DE19707461A1 - Meßvorrichtung zum Messen konzentrierter Lichtstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen konzentrierter Sonnenstrahlung, beispielsweise in einem Solarkraftwerk.

Für Anwendungen, bei denen das Sonnenlicht auf einen Punkt oder eine Fläche fokussiert wird, sind Messungen im Fokus notwendig, um Informationen über die Fluß­ dichte der konzentrierten Strahlung und damit über die maximal erreichbare Temperatur zu gewinnen. Eine solche Anwendung ist z. B. ein Solarturmkraftwerk. Bei einer solchen Anlage wird die Sonnenstrahlung von einer Viel­ zahl von reflektierenden Heliostaten auf einen Empfän­ ger fokussiert. Der Empfänger befindet sich derart auf einem hohen Turm, daß er die reflektierte Sonnenstrah­ lung aller Heliostaten empfangen kann. Die Apertur des Empfängers kann bis zu mehreren Quadratmetern groß sein.

Die Flußdichte der konzentrierten Sonnenstrahlung im Brennfleck kann mit Hilfe von Kalorimetern oder Radio­ metern gemessen werden. Dies ist allerdings ein lang­ wieriger Prozeß, da die Kalorimeter schrittweise über die Fläche des Brennflecks verfahren und für die Mes­ sung jeweils angehalten werden müssen. Die Abtastung einer Fläche von einigen Quadratmetern beansprucht so mindestens einige Minuten. Transientenmessungen, z. B. bei Wolkendurchgängen, sind daher mit diesem Meßverfah­ ren nicht möglich.

Eine andere Möglichkeit bietet die Abtastung der Meß­ fläche mittels einer Videokamera. Dazu wird ein weißer, diffuser Reflektorschirm in den Fokus gefahren. Eine Videokamera zeichnet die Intensität der reflektierten Strahlung auf. Anhand einer Eichung kann die Verteilung des einfallenden Lichtes in W/m² eingegeben werden. Im Brennfleck erreicht die Flußdichte Werte bis über 10 MW/m². Dies führt zu Temperaturen von über 1000°C. Ohne aufwendige Kühlung kann daher der Reflektorschirm nur für kurze Zeit in dem Brennfleck verbleiben. Der Reflektor kann als große Platte in den Strahlungsfluß gefahren oder geschwenkt werden. Da aber bei bestimmten Anwendungen Flächen von mehreren Quadratmetern vermes­ sen werden, würde eine solche Platte sehr groß werden. Der Reflektor wäre dann nicht mehr schnell verfahrbar und würde somit zu lange dem konzentrierten Strahlungs­ fluß ausgesetzt sein. Außerdem würde der Empfänger zum Zeitpunkt der Messung vollständig abgedeckt sein, so daß keine Strahlung in den Empfänger eingekoppelt wird, was einen unerwünschten Lastwechsel an einem an den Empfänger angeschlossenen Kraftwerk zur Folge hätte.

Diese Nachteile können vermieden werden, indem anstatt eines plattenförmigen Reflektors ein balkenförmiger Reflektor verwendet wird, der durch den Strahlengang bewegt wird. Da der Balken weniger Masse hat, kann die Fahrgeschwindigkeit erhöht und damit die Verweildauer im Strahlungsfluß reduziert werden. Die Videokamera nimmt dann anstatt eines einzigen Bildes eine Reihe von Schnappschüssen des sich bewegenden Reflektors auf. Mit einem Bildverarbeitungssystem werden dann die den Re­ flektor zeigenden Bildanteile aus den einzelnen Bildern extrahiert und zu einem Strahlungsflußbild zusammenge­ setzt.

Die Kamera muß eine Meßfläche mit einer Größe von bis zu mehreren Quadratmetern erfassen können. Deshalb ist es erforderlich, sie in einem gewissen Abstand zu dem Fokus aufzustellen. Dieser Minimalabstand beträgt bei großen Brennflecken etwa 10 m. Wollte man die Kamera an einem Turm eines Solarturmkraftwerkes anbringen, müßten erhebliche Schwierigkeiten überwunden werden, denn sol­ che Türme sind bis zu 140 m hoch. An dem Turm müßte ein Ausleger für die Kamera befestigt werden. Dieser Aus­ leger wäre jedoch erheblichen Winden ausgesetzt, was zu Ungenauigkeiten in der Kameraausrichtung führen würde. Weiterhin müßte die Kamera wetterdicht gekapselt wer­ den. Dies und die schlecht zugängliche Lage der Kamera werfen Probleme bei der Wartung der Meßeinrichtung auf. Aus diesen Gründen wird die Kamera bei derzeitigen An­ wendungen am Boden aufgestellt, was Aufnahmeentfernun­ gen von bis zu 150 m zur Folge hat (s. z. B. HERMES II, ein Heliostat- und Receiver-Meßsystem, Neumann, A; So­ lares Testzentrum Almeria, Berichte der Abschlußpräsen­ tation des Projekts SOTA; Verlag C.F. Müller, Karlsru­ he; 1993).

Um eine geometrisch richtige Bildverarbeitung zu ermög­ lichen, müssen Kontrollpunkte aufgenommen werden. Diese Kontrollpunkte sind geometrisch vermessene Punkte am Empfänger oder an einer anderen vergleichbaren Stelle. Für alle Messungen darf die Kameraausrichtung dann nicht mehr verändert werden. Unterläuft bei der Aufnah­ me der Kontrollpunkte ein Fehler, so haben alle folgen­ den Messungen nur geringe oder keine Aussagekraft.

Da die Videokamera als Ausgangssignale nur relative Grauwerte ausgibt, muß das System geeicht werden. Dabei werden den Grauwerten Strahlungsflüsse in der Ebene des Brennfleckes mit einer Einheit W/m² zugeordnet. Insbe­ sondere bei auf die Kamera aufgesetzten Optiken, wie z. B. bei derartigen Entfernungen benötigte Teleoptiken, ergeben sich durch Linsenfehler und reduzierte Trans­ mission Probleme bei der Eichung.

Bedingt durch den großen Abstand der Kamera zu dem Emp­ fänger kann der Reflektorbalken nicht beliebig schmal ausgeführt sein, da die Kamera sonst nicht den den Bal­ ken enthaltenden Bildausschnitt mit ausreichender Ge­ nauigkeit auflösen kann. Liegt der Brennfleck hinter Glasscheiben oder Filtern, kann die Kamera den Reflek­ tor meistens nicht aufnehmen, da Reflexionen an der Glasscheibe auftreten oder das Spektrum durch einen Filter verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvor­ richtung mit kleinen Abmessungen zu schaffen, so daß die Kamera nah am Fokus der konzentrierten Lichtstrah­ lung angeordnet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weist einen strei­ fenförmigen Reflektor auf, der in bezug auf die Haut­ einfallsrichtung des Strahlungskegels der konzentrier­ ten Lichtstrahlung geneigt ist und quer zur Richtung des einfallenden Lichts bewegt wird. Die Kamera ist mit ihrer optischen Achse unter einem Winkel von maximal 20°, vorzugsweise maximal 10° oder 5°, und insbesondere 0°, zur Bewegungsrichtung des Reflektors angeordnet. Der Reflektor ist derart schräggestellt, daß das re­ flektierte Licht von der Kamera erfaßt werden kann. Da die Kamera den Reflektor ohne wesentlichen Wanderbe­ reich aufnehmen kann, ist es möglich, die Kamera nah am Reflektor anzuordnen, so daß die Kamera nur über einen kleinformatigen Erfassungsbereich verfügen muß. Die Kamera muß lediglich eine ausreichende Tiefenschärfe aufweisen, um den Reflektor in allen Position abbilden zu können. Somit ergibt sich ein sehr kleinformatiger, sogar flacher Aufbau der Meßvorrichtung. Daher kann die gesamte Meßvorrichtung einschließlich Reflektor und Kamera wie eine Scheibe vor dem Empfänger angebracht und in den Turm integriert werden. Durch diese direkte Anordnung entfällt die Notwendigkeit, Teleoptiken zu benutzen oder konstruktiv aufwendige Kameraausleger am Turm zu schaffen. Das Bild des Reflektors füllt die Erfassungsfläche der Kamera ganz oder im wesentlichen aus, so daß ein hoher Wirkungsgrad der Wärmeerfassung gegeben ist.

Bevorzugterweise ist die Kamera an einer Tragvorrich­ tung befestigt, die den Reflektor durch das einfallende Licht bewegt. Dadurch wird der Abstand von der Kamera zu der Meßfläche festgelegt, so daß die Kamera bei dem Zusammenbau der Meßvorrichtung nur ein einziges Mal ju­ stiert werden muß und nicht vor jeder neuen Messung mit Hilfe von Kontrollpunkten ausgerichtet werden muß.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Kamera eine Zeilenkamera. Eine Zeilenkamera nimmt im Gegensatz zu einer Vollbildkamera nur eine einzige Zei­ le von Bildpunkten auf. Die Zeilenkamera ist so ausge­ richtet, daß sie den Reflektor in allen Positionen er­ fassen kann. Es ist möglich, eine Zeilenkamera zu be­ nutzen, weil der Reflektor, wenn er sich durch das ein­ fallende Licht bewegt, nur seinen Abstand zu der Kamera ändert, seine Ausrichtung zu der Kamera ansonsten aber gleichbleibt. Der Aufwand bei der Bildverarbeitung wird erheblich verringert, da nur noch die einzelnen Zeilen zu einem Bild zusammengefügt werden müssen und nicht einzelne Bildausschnitte aus den komplett aufgenommenen Bildern herausgenommen und dann wieder zusammengefügt werden müssen.

Der Reflektor kann aus einem transparenten Diffusor, der senkrecht zur Haupteinfallsrichtung des Strahlungs­ kegels angeordnet ist, und einem in Richtung des Strah­ lungsflusses hinter dem Diffusor angeordneten Spiegel bestehen. Der Spiegel ist an einer Kante des Diffusors unter einem Winkel von 45° befestigt, wobei die Öff­ nungsseite des Winkels zu der Kamera orientiert ist. Dieser Aufbau des Reflektors hat den Vorteil, daß der Öffnungswinkel, unter dem einfallende Strahlung erfaßt wird, vergrößert wird. So können für jeden Meßpunkt auch Strahlungskomponenten derjenigen Heliostate emp­ fangen werden, die unter einem Winkel von bis zu annä­ hernd 90° bezüglich der Haupteinfallsrichtung des ein­ fallenden Lichts angeordnet sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Solarturm­ kraftwerks,

Fig. 2 eine Draufsicht der Meßvorrichtung,

Fig. 3 die Vorderansicht der Meßvorrichtung und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.

In Fig. 1 ist ein Solarturmkraftwerk 20 gezeigt. Auf einem etwa 140 m hohen Turm 21 befindet sich eine Ab­ deckung 22, die einen Empfänger oder Absorber enthält, auf den das Sonnenlicht gelenkt wird. Dieser Empfänger dient als Umsetzer zur Abgabe der empfangenen Strah­ lungsenergie in Form von Wärme an ein Wärmeübertra­ gungsmedium. An der Vorderseite weist die Abdeckung 22 eine Eingangsöffnung 23 auf, deren Größe etwa der Aper­ tur des Empfängers entspricht. Der Turm 21 ist von ei­ nem Heliostatenfeld 24 umgeben. Das Heliostatenfeld 24 besteht aus einer Vielzahl einzelner auf dem Boden ste­ hender Heliostate 25, die im Bereich der Turmvordersei­ te aufgestellt sind. Heliostate 25 sind Spiegel, die das einfallende Sonnenlicht 26 gerichtet reflektieren.

Das von den Heliostaten 25 reflektierte Sonnenlicht 27 wird auf die Eingangsöffnung 23 fokussiert. Die Helio­ state 25 sind drehbar gelagert, so daß sie der Sonne nachgeführt werden können.

In Fig. 2 ist die in der Abdeckung 22 vor dem Empfänger 5 befindliche Meßvorrichtung 1 gezeigt. Die Meßvorrich­ tung 1 weist eine Kamera 2 und einen Reflektor 3 auf. Der Reflektor 3 ist beweglich angeordnet, so daß er quer durch den Strahlungskegel 4 des einfallenden Lichts bewegt werden kann. Der Strahlungskegel 4 setzt sich aus einzelnen von den Heliostate 25 reflektierten Strahlungskomponenten 27 zusammen. Die Heliostate 25 sind so ausgerichtet, daß der Brennfleck des Strah­ lungskegels 4 auf den Empfänger 5 ausgerichtet ist.

Die Haupteinfallsrichtung 4a des Lichts steht senkrecht zu der Vorderfläche 5a des Empfängers 5. Der Reflektor 3 hat die Form eines schmalen Streifens, der sich über die gesamte Höhe der Vorderfläche 5a erstreckt und we­ sentlich schmaler ist als die Vorderfläche. Er dient dazu, die Verteilung der Bestrahlungsstärke vor dem Empfänger spaltenweise zu selektieren und er ist zu diesem Zweck in horizontaler Richtung verfahrbar. Der Reflektor 3 ist in bezug auf die Haupteinfallsrichtung 4a geneigt, so daß das den Reflektor 3 treffende Son­ nenlicht reflektiert wird und die Kamera 2 die Refle­ xion aufzeichnen kann. Der Reflektor 3 ist parallel zu der Empfängerfläche 5a durch den Strahlungskegel 4 ver­ fahrbar. Die Neigung des Reflektors bleibt dabei unver­ ändert. Der Winkel der optischen Achse 2a der Kamera 2 in bezug auf die Vorderfläche 5a des Empfängers 5 be­ trägt 0°. Der Winkel des Reflektors zu der Hauptein­ fallsrichtung 4a beträgt etwa 70-80°, wenn die Kamera, wie dargestellt, senkrecht zur Haupteinfallsrichtung 4a, also parallel zur Empfängerfläche 5a, orientiert ist. Um eine diffuse Lambertsche Reflexion des Reflek­ tors 3 zu gewährleisten, ist dieser mit weißem Aluminiumoxid beschichtet.

In Fig. 3 ist die gesamte Meßvorrichtung 1 gezeigt. Der Reflektor 3 und auch die Kamera 2 sind an einem Trag­ rahmen 6 befestigt. An den beiden Enden des Reflektors 3 sind Aufnahmen 7 befestigt, die auf Längsträgern 8 und 9 des Tragrahmens 6 aufliegen, und zusammen mit dem Reflektor 3 einen Schlitten bilden, der durch ein nicht dargestelltes Antriebssystem, wie z. B. eine Spindel, längs der Längsträger 8, 9 verfahrbar ist. Ein Schritt­ motor 10 treibt das Antriebssystem an, wobei der Re­ flektor 3 in einer von Stoppern 11 begrenzten Meß­ strecke linear bewegbar ist. Die durch die Stopper 11 begrenzte Meßstrecke ist etwas größer als die Apertur des Empfängers 5. Die Kamera 2 ist an dem dem Schrittmotor 10 gegenüberliegenden Längsende des Tra­ grahmens 6 befestigt. Es wird eine Zeilenkamera 2 ver­ wendet, die einmal auf den Reflektor 3 einjustiert und dann befestigt wird. Ein Rechner 12 steuert die Koor­ dination zwischen dem Schrittmotor 10 und der Zeilenka­ mera 2. Weiterhin nimmt der Rechner die von der Zeilen­ kamera 2 erzeugten Einzelbilder auf und fügt diese zu einer Flußdichtekarte zusammen.

Bei Betrieb der Meßvorrichtung wird der Reflektor 3 kontinuierlich durch den Strahlungskegel 4 gefahren. Jedesmal, wenn der Reflektor 3 um eine Balkenbreite vorbewegt wurde, aktiviert der Rechner die Zeilenkamera 2, so daß sie das von dem Reflektor 3 reflektierte Son­ nenlicht aufnimmt und das Teilbild an den Rechner 12 ausgibt. Ist der Meßbereich vollständig durchfahren, werden in dem Rechner 12 die einzelnen spaltenförmigen Teilbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Dieses Bild gibt dann Aufschluß über die Flußdichteverteilung des Strahlungskegels 4 an dem Empfänger 5.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Reflektor 3 besteht aus einem trans­ parenten Diffusor 13, der senkrecht zu der Hauptein­ fallsrichtung 4a des Strahlungskegels 4 angeordnet ist, und aus einem Spiegel 14, der unter einem Winkel von 45° an einer Kante des Diffusors 13 befestigt ist. Die Öffnungsseite des Winkels ist auf die Kamera 2 gerich­ tet, so daß die einfallende Strahlung durch den Diffu­ sor 13 auf den Spiegel 14 gelangt und von dort auf das Objektiv der Kamera 2 gespiegelt wird. Mit dieser Aus­ führung des Reflektors 3 können auch Strahlungsanteile 27 mit größeren Einfallswinkeln gemessen werden.

Claims (5)

1. Meßvorrichtung zum Messen konzentrierter Licht­ strahlung, mit einem quer durch das einfallende Licht (4) beweglichen streifenförmigen Reflektor (3) und mit einer den Reflektor (3) beobachtenden Kamera (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (3) in bezug auf die Hauptein­ fallsrichtung (4a) des Lichts (4) schrägstehend angeordnet ist, und daß die Kamera (2) mit ihrer optischen Achse (2a) wenigstens annähernd parallel zur Bewegungsrichtung des Reflektors (3) ausge­ richtet ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kamera (2) an einer starren Tragvorrichtung (6) befestigt ist, an der der Re­ flektor (3) geführt ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (2) eine Zeilenka­ mera ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, da durch gekennzeichnet, daß der Reflektor (3) um etwa 70-80° bezogen auf die Haupteinfallsrichtung (4a) des einfallenden Lichts (4) geneigt ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reflektor (3) aus einem diffus transparenten, senkrecht zur Haupt­ einfallsrichtung (4a) des Lichts (4) angeordneten Streifen (13) mit dahinter unter 45° angeordnetem Spiegel (14) besteht.