.rer.nat. Neumann; Martin Dipl.-Phys. Wittkowski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: DE10238202A1

Abstract

Strahlungsmessvorrichtung für einen Parabolrinnenkollektor (10), der ein Absorberrohr (11) und einen Reflektor (13) aufweist, mit einer Fotosensoranordnung (20), die das Absorberrohr (11) mindestens teilweise umgibt und die vom Reflektor (13) kommende Strahlung empfängt und Signale liefert, die dieser Strahlung entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fotosensoranordnung (20) Fotodioden (30) in einem Teil (21), der dem Reflektor (13) zugewandt ist, nach außen und in einem anderen Teil (22) nach innen gerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsmessvorrichtung für einen Parabolrinnenkollektor, der ein Absorberrohr und einen Reflektor aufweist.
Ein Parabolrinnenkollektor weist einen hohlspiegelartigen Reflektor auf, der die Solarstrahlung auf ein langgestrecktes Absorberrohr bündelt. Das Absorberrohr wird von einem Wärmeträgermedium durchflossen, welches die Wärme aufnimmt und an einen Verbraucher überträgt.
Bei konzentrierenden Solaranlagen ist die Intensität der Sonnenstrahlung am Absorber eine wichtige Größe, die zur Beurteilung und Auslegung der Anlage herangezogen werden kann.
Damit der Parabolrinnenkollektor ordnungsgemäß funktioniert, ist es wichtig, dass der Reflektor exakt auf das Absorberrohr ausgerichtet ist. Bei Absorberrohren, die eine Länge von zahlreichen Metern haben können, ist es wichtig, dass jede Rohr länge in Bezug auf den Reflektor genau justiert ist, da anderenfalls die Fokussierung das Absorberrohr nicht treffen würde. Üblicherweise haben die Absorberrohre eine Länge von etwa 4 m und einen Durchmesser von einigen Zentimetern. Diese Geometrie (lang und schmal) erschwert die Aufgabe der Messung von Strahlungsflussdichten.

Eine bekannte Messmethode verwendet ein Radiometer oder Kalorimeter, mit dem die interessierenden Flächen schrittweise oder punktweise abgetastet werden. Hier ist pro Messpunkt eine Messzeit von 0,1 bis 1 s erforderlich. Ein anderes Prinzip ist die "Kamera-Target-Methode". Hierbei wird ein diffus reflektierender Schirm als Lambert'sches Target in den Strahlengang gebracht und die von diesem Schirm ausgehenden Reflexionen werden mit Hilfe einer kalibrierten Kamera als Flächenbild aufgenommen. Auf diese Weise wird eine Helligkeitsverteilung aufgenommen, die proportional zu der Strahlungsflussdichte ist. Diese Methode ist zwar schnell, erfordert aber einen erheblichen Aufwand.

Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geht aus von einer Strahlungsmessvorrichtung nach DE 100 56 070 A1 . Die bekannte Strahlungsmessvorrichtung weist eine Fotosensoranordnung auf, die in der Längs-Mittel-Ebene des Reflektors durch einen speziellen Antrieb auf den Sonnenstand ausgerichtet wird. Die Fotosensoranordnung bildet ein Target, das richtungsselektiv Solarstrahlung in der betreffenden Längsebene empfängt. Damit ist es möglich, den Reflektor auf Deformierungen und Fehlstellen zu überprüfen. Eine Aussage darüber, welche Strahlungsmenge an dem Absorberrohr vorbeigeht, und eine Aussage über die gesamte vom Reflektor kommende Strahlung wird bei der bekannten Vorrichtung nicht geliefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsmessvorrichtung für einen Parabolrinnenkollektor zu schaffen, die es ermöglicht, sowohl die gesamte vom Reflektor kommende Strahlung zu bestimmen als auch denjenigen Anteil der Strahlung die das Absorberrohr trifft.

Die erfindungsgemäße Strahlungsmessvorrichtung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Erfindungsgemäß sind in der Fotosensoranordnung Fotodioden in einem Teil, der dem Reflektor zugewandt ist, nach außen gerichtet und in einem anderen Teil, der dem Reflektor abgewandt ist, nach innen gerichtet. Dadurch sind die Fotosensoren in beiden Teilen der vom Reflektor kommenden Strahlung zugewandt. Um das Absorberrohr wird gewissermaßen ein Ring gebildet, der jegliche Strahlung auffängt, die aus dem reflektorseitigen Halbraum einfällt. Ein Vorteil besteht in der gleichzeitigen Messung derjenigen Strahlungsenergie, die vom Reflektor kommt und derjenigen Strahlungsenergie, die an dem Absorberrohr vorbeigeht. Dadurch lässt sich eine wertvolle Aussage über die korrekte Ausrichtung zwischen Absorberrohr und Reflektor treffen.

Die erfindungsgemäße Strahlungsmessvorrichtung arbeitet mit einfachen Fotosensoren, die auf den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und nahen Infrarot reagieren.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Fotosensoranordnung nahe am Absorberrohr angeordnet werden kann, wodurch die Abmessungen der Strahlungsmessvorrichtung kleingehalten werden können. Dadurch werden Gewicht, Kosten und Abschattungsprobleme minimiert. Außerdem hat die Vorrichtung ein schnelles Ansprechverhalten. Die Strahlungsmessvorrichtung reagiert erheblich schneller als eine Radiometer- oder Kalorimetermessung.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Fotosensoranordnung aus mehreren polygonzugartig zusammengesetzten Arrays aus Fotodioden. Solche Diodenarrays sind kommerziell erhältlich oder mit Hilfe einer Schaltungsplatine leicht herstellbar. Sie bestehen aus einer linearen Anordnung von Fotodioden an einem gemeinsamen Träger.

Vorzugsweise besteht die Fotosensoranordnung aus mindestens zwei in Längsrichtung des Absorberrohres zueinander versetzten Teilen. Die Fotosensoranordnung bildet somit gewissermaßen einen Ring, dessen beide Hälften in Achsrichtung des Absorberrohres zueinander versetzt sind. Durch den Versatz wird erreicht, dass bei mittiger Anordnung der Sonne, also wenn die von den Parabolspiegeln aufgespannte Fläche (= Aperturebene) senkrecht von der direkten Sonnenstrahlung durchdrungen wird, beide Teile der Fotosensoranordnung von Sonnenlicht erreicht werden und keines dieser Teile durch das andere abgeschattet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fotosensoranordnung an einem Schlitten montiert ist, der längs des Absorberrohres verfahrbar ist. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln an allen Stellen des Absorberrohres die Strahlungsflussdichteverteilung bestimmt werden. Dadurch kann ermittelt werden, wie groß der das Absorberrohr treffende Teil der Strahlung ist und wie groß der am Absorberrohr vorbeigehende Anteil ist. Auch können auf diese Weise Ungleichmäßigkeiten oder Deformierungen des Reflektors festgestellt werden.

Die Fotosensoreinrichtung enthält vorzugsweise eine Frontstruktur, in der für jeden Fotosensor eine Vertiefung vorgesehen ist, in der die Empfangsfläche des Fotosensors zurückliegend angeordnet ist. Durch die versenkte Anordnung der Empfangsflächen wird erreicht, dass Licht, das an einem Punkt der Frontstruktur auftrifft, jeweils nur einen der Fotosensoren trifft. Vor der Fotosensoranordnung kann eine Streuscheibe in Form eines Lambert'schen Diffusors angeordnet sein. Eine solche Streuscheibe hat die Wirkung, dass sie einfallendes Licht in allen Richtungen gleichmäßig abstrahlt.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, ohne dass hierdurch der Schutzbereich des Patents eingeschränkt wird. Dieser wird vielmehr allein durch die Ansprüche bestimmt.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der Strahlungsmessvorrichtung in Längsrichtung des Absorberrohrs gesehen,
2 einen Schnitt durch eine Fotosensoranordnung,
3 eine perspektivische Darstellung der an einem Parabolrinnenkollektor montierten und in Längsrichtung des Absorberrohrs verfahrenden Strahlungsmessvorrichtung,
4 eine Ansicht der Strahlungsmessvorrichtung aus Richtung der Pfeile IV-IV von 3, und
5 eine Draufsicht der Strahlungsmessvorrichtung aus Richtung der Pfeile V-V von 3.
In den Zeichnungen ist ein Parabolrinnenkollektor 10 dargestellt. Dieser weist ein langgestrecktes gerades Absorberrohr 11 auf, das von einem Mantelrohr 12 aus Glas mit radialem Abstand umgeben ist. Das Mantelrohr 12 ist für die auftreffende Strahlung durchlässig. Diese Strahlung wird von dem Absorberrohr 11 absorbiert. Das Absorberrohr 11 ist von einem Wärmeträgermedium durchströmt, z.B. von Wasser.
Die Solarstrahlung wird von einem zylinderparabolischen Reflektor 13 eingefangen und auf das Absorberrohr 11 fokussiert. Der Reflektor 13, der eine Spiegelfläche 14 aufweist, besteht aus fertigungstechnischen (und Transport-) Gründen aus vielen einzelnen Facetten 13a, 13b. Das Absorberrohr 11 mit dem Mantelrohr 12 ist an einer (nicht dargestellten) Tragstruktur befestigt, die auch die Spiegelfacetten trägt. Das Absorberrohr ist in Längen von etwa 4 m aufgeteilt. Die Messvorrichtung 16 ist an Stützen 15 befestigt, die ebenfalls mit der Tragstruktur verbunden sind.
Die Strahlungsmessvorrichtung 16 weist einen Wagen 17 auf, der an einer Schiene 18 verfahrbar ist. Die Schiene 18 ist an den Stützen 15 befestigt und sie verläuft parallel zu dem Absorberrohr 11. Der Wagen 17 kann entweder manuell oder motorisch be wegt werden, wobei die jeweilige Position von einer Positionsdetektionsvorrichtung festgestellt wird, so dass die Messergebnisse der Strahlungsmessvorrichtung 16 in Abhängigkeit von der jeweiligen Position der Fotosensorvorrichtung 20 erfasst werden.
Die Fotosensoranordnung 20 besteht aus zwei Teilen 21, 22 oder Hälften. Der eine Teil 21 befindet sich zwischen Reflektor und Absorberrohr und der andere Teil 22 ist vom Reflektor aus gesehen hinter dem Absorberrohr angebracht. Jeder dieser Teile besteht aus einem Array 23 aus Fotodioden, also aus lichtempfindlichen Zellen, die ein Signal erzeugen, dessen Amplitude der Stärke des auftreffenden Lichts entspricht.
Bei dem Teil 21 sind die Arrays 23 nach außen gerichtet, also von dem Absorberrohr 11 weg und bei den Arrays des anderen Teils 22 sind die Fotozellen nach innen gerichtet, also zum Absorberrohr 11 hin.
Wie 5 zeigt, ist der eine Teil 21 gegenüber dem anderen Teil 22 in Längsrichtung des Absorberrohrs 11 versetzt. Zwischen beiden Teilen befindet sich ein vom Wagen 17 herabhängender Arm 25, an dem die Fotosensoranordnung 20 aufgehängt ist. Die Fotosensoranordnung kann so eingestellt werden, dass sie koaxial zu dem Absorberrohr 11 ausgerichtet ist. Ihre Arrays 23 bilden eine polygonzugartige Struktur, die das Absorberrohr wenigstens teilweise umgibt.
1 zeigt die als paralleles Licht einfallende Sonnenstrahlung 26, die von dem Reflektor 13 auf das Absorberrohr 11 reflektiert werden soll. Die äußeren Arrays 23 des Teiles 21 empfangen an denjenigen Stellen, an denen sich die Fotodioden 30 befinden, das Licht, wobei in jeder Fotodiode die Lichtstärke oder Lichtintensität selektiv ermittelt wird. Mit dem unteren Teil 21 wird somit diejenige Strahlung detektiert, die auf das Absorberrohr 11 oder "knapp daneben" gerichtet ist. Mit dem oberen Teil 22 wird ebenfalls ein Strahlungsmuster der vom Reflektor 13 reflektierten Strahlung gewonnen. Dabei wird hauptsächlich diejenige Strahlung detektiert, die an dem Absorberrohr 11 vorbeigeht.
Der axiale Versatz der beiden Teile 21 und 22 (5) verhindert, dass bei senkrecht zum Reflektor 13 stehender Sonne das obere Teil 22 durch das untere Teil 21 abgeschattet wird. Der Reflektor 13 wird entsprechend dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt.
2 zeigt den konstruktiven Aufbau eines Arrays der Fotosensoranordnung 20. Das Array 23 weist ein Gehäuse 28 auf, in dem eine Leiterplatte 29 angeordnet ist. Die Leiterplatte 29 trägt an ihrer Vorderseite eine Reihe aus zahlreichen Fotodioden 30, die mit ihren Anschlussbeinen 31 an der Leiterplatte festgelötet sind. Die Empfangsflächen 32 der Fotodioden sind von der Leiterplatte 29 abgewandt. Die Leiterplatte 29 trägt auf ihrer Rückseite elektronische Bausteine 33, die zur Verarbeitung der Signale der Fotodioden 30 und zu deren Stromversorgung erforderlich sind.
Die Fotodioden 30 sind in einer Frontstruktur 35 enthalten. Hierbei handelt es sich um ein geformtes Blech, das zahlreiche Vertiefungen 36 aufweist, die jeweils eine Fotodiode 30 enthalten. Die Vertiefungen 36 bilden Kanäle, welche verhindern, dass Licht, das von derselben Stelle der Streuscheibe 37 ausgeht, auf mehrere Fotodioden trifft.
Vor der Frontstruktur 35 befindet sich eine Streuscheibe 37, welche gerichtet auftreffendes Licht nach Durchgang in allen Richtungen gleichmäßig abstrahlt. Die Streuscheibe bildet einen Diffusor zur Abschwächung der Strahlung und zur Egalisierung der Richtungssensitivität der Fotodioden. Sie schließt das Ge häuse 28 an der Vorderseite ab. Die Endwände 38 des Gehäuses 28 sind schräg, so dass mehrere gleichartige Gehäuse 28 zu einer Polygonstruktur zusammengesetzt werden können.
Die von den Fotodioden erzeugten Messdaten werden bereits in der Fotosensoranordnung 20 verarbeitet und sequentiell über eine Signalleitung zu einer externen Datenerfassung geschickt. Zu diesem Zweck ist der Wagen 17 mit einem (nicht dargestellten) Schleppkabel versehen, das die Leitungen für die Stromversorgung und für die Signalkommunikation der Fotosensoranordnung überträgt. Die Multiplexer-Schaltung ermöglicht eine effiziente und schnelle Verarbeitung der von den Fotodioden gelieferten zahlreichen Daten.
Die Strahlungsmessvorrichtung eignet sich zur schnellen Ermittlung der Strahlungsflussdichte entlang eines Absorberrohres. Die Messvorrichtung kann eingesetzt werden, um Montageungenauigkeiten zu erkennen oder andere Störungen, die an dem Parabolrinnenkollektor auftreten können, beispielsweise Verschmutzung.

Claims

Strahlungsmessvorrichtung für einen Parabolrinnenkollektor (10), der ein Absorberrohr (11) und einen Reflektor (13) aufweist, mit einer Fotosensoranordnung (20), die das Absorberrohr (11) mindestens teilweise umgibt und die vom Reflektor (13) kommende Strahlung empfängt und Signale liefert, die dieser Strahlung entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fotosensoranordnung (20) Fotodioden (30) in einem Teil (21), der dem Reflektor (13) zugewandt ist, nach außen und in einem anderen Teil (22) nach innen gerichtet sind.
Strahlungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) aus mehreren polygonzugartig zusammengesetzten Arrays (23) besteht.
Strahlungsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) aus mindestens zwei in Längsrichtung des Absorberrohres (11) zueinander versetzten Teilen (21, 22) besteht.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) an einem Schlitten (17) montiert ist, der längs des Absorberrohres (11) verfahrbar ist.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) eine Frontstruktur (35) aufweist, in der Vertiefungen (36) vorgesehen sind, in denen die Empfangsflächen (32) der Fotodioden (30) zurückliegend angeordnet sind.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) vor den Fotodioden (30) eine Streuscheibe (37) aufweist.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren der Fotosensoranordnung (20) an einer Leiterplatte (29) befestigt sind.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoranordnung (20) eine Multiplexerschaltung enthält, die die Signale der Fotosensoren sequentiell einer externen Datenerfassung zuführt.