EP2668453A2 - Verfahren und vorrichtung zur messung der reflektionseigenschaften eines reflektors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung der reflektionseigenschaften eines reflektors

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EP2668453A2
EP2668453A2 EP12708493.7A EP12708493A EP2668453A2 EP 2668453 A2 EP2668453 A2 EP 2668453A2 EP 12708493 A EP12708493 A EP 12708493A EP 2668453 A2 EP2668453 A2 EP 2668453A2
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EP
European Patent Office
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reflector
radiation
pattern
operating parameters
concentrator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12708493.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andrea Pedretti
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Airlight Energy IP SA
Original Assignee
Airlight Energy IP SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Airlight Energy IP SA filed Critical Airlight Energy IP SA
Publication of EP2668453A2 publication Critical patent/EP2668453A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/005—Testing of reflective surfaces, e.g. mirrors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • F24S23/745—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces flexible
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/80—Arrangements for controlling solar heat collectors for controlling collection or absorption of solar radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/183—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors specially adapted for very large mirrors, e.g. for astronomy, or solar concentrators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20—Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
    • F24S2050/25—Calibration means; Methods for initial positioning of solar concentrators or solar receivers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the reflection properties of a reflector in its operation according to the preamble of claim 1, a reflector unit for carrying out the method according to the preamble of claim 8 and a method for operating the reflector unit according to claim 14.
  • Reflectors of the type mentioned are known and serve various purposes, such as antennas or solar panels. Predominantly, but not exclusively, such reflectors bundle or concentrate the received radiation, as is the case in radio astronomy for parabolic antennas or in solar technology for solar concentrators. Large radio astronomical antennas have a solid structure and are correspondingly expensive, as is the case with large solar concentrators, which are used industrially in solar power plants. However, this also applies to smaller units, which are often used as a composite to direct the concentrated or concentrated radiation together on a receiver or absorber element.
  • dish sterling systems particularly in the field of solar thermal power plants, three basic forms are in use today: dish sterling systems, solar tower power plant systems and parabolic trough systems.
  • Dish Sterling systems are equipped with dual axis rotatably mounted paraboloidal mirrors, with a diameter of a few meters up to 10m and more, which then achieves powers of up to 50 kW per module.
  • the paraboloidal mirrors may be subdivided into individual mirror segments, so that the paraboloidal shape is approximated as well as possible at reasonable costs. Dish Sterling systems have not generally prevailed.
  • Solar tower power plant systems have a central, elevated (on the "tower") mounted absorber for the hundreds of thousands of individual mirrors with mirrored to him sunlight, so that the radiation energy of the sun over the many mirrors or concentrators concentrated in the absorber and so temperatures be achieved up to 1300 ° C, which is favorable for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation).
  • California Solar has a capacity of several MW.
  • the PS20 plant in Spain has an output of 20 MW.
  • Solar tower power plants (in spite of the advantageously achievable high temperatures) to date also found no greater distribution.
  • Parabolic trough power plants are widespread and have collectors in high numbers, which have long concentrators with small transverse dimension, and thus have not a focal point, but a focal line.
  • These line concentrators today have a length of 20 m to 150 m.
  • an absorber tube for the concentrated heat (up to 500 ° C), which transports the heat to the power plant.
  • transport medium z.Bsp. Thermal oil, molten salts or superheated steam in question.
  • WO 2010/037243 For mass production of collectors, in particular trough collectors, the Applicant has proposed in WO 2010/037243 a system with a pressure cell in a pressure-loaded, consisting of a flexible membrane concentrator, which is inexpensive to produce individually or in series and the parabolic shape of the ideal concentrator is sufficient approximate in order to achieve the required for an acceptable efficiency temperatures of about 500 ° C in the absorber tube or more.
  • this system can also be used for paraboloid collectors and its use in all forms of solar heat generation conceivable. It is also conceivable to use the design shown in WO 2010/037243 as reflectors for a wide variety of purposes.
  • a disadvantage of this design is one of its strongest advantages: the use of a pressure-loaded, flexible membrane as a reflector or concentrator allows a highly cost-effective design with a perfectly smooth surface, since the membrane itself must be exposed to only low pressure difference and therefore as a thin film without reinforcements (ie as a film with a perfectly smooth surface) may be formed on which a reflective layer is vapor-deposited.
  • a thin film without reinforcements ie as a film with a perfectly smooth surface
  • spherical curvature of the film can be concentrations of 50 to 80 or even reach higher concentrations, for example by sections with different radius of curvature as shown in said WO 2010/037243.
  • the reflector since the reflector is designed as a flexible membrane or foil, it itself has no rigidity and is therefore prone to deviations from the desired shape, with the result that then the efficiency of the collector unnecessarily decreases. Such deviations can have different causes, such as pressure fluctuations over the concentrator or distortion in the frame in which the concentrator is clamped. Especially with a slow drift of the curvature of the concentrator whose deviation from the desired shape can be late on the (unnecessary) power loss of the collector detect, but possibly not in a first phase of deformation, since the performance of a collector by changing Shading, cooling by wind, pollution, etc. can be affected.
  • This object is achieved by a method for measuring a reflector according to claim 1, a reflector unit according to claim 8 and an operating method for the reflector unit according to claim 14.
  • the reflector unit according to the invention has a number of measuring points in the radiation path, the currently reflected radiation can be detected with a resolution corresponding to the number of measuring points and a signal for the correction of operating parameters of the reflector unit can be generated in real time or without delay.
  • the present invention allows to monitor not only the use of flexible reflectors or concentrators, but also rigid reflectors, as these too may be subject to a delay.
  • flexible reflectors or concentrators but also rigid reflectors, as these too may be subject to a delay.
  • rigid reflectors for example, in parabolic mirrors composed of segments, the correct alignment of the individual rigid segments can be monitored.
  • the reflection properties of reflectors of any design can be continuously monitored and thus free of distortion so as to always maintain the best possible efficiency of the reflector during operation. This is true for small units as well as for large scale industrial scale reflector units, where maintaining the best possible efficiency is a relevant cost factor.
  • Fig. 1 a trough collector conventional type with a pressure cell in which a flexible concentrator is arranged
  • FIG. 2 shows a cross section through the pressure cell of the trough collector of Fig. 1, equipped according to the present invention
  • Fig. 3 shows a cross section according to Figure 2, wherein additionally the structure of the trough collector is shown schematically
  • FIG. 4 shows a cross section through the printing line of a further embodiment of a trough collector according to the invention
  • FIG. 5 shows, by way of example, various current intensity patterns of the collector of FIG. 4 at the desired curvature of the concentrator and with an undesired deformation.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the present invention with reference to a parabolic collector
  • FIG. 7 shows a cross-section through a sensor for the reflected radiation according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a trough collector 1 known to the person skilled in the art, which can be used on an industrial scale for hundreds or thousands in a solar power plant.
  • a pressure cell 3 is arranged, which has an indicated by the dashed lines 4 in the operating state by the prevailing internal pressure pad shape.
  • a flexible concentrator 13 ( Figure 2) is arranged, the incident sun rays 6, reflected, as indicated by the reflected beam 6 '.
  • the reflected beam 6 "is incident on an absorber tube 8 arranged on supports 5, which dissipates the heat concentrated on it by the reflected beams 6 'via a transport medium.
  • the frame 2 with the pressure cell 3 can be pivoted according to the position of the sun.
  • FIG 2 shows a cross section through the pressure cell 3 of the collector 1 of Figure 1, wherein for relief of the figure, various components of the collector 1 such as the pivoting device 9 ( Figure 1) are omitted or indicated only schematically.
  • the concentrator 13 incident on the sun's rays 6,6 'and as reflected beams 7,7' heat the absorber tube 8.
  • the concentrator 13 is preferably made of a flexible, thin film whose the sun's rays 6,6 'facing surface is coated with a reflective layer and thereby has the required reflection properties.
  • the path of the reflected radiation of the concentrator 13 is represented by the rays 7, 7 'and 23 (see below).
  • a pressure line 15 is conveyed by a pump 16 fluid, here ambient air, conveyed into the pressure cell 3, which is thereby inflated in a lense shape in cross section to a pad, as shown in Figure 1.
  • the pump 16 is designed as a fan which maintains the desired pressure in the interior of the pressure cell 3, but allows a change in the internal volume of the pressure cell 3, for example by wind attack readily.
  • the pressure cell 3 is divided by the concentrator 13 in an upper portion 18 and a lower portion 19, wherein the two regions 18,19 are connected by an overflow 20 with each other, so that the lower portion 19 via the upper portion 18 also below Pressure ambient air is supplied.
  • a pump 21 (again preferably a ventilator) between the two areas 18, 19 maintains a pressure gradient, so that in the upper area 19 the pressure p + ⁇ and in the lower area the pressure p prevails.
  • ⁇ is comparatively small, for example 50 mbar.
  • the concentrator 13 is pressure-loaded and thus assumes the (spherical) curvature, which reflects the incident sunrays 6, 6 'into a focal line region, in which the absorber tube 8 is arranged.
  • the stress in the concentrator film is small, so that a thin film without reinforcements, i. can be used with smooth surface.
  • Such a thin film has the required good reflection properties, but is easily rejected in disturbances occurring from its desired shape, so that their curvature no longer corresponds to the desired curvature.
  • This fault can cover the entire concentrator area, or only parts of it, up to areas of small area, which, however, in particular in the sum of thousands of collectors used in a solar power plant, can be quite relevant for its energy production.
  • a deviation from the desired curvature can also have significance for small stand-alone collectors, for example with regard to the achievable peak discharge temperature.
  • Such disturbances in the curvature of the concentrator 13 cause an incident sun ray 22 to reflect incorrectly and miss the absorber tube as a faulty reflected beam 23.
  • Shown further schematically in the figure are two rails 26, 27 connected together by a central piece 28, which are suspended laterally from the supports 8 'and carry sensors 30, which are arranged at measuring points 31.
  • the measuring points 31 are thus in the path of the reflected radiation, the sensors 30 detecting predetermined properties of the reflected radiation.
  • Such rails can be arranged over the length of a collector 1 ( Figure 1), for example, at a distance of 10m.
  • Measuring points 31 and sensors 30 can be spatially separated from one another and connected to one another, for example by glass fibers, in which case the glass fibers detect the reflected radiation at a measuring point 31 and guide it to a sensor 30 remote therefrom. This may be desirable in view of the shadow cast by a sensor or with regard to the construction of central sensors with multiple inputs, since hundreds of measuring points 31 can be provided in the case of a reflector or concentrator 13 with a large surface area. In the presently illustrated embodiment, however, the sensors 30 are arranged at the location of the measuring points 31, or the measuring points 31 coincide with the sensors 30.
  • FIG 3 shows the collector 1 of Figure 1 with the pressure cell according to Figure 2, wherein the structure is shown schematically.
  • the sensors 30 provided at the location of the measuring points 31 are connected via signal lines 32 to an evaluation unit 35 for the signals generated by the sensors 30.
  • the evaluation unit 35 is interconnected to a memory 36 for reference patterns and configured to compare the pattern of the signals received from the sensors 30 with at least one reference pattern stored in the memory 36 and to generate signals corresponding to the comparison, which in turn are fed into a controller 38 for operating parameters of the Collector 1 are fed.
  • the controller 38 controls the pumps 16, 21 (FIG. 2), the pressure generating unit 39 or the drive 40 of the pivoting unit 9 in order to control the orientation of the concentrator 13 or its curvature during operation of the collector 1 to keep optimal.
  • a reflector unit which is designed as a trough collector with a pressure cell clamped, pressure-loaded in operation concentrator membrane, wherein the controller is designed for operating parameters, parameters for the load on the concentrator diaphragm operating pressure and / or the operating voltage of a clamping device for the concentrator membrane to change such that their curvature changes.
  • the controller is designed for operating parameters, parameters for the load on the concentrator diaphragm operating pressure and / or the operating voltage of a clamping device for the concentrator membrane to change such that their curvature changes.
  • a further operating parameter for example, is the voltage introduced via the frame 2 into the concentrator 13 so that it assumes the desired spherical curvature under operating pressure.
  • the person skilled in the art will select the operating parameters which determine the optimum reflection properties of the reflector and interpret the evaluation unit and the control of the reflector unit accordingly.
  • a first set of operating parameters relates to the geometry of the curvature of the surface of the reflector and / or another set of operating parameters relates to the orientation of the reflector with respect to the radiation incident thereon.
  • Figure 4 shows schematically a further embodiment of the present invention, wherein a cross section through one half of a pressure cell 50 of a trough collector is shown.
  • the other half (not shown) is symmetrical to the half shown with respect to the line of symmetry 51.
  • the other components as illustrated by way of example in FIG. 3, have been omitted.
  • Concentrator assembly 55 in the illustrated embodiment, consists of three concentric membranes 56-58, partially nesting into each other, with the uppermost concentrator membrane 56 provided with a reflective layer.
  • the concentrator diaphragms 56 to 58 are fixed on one another by a longitudinal rail 59, which in turn is connected to the frame 54 via a tensioning element 60.
  • the membranes 56 to 58 are arranged individually on a center strip 62, the membranes 58 and 59 also being fastened here via clamping elements 61 and 62.
  • Three fans 63 to 65 represent the pressures necessary for operation in the spaces formed by the membranes 56 to 58. This arrangement is described in WO 2010/037243 and known to the person skilled in the art.
  • three sections 66 to 68 with different spherical curvature of the reflective membrane 56 whereby the Curvature improved approximated to a parabola and the radiation correspondingly improved concentrated against the absorber tube 69 and thus a higher concentration is achieved.
  • four pressure chambers namely the upper region 70 of the pressure cell 50, the lower region 71 of the pressure cell and the first and the second pressure chambers 72, 73 are provided between the concentrator membranes 56 to 58 and three clamping elements 60 to 62, or four operating parameters relating to pressure and three operating parameters relating to voltage, wherein a deviation of each of these operating parameters leads to a reduction of the achievable concentration of the collector.
  • other operating parameters are available depending on the specific design, or, in the case of a simple or stand-alone design, only a single one. For all operating parameters, however, it applies that the person skilled in the art who has designed the concrete collector knows their influence on the mode of action of the collector and thus can define the displayed correction of the respective operating parameters in the event of an undesired deviation of the concentration.
  • Measuring points 31 lie on a rail 75 arranged in the pressure cell 50, whose suspensions 76 in the pressure cell 50 are shown only schematically by fasteners 72. At least one measuring point 31 per section 66 to 68, preferably 10, particularly preferably 20 or more than 20, are provided. In this case, the sensors 30 can be arranged at each measuring point 31 or, for example, optical fiber lines, as described in connection with FIG.
  • the sensors 30 measure predetermined properties of the currently reflected radiation, here their intensity or energy density (W / m 2 ), which is a direct measure of the desired concentration. Since now not the sum of the power of the sun's rays, but the distribution of the energy density to be detected, it makes sense to arrange the rail 75 at a distance from the absorber tube 69, on the one hand so that the sensors 30 as commercially available (and thus cheap and robust) photocells and on the other hand so that a sufficient or even high number of measuring points 31 can be provided without constructive problems in order to easily ensure a desired high resolution of the measurement.
  • W / m 2 intensity or energy density
  • the figure shows a preferred embodiment of a reflector unit with a reflector which is formed in a cross-section at least approximately parabolic and having a absorber element for reflected radiation, and wherein a number of Measuring points in the radiation path in front of the absorber element in a row are arranged such that the reflected radiation along this cross section can be measured.
  • FIG. 5 qualitatively shows the course of the measured values 78 determined by the sensors 30 in the embodiment of FIG. 4 with correct alignment and curvature of the concentrator arrangement 55. These measured values form a pattern of predetermined properties of the reflected radiation, in this case a measured intensity pattern of the reflected solar radiation.
  • the intensity of the radiation reflected from the outer edge regions of the concentrator is weaker than that of the inner edge regions. This is because the outer margins are more inclined to incident solar radiation, i. less radiation per surface unit is received, and because due to the opening angle of the sun, the solar radiation is not parallel, but converging incident and not parallel, but divergent reflected, so that the achievable concentration from the outer, more distant areas is necessarily reduced.
  • an intensity pattern corresponding to curves 83 through 85 may result.
  • an intensity pattern according to the curve 86 is shown.
  • the intensity pattern according to curves 80 to 82 corresponds to a correct alignment of the collector with respect to the position of the sun with a correct curvature of the concentrator arrangement 55.
  • the intensity pattern 80 to 82 once recorded in the concrete case can be picked up as an alignment reference intensity pattern for the correct or target orientation and stored in the memory for reference pattern 36 (FIG. 3).
  • further reference patterns are stored, in addition to an alignment reference intensity pattern for the correct alignment of the reflector with respect to the sun, a reference reference intensity pattern that corresponds to the desired geometry of the curvature of the reflector surface or a deformation reference intensity pattern that corresponds to a predetermined deformation of the curvature of the reflector surface corresponds to, or other intensity patterns, which the expert can define as needed.
  • alignment reference patterns for an incorrect alignment particularly preferably on both sides of the incident solar radiation, are stored in the memory 36 and the intensity pattern of the currently reflected radiation is compared with these reference patterns in the evaluation unit 35, then the direction can also be corrected in addition to the position requiring correction the correction detected and triggered by the controller 38 ( Figure 3).
  • the steps take place without delay from the recording of a current intensity pattern until it is corrected by the controller.
  • the controller it is also possible to initiate the correction by the controller at intervals or to make it dependent on the consent of an operator. It is also possible to make the correction by the controller dependent on the interpretation of the currently measured intensity pattern by the operator.
  • the evaluation unit 35 comprises a display unit of the processed signals of the sensors 31 for an operator.
  • unwanted deviations from the desired curvature of the reflector can be defined and stored as a reference pattern, in which case the corrections are automatically executed on a case-by-case basis or triggered by an operator.
  • a display unit of an operator who in turn recognizes errors in the current geometric properties of the reflector by comparison with a predetermined reference pattern (for example correct orientation or correct curvature) and deviations Manually changed the corresponding operating parameters at a time defined by it.
  • a predetermined reference pattern for example correct orientation or correct curvature
  • the overall result is a method for measuring a reflector for radiation in its operation, wherein for determining the current reflection properties of the reflector in a provided in the path of the reflected radiation from the reflector number of at least one measuring point, the pattern of predetermined properties of the currently reflected Radiation is measured and compared with a predetermined reference pattern, being closed from the comparison to the current geometric properties of the reflector and with undesirable geometrical properties corresponding operating parameters of the reflector are changed.
  • a parameter influencing the reflection properties of the reflector is triggered in order to reduce the extent of the undesired deviation of the intensity pattern.
  • an operating method results in which reference patterns to be created in a first step, in a second step determines the operating parameters associated with the reference patterns, in a third step sets the operating parameters on the reflector unit, in a fourth step the measured values of currently reflected radiation determined and stored as respective reference pattern in the memory for reference pattern.
  • alignment reference patterns can be created by predetermined orientation of the reflector unit with respect to the incident radiation in them, which preferably also include obliquely incident solar radiation according to the changing time of day.
  • a reference reference pattern can be created.
  • Figure 6 shows another embodiment of the present invention. Shown is a parabolic collector 90, consisting of paraboloid-shaped individual mirrors 91, which are arranged on a frame 92 and aligned against a common, indicated by dashed lines combustion region 93, in which an absorber element 94 is arranged. Incident solar radiation 95,95 'is transmitted as reflected radiation 96,96' towards the focal region 93, i. the absorber element 94 directed.
  • Such an arrangement basically allows higher concentrations than can be achieved with trough collectors (the theoretically maximum concentration of the trough collector is 216, that of the parabolic collector over 40 ⁇ 00).
  • a grid 97 is indicated, at the corners measuring points 31, which are here occupied by sensors 30.
  • the sensors 30 also preferably measure the energy density of the current from each individual mirror 91 at the location of the respective point of supply 31 to the combustion area 93 reflected radiation.
  • each measuring point 31 per individual mirror 91 suffices to detect the correct / incorrect alignment of the associated individual mirror 91, since with proper alignment, each one Sensor 30 measures the same intensity of reflected radiation 96 '. If the individual mirrors 91 are not identical in construction, according to the above, after calibration of the alignment of the single mirrors 91, an alignment reference intensity pattern may be taken and stored.
  • a plurality of measuring points are provided for each of the individual mirrors, which in addition to the orientation of the individual mirrors still allow the detection of deviations in the curvature, analogous to the method illustrated with reference to FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 7 shows the cross section through a rail 26, 27 (FIG. 3) or a rail 75 (FIG. 4) or a branch of the grille 97 (FIG. 6).
  • a transmitter 104 for the signals of a arranged on the outer side 105 of the support plate 102 photodiode 106. Since the outer side 104 of the concentrator 13 ( Figure 2) and Reflected radiation 6 ', 7', 23 ( Figure 2) incident on the photodiode 106.
  • a transparent to the radiation to be detected cover 107 surrounds the photodiode and protects it from contamination.
  • the shell 107 (which in turn is formed as a profile) may be vapor-deposited with a semipermeable layer 108 to reduce the intensity of the incident radiation 6 ', 7', 23 (FIG. 2), allowing the use of conventional photodiodes.
  • the person skilled in the art can then design the evaluation electronics 104 in such a way that, despite the radiation radiation reduced by the coating 108. incidence of the real reflected radiation corresponding signal to the evaluation unit 35 ( Figure 3) transmitted.
  • a signal line 109 which runs from the transmitter 104 to the line 32 ( Figure 2), which in turn passes the signals of the transmitter 104 to the evaluation unit 35 ( Figure 3).
  • the rail 26, 27 shown in FIGS. 2 and 3, or the rail 75 of FIG. 4 runs in the direction of the curvature of the concentrator 13 (FIGS. 2, 3) or the concentrator arrangement 55 (FIG. 4), with the rail 26 on the rail 26 , 27,75 arranged measuring points 31 and sensors 30 in a row lie in a line, which follows the curvature of the concentrator 13 and the Konzentra- toran Elizabeth 55.
  • the person skilled in the art can determine a different arrangement of the measuring points 31 depending on the suitability in the specific case.
  • the profile 100 expediently simultaneously forms the rail 26, 27, 75, while the cover 108 is continuous or not, in any case provided at the location of each sensor 30 formed by the photodiode 106 and the evaluation electronics 104.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Reflektionseigenschaften eines Reflektors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Reflektionseigenschaften eines Reflektors in dessen Betrieb gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Reflektoreinheit zur Ausführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff von Anspruch 8 und ein Verfahren zum Betrieb der Reflektoreinheit nach Anspruch 14.
Reflektoren der genannten Art sind bekannt und dienen verschiedensten Zwecken, beispielsweise als Antennen oder Solarkollektoren. Überwiegend, aber nicht ausschliesslich, wird durch solche Reflektoren die empfangene Strahlung gebündelt bzw. konzentriert, wie es in der Radioastronomie für Parabolantennen oder in der Solartechnik für Solarkonzentratoren der Fall ist. Grosse radioastronomische Antennen besitzen eine feste Struktur und sind entsprechend teuer, wie dies auch bei grossen Solarkonzentratoren, die industriell in Solarkraftwerken eingesetzt werden, der Fall ist. Dies gilt aber auch für kleinere Einheiten, die oft als Verbund eingesetzt werden, um die gebündelte bzw. konzentrierte Strahlung gemeinsam auf einem Empfänger bzw. Absorberelement zu richten.
Insbesondere im Bereich der solarthermischen Kraftwerke sind heute drei Grundformen im Ein- satz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.
Dish-Sterling-Systeme sind mit zweiachsig drehbar gelagerten Paraboloidspiegeln ausgerüstet, mit einem Durchmesser von wenigen Metern bis zu 10m und mehr, wobei dann Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreicht werden. Die Paraboloidspiegel können in einzelne Spiegelsegmente un- terteilt sein, damit die Paraboloidform bei noch vertretbaren Kosten möglichst gut angenähert ist. Dish-Sterling-Systeme haben sich nicht generell durchgesetzt.
Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch Hunderte bis Tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Son- nenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300° C erreicht werden sollen, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluid- turbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW. Die Anlage PS20 in Spanien besitzt eine Leistung von 20 MW. Solarturmkraftwerke haben (trotz der vorteilhaft erreichbaren hohen Temperaturen) bis heute ebenfalls keine grössere Verbreitung gefunden.
Parabolrinnenkraftwerke jedoch sind verbreitet und besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500°C), das die Wärme zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt z.Bsp. Thermoöl, geschmolzene Salze oder überhitzter Wasserdampf in Frage.
Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk "Nevada Solar One" besitzt Rinnenkollektoren mit 182'400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Andasol 3 in Spanien ist seit September 2009 im Bau, soll in 2011 den Betrieb aufnehmen, so dass die Anlagen Andasol 1 bis 3 eine Höchstleistung von 50 MW aufweisen werden.
Für die Serienproduktion von Kollektoren, insbesondere Rinnenkollektoren hat die Anmelderin in WO 2010 / 037243 ein System mit einem in einer Druckzelle druckbelasteten, aus einer flexiblen Membran bestehenden Konzentrator vorgeschlagen, welches kostengünstig einzeln oder in Serie herzustellen ist und die Parabelform des idealen Konzentrators genügen genau annähert, um die für einen akzeptablen Wirkungsgrad geforderten Temperaturen von gegen 500°C im Absorberrohr oder mehr zu erreichen. Grundsätzlich ist dieses System auch für Paraboloid-Kollektoren verwendbar und dessen Einsatz in allen Formen von solarer Wärmeerzeugung denkbar. Ebenso ist denkbar, die in WO 2010 / 037243 dargestellte Bauform als Reflektoren für die verschiedensten Zwecke einzusetzen.
Nachteilig ist dieser Bauform einer ihrer stärksten Vorteile: die Verwendung einer druckbelasteten, flexiblen Membran als Reflektor bzw. Konzentrator erlaubt eine höchst kostengünstige Bau- form mit einwandfrei glatter Oberfläche, da die Membran selbst nur geringer Druckdifferenz ausgesetzt sein muss und deshalb als dünne Folie ohne Verstärkungen (d.h. als Folie mit einwandfrei glatter Oberfläche) ausgebildet sein kann, auf die eine reflektierende Schicht aufgedampft ist. Trotz sphärischer Krümmung der Folie lassen sich Konzentrationen von 50 bis 80 oder sogar noch höhere Konzentrationen erreichen, beispielsweise durch Abschnitte mit verschiedenem Krümmungsradius wie dies in der genannten WO 2010 / 037243 dargestellt ist.
Da aber der Reflektor als flexible Membran oder Folie ausgebildet ist, besitzt er selbst keine Stei- figkeit und ist auch deshalb anfällig auf Abweichungen von der Soll-Form, mit der Folge, dass dann der Wirkungsgrad des Kollektors unnötig abnimmt. Solche Abweichungen können verschiedene Ursachen haben, wie beispielsweise Druckschwankungen über dem Konzentrator oder etwa Verzug im Rahmen, in dem der Konzentrator aufgespannt ist. Insbesondere bei einem langsamen Drift der Krümmung des Konzentrators lässt sich dessen Abweichung von der Soll-Form erst spät über den (unnötigen) Leistungsverlust des Kollektors erkennen, möglicherweise aber in einer ersten Phase der Verformung aber überhaupt nicht, da die Leistung eines Kollektors auch durch wechselnde Beschattung, Kühlung durch Wind, Verschmutzung etc. beeinträchtigt werden kann.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reflektoreinheit bereitzustellen, bei welcher der bauartbedingt bestmögliche Wirkungsgrad im Betrieb stets erreicht und aufrecht erhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vermessung eines Reflektors nach Anspruch 1, einer Reflektoreinheit nach Anspruch 8 und einem Betriebsverfahren für die Reflektoreinheit nach Anspruch 14.
Dadurch, dass die im Betrieb aktuell reflektierte Strahlung an Messpunkten erfindungsgemäss er- fasst und mit einem vorbestimmten Referenzmuster verglichen wird, können Abweichungen der aktuell reflektierten Strahlung vom Referenzmuster als unerwünschte Abweichungen erkannt und entsprechende Betriebsparameter des Reflektors mindestens teilweise verzugslos verändert werden, um die Soll-Form des Reflektors wieder herzustellen.
Dadurch, dass die erfindungsgemässe Reflektoreinheit eine Anzahl von Messpunkten im Strahlungspfad aufweist, kann die aktuell reflektierte Strahlung mit einer der Anzahl von Messpunkten entsprechenden Auflösung detektiert und in Echtzeit bzw. verzugslos ein Signal für die Korrektur von Betriebsparametern der Reflektoreinheit generiert werden.
Dadurch, dass nach der Einstellung von Betriebsparametern an der Reflektoreinheit und der anschliessenden Aufnahme des dazu gehörenden Referenzmusters für die jeweilige Reflektoreinheit am konkreten Standort individuelle Referenzmuster aufgenommen werden können, lassen sich individuell abgestimmte Referenzmuster im konkreten Fall (Standort der Reflektoreinheit und deren Bauform) bestimmen. So beispielsweise Referenzmuster für tageszeitlich schräg einfallende Sonnenstrahlung und vorbestimmte (aber unerwünschte) Deformationen des Reflektors. Schliess- lieh kann so auch eine nicht optimale oder fehlerhafte Ausrichtung des Reflektors gegenüber der Strahlungsquelle in einem Referenzmuster erfasst und damit die Ist-Ausrichtung des Reflektors laufend überwacht und gegebenenfalls korrigiert werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt, nicht nur den Einsatz flexibler Reflektoren bzw. Konzentratoren zu überwachen, sondern auch starre Reflektoren, da auch diese einem Verzug ausgesetzt sein können. Bei aus Segmenten zusammengesetzten Parabolspiegeln beispielsweise kann die korrekte Ausrichtung der einzelnen starren Segmente überwacht werden.
Zusammenfassend ist es so, dass durch die vorliegende Erfindung die Reflektionseigenschaften von Reflektoren beliebiger Bauart, seien diese flexibel oder nicht, laufend überwacht und damit verzugslos werden können, um im Betrieb den bauartbedingt bestmöglichen Wirkungsgrad des Reflektors stets aufrecht zu erhalten. Dies gilt für kleine Einheiten ebenso wie für grosse, im industriellen Massstab verwendete Reflektoreinheiten, wo die Aufrechterhaltung des bestmöglichen Wirkungsgrads ein relevanter Kostenfaktor ist.
Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren am Beispiel von Solarkollektoren näher dargestellt. Wie oben erwähnt ist aber die Erfindung bei Reflektoren für Strahlung jeder Art einsetz- bar.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Rinnenkollektor konventioneller Art mit einer Druckzelle, in welcher ein flexibler Konzentrator angeordnet ist
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Druckzelle des Rinnenkollektors von Fig. 1, ausgerüstet gemäss der vorliegenden Erfindung Fig. 3 einen Querschnitt gemäss Figur 2, wobei zusätzlich die Struktur des Rinnenkollektors schematisch dargestellt ist
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Druckzeile einer weiteren Ausführungsform eines erfindungs- gemässen Rinnenkollektors
Fig. 5 beispielhaft verschiedene aktuelle Intensitätsmuster des Kollektors von Fig. 4 bei Soll- Krümmung des Konzentrators und bei einer unerwünschten Deformation Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines Parabolkollektors
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Sensor für die reflektierte Strahlung gemäss der vorliegenden Erfindung Fig. 1 zeigt einen dem Fachmann bekannten Rinnenkollektor 1, wie er im industriellen Masstab zu Hunderten oder Tausenden in einem Solarkraftwerk verwendet werden kann. In einem Rahmen 2 ist eine Druckzelle 3 angeordnet, die im Betriebszustand durch den herrschenden Innendruck eine durch die gestrichelten Linien 4 angedeutete Kissenform aufweist. In der Druckzelle 3 ist, hier nicht sichtbar, ein flexibler Konzentrator 13 (Figur 2) angeordnet, der einfallende Sonnenstrahlen 6, reflektiert, wie dies durch den reflektierten Strahl 6' angedeutet ist. Der reflektierte Strahl6" fällt auf ein an Trägern 5 angeordnetes Absorberrohr 8, das die durch die reflektierten Strahlen 6' auf es konzentrierte Wärme über ein Transportmedium abführt.
Über eine Verschwenkeinrichtung 9 kann der Rahmen 2 mit der Druckzelle 3 dem Sonnenstand entsprechend verschwenkt werden.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Druckzelle 3 des Kollektors 1 von Figur 1, wobei zur Entlastung der Figur verschiedene Komponenten des Kollektors 1 wie beispielsweise die Verschwenkeinrichtung 9 (Figur 1) weggelassen oder nur schematisch angedeutet sind.
Dargestellt ist der Rahmen 2 sowie die Druckzelle 3, die aus einer unteren Membran 10 und einer oberen, transparenten Membran 11 gebildet ist. In der Druckzelle 3 befindet sich der Konzentrator 13, auf den Sonnenstrahlen 6,6' einfallen und als reflektierte Strahlen 7,7' das Absorberrohr 8 erwärmen. Der Konzentrator 13 besteht vorzugsweise aus einer flexiblen, dünnen Folie, deren den Sonnenstrahlen 6,6' zugewendete Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht bedampft ist und dadurch die geforderten Reflektionseigenschaften aufweist. Der Pfad der reflektierten Strahlung des Konzentrators 13 ist durch durch die Strahlen 7,7' und 23 (s. unten) dargestellt. Über eine Druckleitung 15 wird durch eine Pumpe 16 gefördertes Fluid, hier Umgebungsluft, in die Druckzelle 3 gefördert, die dadurch im Querschnitt linsenförmig zu einem Kissen aufgeblasen wird, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Bevorzugt ist die Pumpe 16 als Ventilator ausgebildet, der den gewünschten Druck im Innern der Druckzelle 3 aufrecht erhält, aber eine Änderung des Innenvolumens der Druckzelle 3 beispielsweise durch Windangriff ohne weiteres zulässt.
Die Druckzelle 3 ist durch den Konzentrator 13 in einen oberen Bereich 18 und einen unteren Bereich 19 geteilt, wobei die beiden Bereiche 18,19 durch eine Überströmleitung 20 mit einander verbunden sind, so dass der untere Bereich 19 über den oberen Bereich 18 ebenfalls mit unter Druck stehender Umgebungsluft versorgt wird. Eine Pumpe 21 (wiederum vorzugsweise ein Venti- lator) zwischen den beiden Bereichen 18,19 hält ein Druckgefälle aufrecht, so dass im oberen Bereich 19 der Druck p + Δρ und im unteren Bereich der Druck p herrscht. Δρ ist dabei vergleichsweise klein, beispielsweise 50 mbar. Einerseits wird durch diese kleine, aber genügende Druckdifferenz der Konzentrator 13 druckbelastet und nimmt so die (sphärische) Krümmung ein, welche die einfallenden Sonnenstrahlen 6,6' in einen Brennlinienbereich reflektiert, in welchem das Ab- sorberrohr 8 angeordnet ist. Andererseits ist durch die kleine Druckdifferenz die Beanspruchung in der Konzentratorfolie klein, so dass eine dünne Folie ohne Verstärkungen, d.h. mit glatter Oberfläche verwendet werden kann. Solch eine dünne Folie besitzt die erforderlichen guten Reflektionseigenschaften, verwirft sich aber bei auftretenden Störungen leicht aus ihrer Soll-Form heraus, so dass ihre Krümmung nicht mehr der Soll-Krümmung entspricht. Diese Verwerfung kann die ganze Konzentratorfläche erfassen, oder auch nur Teile davon, bis hin zu flächenmässig kleinen Abschnitten, die aber insbesondere in der Summe von Tausenden von in einem Sonnenkraftwerk eingesetzten Kollektoren für dessen Energieproduktion durchaus relevant sein können. Eine Abweichung von der Soll-Krümmung kann aber auch bei kleinen stand-alone Kollektoren beispielsweise im Hinblick auf die erreichbare Spitzentemmperatur Bedeutung haben.
Solche Störungen in der Krümmung des Konzentrators 13 führen dazu, dass ein einfallender Sonnenstrahl 22 fehlerhaft reflektiert und als fehlerhaft reflektierter Strahl 23 das Absorberrohr verfehlt. In der Figur weiter schematisch dargestellt sind zwei Schienen 26,27, miteinander verbunden durch ein Mittelstück 28, die seitlich an den Trägern 8' aufgehängt sind und Sensoren 30 tragen, welche in Messpunkten 31 angeordnet sind. Die Messpunkte 31 befinden sich somit im Pfad der reflektierten Strahlung, wobei die Sensoren 30 vorbestimmte Eigenschaften der reflektierten Strahlung erfassen. Solche Schienen können über die Länge eines Kollektors 1 (Figur 1) beispielsweise im Abstand von 10m angeordnet werden.
Messpunkte 31 und Sensoren 30 können'von einander räumlich getrennt und beispielsweise durch Glasfasern mit einander verbunden sein, wobei dann die Glasfasern an einem Messpunkt 31 die reflektierte Strahlung erfassen und zu einem von diesem entfernten Sensor 30 leiten. Dies kann im Hinblick auf den Schattenwurf eines Sensors oder im Hinblick auf die Konstruktion von zentralen Sensoren mit mehreren Eingängen wünschenswert sein, da bei einem Reflektor bzw. Konzentrator 13 mit grosser Oberfläche Hunderte von Messpunkten 31 vorgesehen werden können. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Sensoren 30 am Ort der Messpunkte 31 angeordnet, bzw. fallend die Messpunkte 31 mit den Sensoren 30 zusammen.
Figur 3 zeigt den Kollektor 1 von Figur 1 mit der Druckzelle gemäss Figur 2, wobei dessen Struktur schematisch dargestellt ist. Die am Ort der Messpunkte 31 vorgesehenen Sensoren 30 sind über Signalleitungen 32 mit einer Auswerteinheit 35 für die von den Sensoren 30 generierten Signale verbunden. Die Auswerteinheit 35 ist mit einem Speicher 36 für Referenzmuster zusammengeschaltet und ausgebildet, das Muster der von den Sensoren 30 empfangenen Signale mit mindestens einem im Speicher 36 abgelegten Referenzmuster zu vergleichen und dem Vergleich entsprechende Signale zu generieren, die ihrerseits in eine Steuerung 38 für Betriebsparameter des Kollektors 1 eingespiesen werden. Die Steuerung 38 steuert bei der hier beschriebenen Ausführungs- form entsprechend die Pumpen 16, 21 (Figur 2), der Druckerzeugungseinheit 39 oder den Antrieb 40 der Verschwenkeinheit 9 an, um die Ausrichtung des Konzentrators 13 bzw. dessen Krümmung im Betrieb des Kollektors 1 laufend optimal zu halten.
Zusammenfassend ist eine Reflektoreinheit dargestellt, die als Rinnenkollektor mit einer in einer Druckzelle aufgespannten, im Betrieb druckbelasteten Konzentrator-Membran ausgebildet ist, wobei die Steuerung für Betriebsparameter ausgebildet ist, Parameter für den auf der Konzentrator-Membran lastenden Betriebsdruck und/oder die Betriebesspannung einer Spanneinrichtung für die Konzentrator-Membran derart zu verändern, dass sich deren Krümmung verändert. An dieser Stelle sei hervorgehoben, dass je nach Bauart einer Reflektoreinheit (hier des Kollektors 1) verschiedenste Betriebsparameter die Reflektionseigenschaften dessen Reflektors (hier des Konzentrators 13) beeinflussen. Die Druckbelastung des Konzentrators 13 bzw. dessen Ausrichtung gegenüber dem Sonnenstand sind mithin nur Beispiele von solchen Betriebsparametern. Ei- nen weiteren Betriebsparameter bildet beispielsweise die über den Rahmen 2 in den Konzentra- tor 13 eingeleitete Spannung, damit dieser unter Betriebsdruck die gewollte sphärische Krümmung einnimmt. Je nach der konkreten Ausbildung der Reflektoreinheit wird der Fachmann die Betriebsparameter auswählen, welche die optimalen Reflektionseigenschaften des Reflektors bestimmen und die Auswerteinheit sowie die Steuerung der Reflektoreinheit entsprechend ausle- gen.
Bevorzugt betrifft ein erster Satz von Betriebsparametern die Geometrie der Krümmung der Oberfläche des Reflektors und/oder ein weiterer Satz von Betriebsparametern die Ausrichtung des Reflektors gegenüber der auf ihn einfallenden Strahlung.
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Querschnitt durch eine Hälfte einer Druckzelle 50 eines Rinnenkollektors dargestellt ist. Die nicht dargestellte andere Hälfte ist symmetrisch zur dargestellten Hälfte bezüglich der Symmetrielinie 51. Zur Entlastung der Figur sind die weiteren Komponenten, wie sie beispielhaft in Figur 3 darge- stellt sind, weggelassen.
Eine obere, transparente Membran 52 und eine untere Membran 53 bilden eine am Rahmen 54 angeordnete Druckzelle 50, die eine Konzentratoranordnung 55 einschliesst. Die Konzentratora- nordnung 55 besteht bei der gezeigten Ausführungsform aus drei teilweise ineinander gelegten Konzentratormembranen 56 bis 58, wobei die oberste Konzentratormembran 56 mit einer reflektierenden Schicht versehen ist. Ihrer Aussenkante entlang sind die Konzentratormembrane 56 bis 58 aufeinander liegend durch eine Längsschiene 59 fest gefasst, die ihrerseits über ein Spannelement 60 mit dem Rahmen 54 verbunden ist. An ihrer Innenseite entlang sind die Membrane 56 bis 58 einzeln an einem Mittelstreifen 62 angeordnet, wobei die Membrane 58 und 59 auch hier via Spannelemente 61 und 62 befestigt sind. Drei Ventilatore 63 bis 65 stellen die für den Betrieb notwendigen Drücke in den durch die Membrane 56 bis 58 gebildeten Räumen dar. Diese Anordnung ist in der WO 2010 / 037243 beschrieben und dem Fachmann bekannt. Durch die nur abschnittsweise aufeinander aufliegenden Membrane 56 bis 58 ergeben sich drei Abschnitte 66 bis 68 mit verschiedener sphärischer Krümmung der reflektierenden Membran 56, wodurch deren Krümmung verbessert an eine Parabel angenähert ist und die Strahlung entsprechend verbessert gegen das Absorberrohr 69 konzentriert und damit eine höhere Konzentration erreicht wird.
Vorliegend sind vier Druckräume, nämlich der obere Bereich 70 der Druckzelle 50, der untere Be- reich 71 der Druckzelle sowie der erste und der zweite Druckraum 72,73 zwischen den Konzentra- tormembranen 56 bis 58 und drei Spannelemente 60 bis 62 vorgesehen, bzw. vier Betriebsparameter betreffend Druck und drei Betriebsparameter betreffend Spannung, wobei eine Abweichung jedes dieser Betriebsparameter zu einer Reduktion der erreichbaren Konzentration des Kollektors führt. Wie erwähnt sind aber auch andere Betriebsparameter je nach der konkreten Kon- struktion vorhanden, oder, bei einer einfachen oder stand-alone Ausführung nur ein einziger. Für alle Betriebsparameter gilt jedoch, dass der Fachmann, der den konkreten Kollektor konzipiert hat, deren Einfluss auf die Wirkungsweise des Kollektors kennt und somit bei einer unerwünschten Abweichung der Konzentration die angezeigte Korrektur der jeweiligen Betriebsparameter definieren kann.
Messpunkte 31 liegen auf einer in der Druckzelle 50 angeordneten Schiene 75, deren Aufhängungen 76 in der Druckzelle 50 nur schematisch durch Befestigungen 72 dargestellt ist. Mindestens ein Messpunkt 31 pro Abschnitt 66 bis 68, vorzugsweise 10, besonders bevorzugt 20 oder mehr als 20, sind vorgesehen. Dabei können an jedem Messpunkt 31 die Sensoren 30 angeordnet sein oder beispielsweise Glasfaserleitungen, wie dies in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben ist.
Die Sensoren 30 messen vorbestimmte Eigenschaften der aktuell reflektierten Strahlung, hier deren Intensität bzw. Energiedichte (W/m2), welche ein direktes Mass für die gewünschte Konzentration ist. Da nun nicht die Summe der Leistung der Sonnenstrahlen, sondern die Verteilung der Energiedichte detektiert werden soll, macht es Sinn, die Schiene 75 im Abstand vom Absorberrohr 69 anzuordnen, einerseits damit die Sensoren 30 als handelsübliche (und damit günstige und robuste) Photozellen ausgebildet sein können und andererseits damit ohne konstruktive Probleme eine genügende bzw. auch hohe Anzahl an Messpunkten 31 vorgesehen werden kann, um auf einfache Weise eine gewünschte hohe Auflösung der Messung sicherzustellen.
Mit anderen Worten zeigt die Figur eine bevorzugte Ausführungsform einer Reflektoreinheit mit einem Reflektor, der in einem Querschnitt mindestens angenähert parabelförmig ausgebildet ist und die ein Absorberelement für reflektierte Strahlung aufweist, und wobei eine Anzahl von Messpunkten im Strahlungspfad vor dem Absorberelement in einer Reihe derart angeordnet sind, dass die reflektierte Strahlung entlang dieses Querschnitts gemessen werden kann.
Figur 5 zeigt qualitativ den Verlauf der von den Sensoren 30 in der Ausführungsform von Figur 4 ermittelten Messwerte 78 bei korrekter Ausrichtung und Krümmung der Konzentratoranordnung 55. Diese Messwerte bilden ein Muster von vorbestimmten Eigenschaften der aktpell reflektierten Strahlung, hier ein gemessenes Intensitätsmuster der reflektierten Sonnenstrahlung.
Generell ist es so, dass die Intensität der aus den äusseren Randbereichen des Konzentrators re- flektierten Strahlung schwächer ist als diejenige aus den innen gelegenen Randbereichen. Dies, weil die äusseren Randbereiche zur einfallenden Sonnenstrahlung stärker geneigt sind, d.h. pro Oberflächeneinheit weniger Strahlung empfangen wird, und weil auf Grund des Öffnungswinkels der Sonne die Sonnenstrahlung nicht parallel, sondern konvergierend einfällt und entsprechend nicht parallel, sondern divergierend reflektiert wird, so dass die erreichbare Konzentration aus den äusseren, weiter entfernten Bereichen zwingend reduziert ist.
Entsprechend das in der Figur dargestellte gemessene Intensitätsmuster mit den Messwerten, die auf den Kurven 80 bis 82 liegen, welche Kurven den Messwerten aus den Abschnitten 66 bis 68 entsprechen. Bei Beschattung kann sich ein Intensitätsmuster entsprechend den Kurven 83 bis 85 ergeben. Bei einem Fehler in der Krümmung des Konzentrators (s. den einfallenden Sonnenstrahl 22 und dessen reflektierter Strahl 23 von Figur 3) ein Intensitätsmuster gemäss der Kurve 86.
Oben ist erwähnt, dass das Intensitätsmuster gemäss den Kurven 80 bis 82 einer korrekten Ausrichtung des Kollektors gegenüber dem Sonnenstand bei einer korrekten Krümmung der Kon- zentratoranordnung 55 entspricht. Damit kann das im konkreten Fall einmal aufgenommene Intensitätsmuster 80 bis 82 als Ausrichtungs-Referenzintensitätsmuster für die korrekte bzw. Soll- Ausrichtung aufgenommen und im Speicher für Referenzmuster 36 (Figur 3) abgelegt werden.
Bevorzugt werden weitere Referenzmuster abgelegt, neben einem Ausrichtungs- Referenzintensitätsmuster für die korrekte Ausrichtung des Reflektors gegenüber der Sonne auch ein Soll-Referenzintensitätsmuster, das der Soll-Geometrie der Krümmung der Reflektoroberfläche entspricht oder ein Deformations-Referenzintensitätsmuster, das einer vorbestimmten Deformation der Krümmung der Reflektoroberfläche entspricht, oder weitere Intensitätsmuster, die der Fachmann nach Bedarf definieren kann. Werden beispielsweise Ausrichtungs-Referenzmuster für eine fehlerhafte Ausrichtung, besonders bevorzugt zu beiden Seiten der einfallenden Sonnenstrahlung, im Speicher 36 abgelegt und das Intensitätsmuster der aktuell reflektierten Strahlung mit diesen Referenzmustern in der Auswert- einheit 35 verglichen, kann neben der korrekturbedürftigen Lage auch zugleich die Richtung der Korrektur erkannt und durch die Steuerung 38 (Figur 3) ausgelöst werden. Vorzugsweise erfolgen die Schritte von der Aufnahme eines aktuellen Intensitätsmusters bis zur Korrektur durch die Steuerung verzugslos. Möglich ist aber auch, die Korrektur durch die Steuerung in Intervallen zu initiieren oder von der Zustimmung einer Bedienperson abhängig zu machen. Ebenfalls möglich ist es, die Korrektur durch die Steuerung von der Interpretation des aktuell gemessenen Intenstäts- musters durch die Bedienperson abhängig zu machen. In diesem Fall umfasst die Auswerteinheit 35 eine Anzeigeeinheit der durch sie aufbereiteten Signale der Sensoren 31 für eine Bedienperson. Analog können unerwünschte Abweichungen von der Soll-Krümmung des Reflektors definiert und als Referenzmuster abgelegt werden, wobei dann die Korrekturen fallweise automatisch ablaufen oder von einer Bedienperson ausgelöst werden. Alternativ ist es auch möglich, das Intensitätsmuster der aktuell reflektierten Strahlung durch eine Anzeigeeinheit einer Bedienperson anzuzeigen, die ihrerseits durch einen Vergleich mit einem vorbestimmten Referenzmuster (beispielswei- se richtige Ausrichtung oder richtige Krümmung) Fehler in den aktuellen geometrischen Eigenschaften des Reflektors erkennt und bei Abweichungen die entsprechenden Betriebsparameter zu einem von ihr definiertem Zeitpunkt manuell verändert.
Im Ganzen ergibt sich ein Verfahren zur Vermessung eines Reflektors für Strahlung in dessen Be- trieb, bei dem zur Bestimmung der aktuellen Reflektionseigenschaften des Reflektors in einer im Pfad der vom Reflektor reflektierten Strahlung vorgesehenen Anzahl von mindestens einem Messpunkt das Muster von vorbestimmten Eigenschaften der aktuell reflektierten Strahlung gemessen und mit einem vorbestimmten Referenzmuster verglichen wird, wobei aus dem Vergleich auf die aktuellen geometrischen Eigenschaften des Reflektors geschlossen und bei unerwünsch- ten geometrischen Eigenschaften entsprechende Betriebsparameter des Reflektors verändert werden. Insbesondere wird bei einer unerwünschten Abweichung des Intensitätsmusters von einem Referenzintensitätsmuster ein die Reflektionseigenschaften des Reflektors beeinflussender Parameter angesteuert, um das Mass der unerwünschten Abweichung des Intensitätsmusters zu verkleinern. Aus den oben geschilderten Verfahrensschritten ergibt sich weiter ein Betriebsverfahren bei welchem in einem ersten Schritt zu erstellende Referenzmuster, in einem zweiten Schritt die zu den Referenzmustern gehörenden Betriebsparameter bestimmt, in einem dritten Schritt die Betriebsparameter an der Reflektoreinheit eingestellt, in einem vierten Schritt die Messwerte der aktuell reflektierten Strahlung bestimmt und als jeweilige Referenzmuster im Speicher für Referenzmus- ter abgelegt werden.
Dazu können durch vorbestimmte Ausrichtung der Reflektoreinheit gegenüber der in sie einfallenden Strahlung Ausrichtungsreferenzmuster erstellt werden, die bevorzugt auch schräg einfallende Sonnenstrahlung entsprechend der wechselnden Tageszeit umfassen.
Weiter können durch vorbestimmt verschiedene Druckbeaufschlagung und/oder Aufspannung eines als in einer Druckzelle mit Druck beaufschlagten, als Konzentrator-Membran ausgebildeten Reflektors Deformations-Referenzmuster erstellt werden. Schliesslich kann durch korrekte Einstellung von Betriebsparametern der Reflektoreinheit ein Soll- Referenzmuster erstellt werden.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist ein Para- bol-Kollektor 90, bestehend aus paraboloid-förmigen Einzelspiegeln 91, die auf einem Rahmen 92 angeordnet und gegen einen gemeinsamen, gestrichelt angedeuteten Brennbereich 93 ausgerichtet sind, in welchem ein Absorberelement 94 angeordnet ist. Einfallende Sonnenstrahlung 95,95' wird als reflektierte Strahlung 96,96' gegen den Brennbereich 93, d.h. das Absorberelement 94 gerichtet. Solch eine Anordnung erlaubt grundsätzlich höhere Konzentrationen, als sie mit Rinnenkollektoren erreichbar sind (die theoretisch maximal mögliche Konzentration des Rinnenkol- lektors beträgt 216, diejenige des Parabol-Kollektors über 40Ό00).
In der Figur ist ein Gitter 97 angedeutet, an dessen Ecken Messpunkte 31, die hier mit Sensoren 30 besetzt sind. Die Sensoren 30 messen hier ebenfalls bevorzugt die Energiedichte der aktuell von jedem Einzelspiegel 91 am Ort des jeweiligen esspunkts 31 zum Brennbereich 93 reflektierten Strahlung.
Sind die Einzelspiegel 91 identisch gebaut und befindet sich jeder Messpunkt 31 in derselben Re- lativposition zu dem ihm zugeordneten Einzelspiegel 91 genügt ein Messpunkt 31 pro Einzelspiegel 91, um die korrekte/ nicht korrekte Ausrichtung des zugeordneten Einzelspiegels 91 zu erkennen, da bei richtiger Ausrichtung jeder Sensor 30 dieselbe Intensität der reflektierten Strahlung 96' misst. Sind die Einzelspiegel 91 nicht identisch gebaut, kann entsprechend der obigen Ausführungen nach einer Kalibrierung der Ausrichtung der Einzelspiegel 91 ein Ausrichtungs- Referenzintensitätsmuster aufgenommen und gespeichert werden.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform sind für jeden der Einzelspiegel mehrere Messpunkte vorgesehen, die neben der Ausrichtung der Einzelspiegel noch die Erfassung von Abweichungen in der Krümmung erlauben, analog zu dem anhand der Figuren 3 bis 5 dargestellten Ver- fahren.
Die Ausbildung und Anordnung des Gitters 97 mit den daran vorgesehenen Messpunkten 98 kann durch den Fachmann anhand des konkreten Kollektors leicht vorgenommen werden. Figur 7 zeigt den Querschnitt durch eine Schiene 26,27 (Figur 3) bzw. eine Schiene 75 (Figur 4) oder einem Ast des Gitters 97 (Figur 6).
Dargestellt ist ein Querschnitt durch einen Sensor 30 auf einer Schiene 26,27 oder 75, die ihrerseits ein kastenförmiges Profil 100 aufweist, das auf einer Seite offen ist und dort über Nuten 101 eine Trägerplatte 102 hält. Auf der dem Inneren des Profils 100 zugewendeten Seite 103 der Trägerplatte 102 befindet sich eine Auswerteelektronik 104 für die Signale einer auf der äusseren Seite 105 der Trägerplatte 102 angeordneten Photodiode 106. Da die die äussere Seite 104 dem Konzentrator 13 (Figur 2) bzw. der Konzentratoranordnung 55 (Figur 4) zugewendet ist, fällt reflektierte Strahlung 6',7',23 (Figur 2) auf die Photodiode 106. Eine für die zu erfassende Strahlung transparente Hülle 107 umgibt die Photodiode und schützt diese vor Verschmutzung. Die Hülle 107 (die ihrerseits als Profil ausgebildet ist) kann mit einer halbdurchlässigen Schicht 108 bedampft sein, um die Intensität der einfallenden Strahlung 6',7',23 (Figur 2) zu reduzieren, was den Einsatz von herkömmlichen Photodioden erlaubt. Der Fachmann kann dann die Auswerteelektronik 104 derart auslegen, dass diese trotz dem durch die Beschichtung 108 reduzierten Strahlungs- einfall ein der realen reflektierten Strahlung entsprechendes Signal an die Auswerteinheit 35 (Figur 3) übermittelt. Schematisch angedeutet ist eine Signalleitung 109, die von der Auswerteelektronik 104 zur Leitung 32 (Figur 2) läuft, die ihrerseits die Signale der Auswerteelektronik 104 zur Auswerteinheit 35 (Figur 3) leitet.
Die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Schiene 26,27 bzw. die Schiene 75 von Figur 4 läuft in Richtung der Krümmung des Konzentrators 13 (Figuren 2,3) bzw. der Konzentratoranordnung 55 (Figur 4), wobei die auf der Schiene 26,27,75 angeordneten Messpunkte 31 bzw. Sensoren 30 hintereinander in einer Linie liegen, welche der Krümmung des Konzentrators 13 bzw. der Konzentra- toranordnung 55 folgt. Der Fachmann kann aber eine andere Anordnung der Messpunkte 31 je nach Zweckmässigkeit im konkreten Fall bestimmen.
Bei der in der Figur 7 gezeigten Anordnung bildet das Profil 100 zweckmässigerweise zugleich die Schiene 26,27,75, während die Abdeckung 108 durchgehend ausgebildet ist oder nicht, jedenfalls am Ort jedes durch die Photodiode 106 und die Auswerteelektronik 104 gebildeten Sensors 30 vorgesehen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vermessung eines Reflektors für Strahlung in dessen Betrieb, dadurch gekenn- zeichnet, dass zur Bestimmung der aktuellen Reflektionseigenschaften des Reflektors in einer im Pfad der vom Reflektor reflektierten Strahlung (β'^'^,θδ',θθ') vorgesehenen Anzahl von mindestens einem Messpunkt (30) das Muster von vorbestimmten Eigenschaften der aktuell reflektierten Strahlung (6',7',23,95',96') gemessen und mit einem vorbestimmten Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) verglichen wird, wobei aus dem Vergleich auf die aktuellen ge- ometrischen Eigenschaften des Reflektors geschlossen und vorzugsweise bei unerwünschten geometrischen Eigenschaften entsprechende Betriebsparameter des Reflektors verändert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Soll - Referenzintensitätsmuster der Soll-Geometrie der Krümmung der Reflektoroberfläche entspricht und eine Abweichung des aktuell gemessenen Intensitätsmusters vom Soll - Referenzintensitätsmuster als Abweichung der Reflektoroberfläche von ihrer Soll-Krümmung interpretiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Deformations - Referenzintensitätsmuster einer vor- bestimmten Deformation der Krümmung der Reflektoroberfläche entspricht und aus einer
Übereinstimmung mit dem aktuell gemessenen Intensitätsmuster auf die aktuelle Deformation der Reflektoroberfläche geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ausrichtungs-Referenzintensitätsmuster einer vorbe- stimmten Ausrichtung des Reflektors gegenüber der zu reflektierenden Strahlung entspricht und eine Abweichung des aktuell gemessenen Intensitätsmusters vom Ausrichtungs- Referenzintensitätsmuster als Abweichung der Reflektoroberfläche von ihrer Soll- Ausrichtung interpretiert wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Anzahl von Messpunkten (31) entlang einer Linie gruppiert werden, die für die Krümmung des Reflektors charakteristisch ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Reflektor als im Betrieb druckbeaufschlagte Konzentrator-Membran (13,55) zur Konzentration von Sonnenstrahlung (6,7,22,96,97) ausgebildet ist und wobei durch den mindestens einen Messpunkt (30) die Intensität der reflektierten Sonnenstrahlung (6',7',23,95',96') gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einer unerwünschten Ab- weichung des aktuell gemessenen Intensitätsmusters von einem Referenzintensitätsmuster ein die Reflektionseigenschaften des Reflektors beeinflussender Parameter angesteuert wird, um das Mass der unerwünschten Abweichung des Intensitätsmusters mindestens zu verkleinern. 8. Reflektoreinheit zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Reflektor mit einem Pfad für von ihm reflektierte Strahlung aufweist, gekennzeichnet durch eine Anzahl von mindestens einem, im Strahlungspfad angeordneten Messpunkten (31) und diesen Messpunkten zugeordneten Sensoren (30) zur laufenden Messung des durch die Anordnung der Messpunkte (31) gegebenen Musters von vorbestimmten Eigenschaften der aktuell reflek- tierten Strahlung (& ,T ,2Z,9S' und einer Auswerteinheit (35) zur Aufbereitung der Signale der Sensoren (30) für eine Anzeigeeinheit und/oder für eine Steuerung (38) von Betriebsparametern der Reflektoreinheit.
9. Reflektoreinheit nach Anspruch 8, wobei sie weiter einen Speicher (36) für die Speicherung von Referenzmustern (80 bis 82, 83 bis 85) aufweist, und die Auswerteinheit (35) ausgebildet ist, das laufend gemessene Muster mit mindestens einem der gespeicherten Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) laufend zu vergleichen, dem Vergleich entsprechende Signale zu gene¬ rieren, und wobei weiter eine Steuerung (38) für Betriebsparameter der Reflektoreinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, im Betrieb der Reflektoreinheit Betriebsparameter ent- sprechend der von der Auswerteinheit (35) übermittelten Signale zu verändern.
10. Reflektoreinheit nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein erster Satz von Betriebsparameter die die Geometrie der Krümmung der Oberfläche des Reflektors und/oder ein weiterer Satz von Betriebsparametern die Ausrichtung des Reflektors gegenüber der auf ihn einfallenden Strah- lung (6,7,22,96,97) betreffen .
11. Reflektoreinheit nach Anspruch 8, wobei der Reflektor in einem Querschnitt mindestens an¬ genähert parabelförmig ausgebildet ist und ein Absorberelement (8, 69) für reflektierte Strahlung (6',7',23,95',96') aufweist, und wobei eine Anzahl von Messpunkten (31) im Strah- lungspfad vor dem Absorberelement (8,69) in einer Reihe derart angeordnet sind, dass die reflektierte Strahlung (6',7',23,95',96') entlang dieses Querschnitts gemessen werden kann.
12. Reflektoreinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die als Solarkollektor (1) mit einem als Konzentrator (13,55) ausgebildeten Reflektor ausgebildet ist, wobei der mindestens eine
Sensor (30) ausgebildet ist, die Energiedichte der am ihm zugeordneten Messpunkt (31) herrschenden, reflektierten Sonnenstrahlung (G,T,2i$5 9G) zu messen.
13. Reflektoreinheit nach Anspruch 12, wobei der Sensor als Photodiode (106) ausgebildet ist.
14. Reflektoreinheit nach den Ansprüche 10 und 12, die als Rinnenkollektor (1) mit einer in einer Druckzelle (3,50) aufgespannten, im Betrieb druckbelasteten Konzentrator-Membran (13,55) ausgebildet ist, wobei die Steuerung (38) für Betriebsparameter ausgebildet ist, Parameter für den auf der Konzentrator-Membran (13,55) lastenden Betriebsdruck und/oder die Betrie- besspannung einer Spanneinrichtung (60 bis 621 für die Konzentrator-Membran (55) derart zu verändern, dass sich deren Krümmung verändert.
15. Verfahren zum Betrieb einer Reflektoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt zu erstellende Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85), in einem zweiten Schritt die zu den Referenzmustern (80 bis 82, 83 bis 85) gehörenden Betriebsparameter bestimmt und in einem dritten Schritt die Betriebsparameter an der Reflektoreinheit eingestellt werden, worauf in einem vierten Schritt die Messwerte der aktuell reflektierten Strahlung (δ'^'^,θδ',θβ') bestimmt und als jeweilige Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) im Speicher für Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) abgelegt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei durch vorbestimmte Ausrichtung der Reflektoreinheit gegenüber der in sie einfallenden Strahlung Ausrichtungs-Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) erstellt werden, die bevorzugt auch entsprechend der wechselnden Tageszeit verschieden schräg einfallende Sonnenstrahlung umfassen.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei durch vorbestimmt verschiedene Druckbeaufschlagung und/oder Aufspannung eines als in einer Druckzelle (3,50) mit Druck beaufschlagten, als Konzentrator-Membran (13,55) ausgebildeten Reflektors Deformations-Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) erstellt werden. Verfahren nach Anspruch 15, wobei durch korrekte Einstellung von Betriebsparametern der Reflektoreinheit ein entsprechendes Soll-Referenzmuster (80 bis 82, 83 bis 85) erstellt wird.
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