EP4182614A1 - Verfahren zur bestimmung der orientierung von spiegeln von heliostaten in einem heliostatenfeld - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der orientierung von spiegeln von heliostaten in einem heliostatenfeld

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EP4182614A1
EP4182614A1 EP21743385.3A EP21743385A EP4182614A1 EP 4182614 A1 EP4182614 A1 EP 4182614A1 EP 21743385 A EP21743385 A EP 21743385A EP 4182614 A1 EP4182614 A1 EP 4182614A1
Authority
EP
European Patent Office
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heliostat
mirror
orientation
scan data
areas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21743385.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Christoph Sattler
Joachim GÖTTSCHE
Markus Sauerborn
Cristiano José TEIXERIA BOURA
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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Publication of EP4182614A1 publication Critical patent/EP4182614A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the orientation of at least one mirror of at least one heliostat or of a frame surrounding the mirror of a heliostat in a heliostat field and a corresponding system.
  • a particular challenge with heliostat arrays is tracking the orientation of the heliostats, with the optimum orientation fundamentally depending on the position of a solar receiver to which the heliostat array is to be aligned, the position of the individual heliostats and the position of the sun. Due to the constant change in the position of the sun, tracking is essential for the efficiency of a heliostat field.
  • heliostat fields usually include a large number of heliostats which, since they are positioned differently from the receiver, each require individual and precise tracking so that the solar radiation is reflected onto the solar receiver in the desired manner.
  • each heliostat has its own tracking device, which can lead to inaccuracies in the tracking, depending on the quality of the tracking device.
  • the heliostats are During the operation of the solar power plant, they are individually directed from the solar receiver to a calibration target (this is, for example, a white area below the solar receiver), with an offset of the point of light, which is cast onto the calibration target by the respective heliostat, to the center of the calibration target is determined. The heliostat is then moved in this way until the spot of light is at a desired position in the center of the calibration target. The heliostat calibrated in this way is then directed back at the solar receiver.
  • a calibration target this is, for example, a white area below the solar receiver
  • a method for determining the orientation of at least one mirror of at least one heliostat in a heliostat field, the heliostat field having a floor surface on which the at least one heliostat is arranged comprises the steps: a) scanning the heliostat field to determine scan data or 3D scan data, wherein electromagnetic radiation is emitted and at least a portion of diffusely reflected electromagnetic radiation is received to form the scan data or 3D scan data, b) analyzing the scan data or 3D scan data with respect to a or more first areas without received reflected radiation and/or one or more second areas with received reflected radiation that stand out from the ground surface, c) determining a shape or shapes of the first area or areas and/or determining a shape or shapes of the or the second areas, and assigning the first area or areas or of the second region(s) to the or at least one heliostat, d) determining an actual orientation of the at least one mirror of at least one heliostat or of at least one heliostat,
  • the first areas for which no scan data are available therefore represent the mirror surfaces.
  • scan data are ideally available.
  • the scan data is a negative image of the mirror surfaces of the at least one heliostat in the heliostat field, in particular a negative image projected onto the ground.
  • the scan data can describe a point cloud that depicts the heliostat field.
  • the shape of conventional, rectangular mirror surfaces resulting from the scan data can be a parallelogram or trapezium, for example, or the resulting shapes can be parallelograms or trapezoids, for example.
  • the 3D scan data can be analyzed for second areas with received electromagnetic radiation that stand out spatially from the ground surface.
  • the second areas with received electromagnetic radiation which stand out spatially from the ground surface, can, for example, frame the mirrors of the heliostats, add-on parts of the heliostats, reflector surfaces provided on the mirrors of the heliostats or dirt on the mirrors of the heliostats, which - unlike Clean mirror surfaces - diffusely reflect, depict incident electromagnetic radiation. Shapes can be determined from the second areas, which allow conclusions to be drawn about the actual orientation of the at least one mirror of the at least one heliostat.
  • the position of the sun or the position of the sun relative to the heliostat field is usually known at any point in time, based on which control data for the tracking can be used to deduce the rough orientation of the mirrors of the heliostats.
  • the mirrors of the heliostats are usually aligned at least roughly in the direction of the sun, even if the orientation is imprecise. If the determination of the orientation based on the shapes of the areas without received reflected radiation does not result in a clear orientation of the respective mirror, the conclusion about the rough orientation of the mirror can be used to select the orientation from among several orientations that is suitable for the respective mirror most likely to apply.
  • the predictive method can take into account the unevenness of the ground on which the heliostat field stands, where the ground of the heliostat field has to be known for an algorithm of the predictive method, e.g. B. by a previously performed detection using a laser scanner.
  • the method makes it possible to create a valid database on the orientation of the heliostats in a heliostat field and on the change in orientation due to environmental influences or defects in the heliostats with little effort.
  • scan data of the heliostat field describe a projection of the at least one heliostat of the heliostat field in a projection plane, the projection plane running parallel to a surface of an area on which the heliostat field is located.
  • the pro- The projection plane corresponds in particular to the horizontal surface of the area on which the heliostat field is located.
  • the tolerance range of the deviation between actual and target orientation of a mirror includes a tolerance value a for the deviation of the azimuth angle and a tolerance value z for the deviation of the elevation angle of the mirror, with a deviation of the actual from the target -Orientation of a mirror is outside the tolerance range, for example when:
  • the method or system according to the invention can thus be implemented particularly preferably as a predictive method, wherein at the time the orientation is determined or before the orientation is determined for the heliostat(s) 11 in the heliostat field 10, it is calculated in advance which forms are likely to occur which position in the heliostat field 10 would have to result during scanning, so that the heliostat or heliostats 11 are aligned in the direction of the solar receiver 21 .
  • the predictively determined projected shape and the shape from the scan data can preferably be compared.
  • the predictive method can preferably include the unevenness of the ground on which the heliostat field 10 stands, the ground of the heliostat field 10 having to be known for an algorithm of the predictive method, e.g. B. by detection with a laser scanner.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von mindestens einem Spiegel (12) mindestens eines Heliostaten (11) in einem Heliostatenfeld (10), wobei das Heliostatenfeld (10) eine Bodenfläche umfasst, auf der der mindestens ein Heliostat (11) angeordnet ist, mit den Schritten: a) Scannen des Heliostatenfelds (10) zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D- Scan-Daten, wobei elektromagnetische Strahlung ausgesendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung zur Bildung der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten empfangen wird, b) Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich eines oder mehrerer erster Bereiche (12a) ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder eines oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche (12b, 12c) mit empfangener reflektierter Strahlung, c) Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der ersten Bereiche (12a) und/oder Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der zweiten Bereiche (12b, 12c), und Zuordnen des oder der ersten Bereiche (12a) bzw. des oder der zweiten Bereiche (12b, 12c) zu dem mindestens einen Heliostat (11), d) Bestimmen einer Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) aus der zugeordneten Form oder den jeweils zugeordneten Formen.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von Spiegeln von Helios- taten in einem Heliostatenfeld
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von mindestens einem Spiegel mindestens eines Heliostaten bzw. eines den Spie gel eines Heliostaten umgebenden Rahmens in einem Heliostatenfeld sowie ein entsprechendes System.
Eine besondere Herausforderung bei Heliostatenfeldern ist die Nachführung der Orientierung der Heliostaten, wobei die optimale Orientierung grundsätz lich abhängig ist von der Position eines Solarreceivers, auf den das Heliosta tenfeld ausgerichtet sein soll, von der Position der einzelnen Heliostaten sowie vom Sonnenstand. Aufgrund der ständigen Änderung des Sonnenstands, ist die Nachführung essenziell für die Effizienz eines Heliostatenfelds. Ferner um fassen Heliostatenfelder üblicherweise eine große Anzahl an Heliostaten, die, da sie unterschiedlich zum Receiver positioniert sind, jeweils eine individuelle und präzise Nachführung erfordern, damit die Solarstrahlung in gewünschter Weise auf den Solarreceiver reflektiert wird. Somit weist in der Regel jeder Heliostat eine eigene Nachführvorrichtung auf, wobei es abhängig von der Qualität der Nachführvorrichtung zu Ungenauigkeiten bei der Nachführung kommen kann. Dies führt dazu, dass Solarstrahlung den Solarreceiver verfehlt und somit ein Teil der vom Heliostatfeld zur Verfügung gestellten Strahlungs leistung nicht mehr vom Solarreceiver nutzbar gemacht werden kann oder dass Solarstrahlung nicht auf den vorgesehenen Zielpunkt auf den Solarrecei ver trifft und sich dadurch eine ungünstigere Flussdichteverteilung einstellt. Der Wirkungsgrad des Heliostatenfelds bzw. eines Solarkraftwerks mit einem Heliostatenfeld ist somit maßgeblich von der Orientierung der Heliostaten ab hängig.
Es mangelt an effizienten Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von He liostaten in einem Heliostatenfeld. Viele Heliostatenfelder weisen nur eine Ka librierungsmöglichkeit auf. Bei einer Kalibrierung werden die Heliostaten wäh- rend des Betriebs des Solarkraftwerks einzeln vom Solarreceiver auf ein Kalib rierungstarget gerichtet (dies ist z. B. eine weiße Fläche unterhalb des Solar receivers), wobei ein Offset des Lichtpunkts, der vom jeweiligen Heliostaten auf das Kalibrierungstarget geworfen wird, zum Mittelpunkt des Kalibrie rungstargets ermittelt wird. Der Heliostat wird dann so verfahren, bis sich der Lichtpunkt auf einer Sollposition in der Mitte des Kalibrierungstargets befindet. Anschließend wird der so kalibrierte Heliostat wieder zurück auf den Solarre ceiver gerichtet. Die Kalibrierung ist mit einem hohen zeitlichen Aufwand ver bunden, insbesondere bei Heliostatenfeldern mit einer großen Anzahl von He liostaten. Ferner führt die Methode zu Ungenauigkeiten, da die Nachführ genauigkeit der einzelnen Heliostaten während des Betriebs aufgrund von Ge triebespielen und unterschiedlichen Krafteinflüssen auf die Haltestruktur der Spiegel variieren bzw. sich aufgrund von Verschleiß ändern kann.
Es ist ferner erforderlich, die Heliostaten für die Kalibrierung sequenziell aus dem Fokus des Solarreceivers zu fahren, was den Kalibriervorgang für einen Heliostaten sehr langwierig macht. Die Kalibrierung des gesamten Heliostaten feldes kann daher abhängig von der Heliostatenfeldgröße sogar mehrere Wo chen dauern. In der Regel werden, um die Trackingqualität nach dem Kalibrie ren möglichst lange zu gewährleisten, relativ teure und präzise Nachführvor richtungen an den einzelnen Heliostaten eingesetzt. Etwa 50 Prozent der In vestitionskosten für ein Solarkraftwerk mit einem Heliostatenfeld entfallen üb licherweise auf das Heliostatenfeld, was nicht zuletzt durch die Erfordernisse einer präzisen Nachführung bedingt ist. Ferner liegen bei derartigen Heliosta tenfeldern vor der Kalibrierung keine präzisen Informationen zur Einhaltung oder Abweichung der Orientierung der Heliostaten vor. Mit anderen Worten: Da eine Kalibrierung ohne eine vorherige Bestimmung der Orientierung durch geführt wird, erfolgt die Kalibrierung grundsätzlich auf Verdacht, also ohne zu wissen, ob überhaupt schon eine Kalibrierung notwendig ist oder bereits deut lich früher notwendig gewesen wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein System bereitzustellen, welches die Bestimmung der Orientierung von Spiegeln von Heliostaten in einem Heliostatenfeld vereinfacht und es ermöglicht, die Nach- führung bzw. Korrektur der Orientierung der Heliostaten gegenüber dem Stand der Technik effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruch 1 defi niert. Das erfindungsgemäße System ist durch die Merkmale des Anspruchs 11 definiert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von min destens einem Spiegel mindestens eines Heliostaten in einem Heliostatenfeld, wobei das Heliostatenfeld eine Bodenfläche aufweist, auf der der mindestens eine Heliostat angeordnet ist, umfasst die Schritte: a) Scannen des Heliostatenfelds zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D-Scan- Daten, wobei elektromagnetische Strahlung ausgesendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung zur Bildung der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten empfangen wird, b) Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich eines oder meh rerer erster Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder eines oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche mit empfangener reflektierter Strahlung, c) Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der ersten Bereiche und/oder Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der zweiten Berei che, und Zuordnen des oder der ersten Bereiche bzw. des oder der zweiten Bereiche zu dem oder mindestens einem Heliostaten, d) Bestimmen einer Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des min destens einen Heliostaten oder von mindestens einem Heliostaten aus der zu geordneten Form oder den jeweils zugeordneten Formen.
Bei einem Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise Laser strahlung, auf eine Spiegelfläche eines Heliostaten, wird die elektromagneti sche Strahlung gerichtet reflektiert. Trifft die elektromagnetische Strahlung hingegen auf eine Stelle im Heliostatenfeld, die keine Spiegelfläche ist, wie beispielsweise einem Rahmen des Spiegels oder von Objekten hinter Spalten zwischen Spiegelfacetten, wird die Strahlung diffus reflektiert. Bei einer ge richteten Reflexion wird die Strahlung als Ganzes nach dem Reflexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) reflektiert, so dass beim Scannen keine reflektierte Strahlung empfangen wird. Für Spiegelflächen werden aufgrund der gerichteten Reflexion somit keine oder nahezu keine Scan-Daten empfan gen, während die diffuse Reflexion der übrigen Teile des Heliostatenfelds zu mindest teilweise empfangen werden kann, so dass Scan-Daten vorliegen. Die ersten Bereiche, für die keine Scan-Daten vorliegen, repräsentieren somit die Spiegelflächen. Für das übrige Heliostatenfeld, d. h. für diejenigen Teile des Heliostatenfelds, die keine Spiegelflächen sind, liegen idealerweise hingegen Scan-Daten vor. Die Scan-Daten sind mit anderen Worten Negativabbild der Spiegelflächen des mindestens einen Heliostaten im Heliostatenfeld, insbeson dere ein auf den Boden projiziertes Negativabbild. Die Scan-Daten können ins besondere eine Punktwolke beschreiben, die das Heliostatenfeld abbildet. Die sich aus den Scan-Daten ergebende Form von üblichen, rechteckigen Spiegel flächen kann beispielsweise ein Parallelogramm oder Trapez sein bzw. die sich ergebenden Formen können beispielsweise Parallelogramme oder Trapeze sein.
Werden beim Scannen des Heliostatenfelds 3D-Scan-Daten ermittelt, bei spielsweise als räumlich aufgelöste Punktwolke, können die 3D-Scan-Daten auf zweite Bereiche mit empfangener elektromagnetischer Strahlung, die sich räumlich von der Bodenfläche abheben, analysiert werden. Die zweiten Berei che mit empfangener elektromagnetische Strahlung, die sich räumlich von der Bodenfläche abheben, können beispielsweise Rahmen der Spiegel der Helios taten, Anbauteile der Heliostaten, an den Spiegeln der Heliostaten vorgesehe ne Reflektorflächen oder Verschmutzungen auf den Spiegeln der Heliostaten, die - anders als saubere Spiegelflächen - auftreffende elektromagnetische Strahlung diffus reflektieren, abbilden. Aus den zweiten Bereichen können Formen bestimmt werden, die einen Rückschluss auf die Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten zulassen.
Die Position des mindestens einen Heliostaten innerhalb eines Heliostatenfelds ist üblicherweise bekannt, so dass der jeweilige Bereich bzw. die jeweiligen Bereiche oder die jeweilige Form bzw. die jeweiligen Formen eindeutig jeweils einem Heliostaten zuordenbar ist bzw. sind. Durch die eindeutige Zuordenbar- keit können bei mehreren Heliostaten die Scan-Daten bei Bedarf für jeden He liostaten isoliert bzw. parallel verarbeitet werden. Beispielsweise kann dadurch ein Defekt oder eine besonders stark ausgeprägte Fehlorientierung eines be stimmten Heliostaten detektiert werden. Somit kann auf einfache Weise fest gestellt werden, ob ein bestimmter Heliostat eine entsprechende Wartung er fordert.
Ferner ist üblicherweise zu jedem Zeitpunkt der Sonnenstand bzw. die Position der Sonne relativ zum Heliostatenfeld bekannt, anhand der mittels Steue rungsdaten für die Nachführung auf die grobe Orientierung der Spiegel der Heliostaten geschlossen werden kann. So sind die Spiegel der Heliostaten in der Regel auch bei ungenauer Orientierung zumindest grob in Richtung der Sonne ausgerichtet. Ergibt sich bei der Bestimmung der Orientierung auf Grundlage der Formen der Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung keine eindeutige Orientierung der jeweiligen Spiegel, kann anhand des Rück schlusses auf die grobe Orientierung der Spiegel zwischen mehreren Orientie rungen diejenige Orientierung ausgewählt werden, die für den jeweiligen Spie gel am wahrscheinlichsten zutrifft. Mit anderen Worten: Ergibt sich durch die Bestimmung der Orientierung für einen Spiegel eine Form, die sowohl bei einer Orientierung des Spiegels in eine erste Richtung als auch bei einer Orientie rung des Spiegels in eine zweite Richtung auftreten könnte, kann anhand des Rückschlusses vom Sonnenstand grob auf die Orientierung des Spiegels ent schieden werden, ob die Ist-Orientierung des Spiegels der ersten oder der zweiten Richtung entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugt als prädikatives Verfahren implementiert sein, wobei zum Zeitpunkt der Bestimmung der Orientierung oder zeitlich vor der Bestimmung der Orientierung für den oder die Heliostaten im Heliostatenfeld im Voraus berechnet wird, welche Formen sich an welcher Position im Heliostatenfeld beim Scannen ergeben müssten, so dass der oder die Heliostaten in Richtung des Solarreceivers ausgerichtet ist.
Mit anderen Worten, für den Zeitpunkt der Bestimmung der Orientierung kann in Abhängigkeit des Sonnenstands sowie der Position des Scanners, für jeden Heliostaten im Voraus berechnet werden, wo die projizierten Spiegelflächen auf dem Erdboden auftreffen müssten, sodass der Heliostat präzise seinen Zielpunkt auf dem Receiver trifft. Auf diese Weise kann gezielt für den mindes tens einen oder jeden Heliostaten nur ein kleiner Teil der Scan-Daten für eine Analyse herangezogen werden, wodurch der Rechenaufwand reduziert wird und eine schnelle Analyse erfolgen kann. Die Analyse kann z. B. erfolgen, in dem ein Teil der Scan-Daten auf eine flache Ebene projiziert werden, sodass die prädiktive Projektion der Spiegelform mit dem Teil der Scan-Daten zügig verglichen werden kann.
Das prädiktive Verfahren kann die Unebenheiten des Bodens, auf dem das He liostatenfeld steht, einbeziehen, wobei der Boden des Heliostatenfelds für ei nen Algorithmus des prädiktiven Verfahrens bekannt sein muss, z. B. durch eine zuvor durchgeführte Erfassung mittels eines Laser-Scanners.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden keine zusätzlichen Reflektoren, die an den Heliostaten angebracht sind, benötigt. Das Verfahren kann somit auch bei bestehenden Heliostatenfeldern kostengünstig, nachträglich imple mentiert werden. Ferner ermöglicht das Verfahren mit geringem Aufwand die Schaffung einer validen Datengrundlage über die Orientierung der Heliostaten in einem Heliostatenfeld sowie über die Veränderung der Orientierung durch Umwelteinflüsse oder durch Defekte an den Heliostaten.
Das Scannen des Heliostatenfelds erlaubt es unabhängig von der Anzahl der Heliostaten und der Größe des Heliostatenfelds mit geringem Aufwand die Ori entierung der Spiegel der Heliostaten zu erfassen. Auch eine große Zahl von Heliostaten kann somit effizient erfasst werden, bzw. kann deren Orientierung auf effiziente Weise überprüft werden.
Insbesondere wurde festgestellt, dass Scan-Daten des Heliostatenfelds eine Projektion des mindestens einen Heliostaten des Heliostatenfelds in eine Pro jektionsebene beschreiben, wobei die Projektionsebene parallel zu einer Ober fläche eines Areals verläuft, auf dem sich das Heliostatenfeld befindet. Die Pro- jektionsebene entspricht dabei insbesondere der horizontalen Oberfläche des Areals, auf dem sich das Heliostatenfeld befindet.
Die Projektion des mindestens einen Heliostaten in eine Projektionsebene er folgt unter einem bestimmten Projektionswinkel, der von der Position, von der das Scannen erfolgt, sowie von der Lage der Projektionsebene abhängig ist. Die Projektion ist daher eine schiefe Projektion des mindestens einen Heliosta ten. Bei der Verwendung eines Laser-Scanners zum Scannen des Heliostaten felds kann der Laser-Scanner beispielsweise auf einem Solarturm angeordnet sein und das Heliostatenfeld von oben scannen. Dadurch, dass die Heliostaten in dieselbe Projektionsebene projiziert werden, kann die Zuordnung der For men der Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung unter Berücksichti gung des Projektionswinkels zu den jeweiligen Heliostaten auf besonders ein fache Weise erfolgen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Form oder die Formen mit vordefinier ten Eigenschaften und/oder mit vordefinierten Formen abgeglichen wird oder werden, wobei für die Form oder die Formen eine vordefinierte Eigenschaft und/oder eine vordefinierte Form ausgewählt wird, wobei die Auswahl vor zugsweise anhand eines Abgleichergebnisses erfolgt, und wobei bei einer Ab weichung zwischen der Form oder den Formen von der ausgewählten vordefi nierten Eigenschaften und/oder der ausgewählten vordefinierten Form eine Interpolation erfolgt, um die Form oder der Formen an die ausgewählte vorde finierte Eigenschaft und/oder an die ausgewählte vordefinierte Form anzupas sen.
Da die Gestalt und Anordnung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten im Heliostatenfeld bekannt ist, liegen ausreichende Informa tionen darüber vor, welche Eigenschaften durch das Scannen erfasste Formen haben können und/oder welchen vordefinierten Formen die erfassten Formen aufweisen können. Abweichungen von vordefinierten Eigenschaften und/oder vordefinierten Formen können sich insbesondere durch verschmutzte oder verdeckte Spiegelflächenabschnitte ergeben. Eine Verschmutzung von Spiegel flächenabschnitten kann insbesondere durch Umwelteinflüsse entstehen. Eine Verdeckung von Spiegelflächenteilen kann einerseits durch Umwelteinflüsse, beispielsweise durch Tiere, aber auch - insbesondere, wenn mehrere Heliosta ten im Heliostatenfeld eng nebeneinander angeordnet sind - durch ein gegen seitiges teilweises Verdecken der Heliostaten, oder durch beispielsweise Re flektoraufkleber o.ä. auftreten. Durch die Interpolation bzw. Berechnung der Formen, die von vordefinierten Eigenschaften und/oder Formen abweichen, wird auch bei verschmutzten oder verdeckten Spiegelteilen eine valide Be stimmung der Orientierung ermöglicht. Die Bestimmung der Orientierung des mindestens einen Heliostaten kann somit auch bei verschmutzten oder ver deckten Spiegelflächenteilen erfolgen. Die vordefinierten Eigenschaften können insbesondere geometrische Eigenschaften umfassen, beispielsweise Bedingun gen bezüglich der Gestalt der Ränder oder der Anzahl der Ecken der Formen. Die vordefinierten Formen können Formen aus einem Pool von Formen sein, mit denen erfasste Formen abgleichbar sind.
Wenn aufgrund von teilweiser Verdeckung eines Heliostaten die durch das Scannen erfasste Form oder erfassten Formen unvollständig ist bzw. sind, also beispielsweise nur einen Teilbereich einer Trapezform, beispielsweise ein obe rer Bereich einer Trapezform, darstellt, kann auch diese ausreichend zur Be stimmung der Orientierung eines Heliostaten sein. Eine Interpolation zur Be stimmung der vollständigen Form ist bei der Erfassung von unvollständigen Formen somit nicht immer notwendig.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner den folgenden Schritt auf: e) Bestimmen einer Abweichung der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten zu einer Soll-Orientierung des min destens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten bzw. eines den Spiegel eines Heliostaten zumindest teilweise umgebenden Rahmens anhand von Daten über den Sonnenstand, der Position eines Zielpunkts auf einem Solarreceiver, auf den der mindestens eine Spiegel des mindestens einen Heliostaten ausge- richtet sein soll, und der Position des mindestens einen Heliostaten bestimmt ist.
Die Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten entspricht üblicherweise derjenigen Orientierung, die eine best mögliche Ausbeute der Sonnenenergie oder die eine gewünschten Verteilung der Strahlung auf einer Receiverempfangsfläche gewährleistet. Mittels eines Vergleichs zwischen der Ist-Orientierung und der Soll-Orientierung des min destens einen Spiegels lässt sich auf einfache Weise der Grad der Abweichung bestimmen, der als geeigneter Ausgangspunkt herangezogen werden kann, um die Effizienz eines Heliostatenfelds bzw. eines Solarkraftwerks mit einem Heliostatenfeld zu bestimmen. Ferner kann auf der Grundlage der Abweichung bestimmt werden, ob eine Nachführungskorrektur bzw. Korrektur der Orientie rung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten erfor derlich ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann ferner den folgenden Schritt aufwei sen: f) Korrektur der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindes tens einen Heliostaten.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Abweichung der Ist- Orientierung von der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels inner halb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auch ein Verfahren zur Bestim mung und Steuerung der Orientierung von mindestens einem Spiegel mindes tens eines Heliostaten in einem Heliostatenfeld sein.
Mit anderen Worten, werden die aus den oben genannten Verfahren erhältli chen Ergebnisse zur Korrektur der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten verwendet, um zu erreichen, dass insbesondere die Abweichung der Ist-Orientierung von der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt.
Die Korrektur der Ist-Orientierung der Heliostaten kann insbesondere durch eine oder mehrere Nachführvorrichtungen an dem mindestens einen Spiegel des mindestens einen Heliostaten erfolgen. Besonders vorteilhaft ist, dass der mindestens eine Heliostat weder für die Bestimmung der Orientierung noch für die nachgelagerte Korrektur von dessen Ist-Orientierung aus dem Fokus eines Solarreceivers, auf den der mindestens eine Heliostat ausgerichtet ist, gefah ren werden muss. Der Wirkungsgrad des Heliostatenfels bzw. eines So larkraftwerks mit einem Heliostatenfelds wird somit gesteigert, da der Betrieb zur Korrektur nicht beeinträchtigt werden muss. Gleichzeitig werden die Kos ten für die Nutzbarmachung der Solarenergie verringert. Die Korrektur kann daher in vergleichsweise kurzen Zeitabständen wiederholt werden, ohne Wir kungsgradverluste zu verursachen. Dadurch kann einerseits gewährleistet werden, dass die Ist-Orientierung des mindestens einen Heliostaten nicht über einen Toleranzbereich hinaus von der Soll-Orientierung des mindestens einen Heliostaten abweicht. Andererseits kann durch die Möglichkeit der einfachen Bestimmung und Korrektur der Ist-Orientierung des mindestens einen Helios taten auf günstigere Nachführvorrichtungen zugrückgegriffen werden, da ein etwaiger Einfluss einer geringeren Qualität von Nachführvorrichtungen durch eine häufigere Bestimmung und Korrektur der Orientierung innerhalb kürzerer Zeitabstände ausgeglichen werden kann. Somit können die Investitionskosten für das Heliostatenfeld reduziert werden, ohne dessen Wirkungsgrad zu beein trächtigen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Korrektur der Ist-Orientierung des min destens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten automatisch erfolgt, wenn eine Abweichung der Ist-Orientierung von der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels außerhalb des vordefinierten Toleranzbereichs liegt.
Durch die Festlegung eines Toleranzbereichs für die Abweichung zwischen der Ist-Orientierung und der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten ist es in vorteilhafter Weise möglich, in Abhän- gigkeit von der Abweichung eine automatische Korrektur der Ist-Orientierung vorzunehmen. Mit anderen Worten: Die Bestimmung der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten erfolgt in regel mäßigen Zeitabständen oder kontinuierlich, wobei die Korrektur die Ist- Orientierung automatisch erfolgt, wenn die Abweichung zwischen der Ist- Orientierung von der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten außerhalb eines Toleranzbereichs liegen. Dadurch kann die Effizienz bei der Nachführung der Heliostaten erhöht wer den.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Heliostatenfeld mehrere Heliostaten umfasst, wobei die Schritte a) bis d) oder a) bis e) oder a) bis f) für mehrere Heliostaten, vorzugsweise für alle Heliostaten des Heliostatenfelds durchge führt werden.
Die Durchführung der Schritte a) bis d) für mehrere Heliostaten auf einem He liostatenfeld umfasst a) Scannen des Heliostatenfelds mit mehreren Heliosta ten zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten, wobei elektromagne tische Strahlung ausgesendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung zur Bildung der Scan-Daten empfangen wird, b) Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich mehrerer erster Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche mit empfangener reflektierter Strahlung, c) Bestimmen von Formen der ersten Bereiche und/oder Bestim men der zweiten Bereiche, und Zuordnen der ersten und/oder zweiten Berei che zu Heliostaten, und d) ein Bestimmen einer jeweiligen Ist-Orientierung der Spiegel der Heliostaten aus den jeweils zugeordneten Formen.
Die Durchführung der Schritte a) bis e) für mehrere Heliostaten auf einem He liostatenfeld umfasst ferner e) Bestimmen einer Abweichung der jeweiligen Ist-Orientierung der Spiegel der Heliostaten zu einer jeweiligen Soll- Orientierung der Spiegel der Heliostaten. Die Durchführung der Schritte a) bis f) für mehrere Heliostaten auf einem He liostatenfeld umfasst ferner f) Korrektur der jeweiligen Ist-Orientierung der Spiegel der Heliostaten, so dass die Abweichung der jeweiligen Ist- Orientierung von der jeweiligen Soll-Orientierung der Spiegel jeweils innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt.
Insbesondere kann in einem Heliostatenfeld mit mehreren Heliostaten, für die das Verfahren durchgeführt wird, die Korrektur der Ist-Orientierung der Spie gel der Heliostaten für jeden Heliostaten individuell erfolgen.
Das Scannen des Heliostatenfelds erlaubt es unabhängig von der Anzahl der Heliostaten und der Größe des Heliostatenfelds mit geringem Aufwand die Ori entierung der Spiegel der Heliostaten zu erfassen. Auch eine große Zahl von Heliostaten kann somit effizient erfasst werden, bzw. es kann deren Orientie rung auf effiziente Weise überprüft werden. Ferner ist die Position der Helios taten innerhalb eines Heliostatenfelds üblicherweise bekannt, so dass die je weiligen Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung bzw. die jeweiligen Formen eindeutig jeweils einem Heliostaten zuordenbar sind. Durch die ein deutige Zuordenbarkeit können die Scan-Daten für jeden Heliostat isoliert und/oder parallel verarbeitet werden und für jeden Heliostat individuell festge stellt werden, ob eine Korrektur von dessen Ist-Orientierung erforderlich ist. Die Möglichkeit, die Korrektur der Ist-Orientierung der Heliostaten für jeden Heliostat individuell durchzuführen, gewährleistet eine hohe Effizienz der Kor rektur bei geringem Aufwand.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Toleranzbereich der Abweichung zwi schen Ist- und Soll-Orientierung eines Spiegels einen Toleranzwert a für die Abweichung des Azimutwinkels, und einen Toleranzwert z für die Abweichung des Elevationswinkels der Spiegel umfasst, wobei eine Abweichung der Ist- von der Soll-Orientierung eines Spiegels außerhalb des Toleranzbereichs liegt, wenn beispielsweise gilt: |a| > 2 mrad und/oder |z| > 2 mrad, vorzugsweise wenn gilt: |a | > 1,5 mrad und/oder |z| > 1,5 mrad, vorzugsweise wenn gilt: |a| > 1 mrad und/oder |z| > 1 mrad. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Toleranzbereich der Abweichung zwi schen Ist- und Soll-Orientierung eines Spiegels einen Toleranzwert a für die Abweichung des Azimutwinkels, und einen Toleranzwert z für die Abweichung des Elevationswinkels der Spiegel umfasst, wobei nach der Korrektur bei spielsweise die Bedingung |a| < 2 mrad und |z| < 2 mrad, vorzugsweise |a <| 1,5 mrad und |z| < 1,5 mrad, vorzugsweise |a| < 1 mrad und | z | < 1 mrad, erfüllt ist.
Toleranzbereiche in der Größenordnung von ±1 mrad bezüglich des Azimut winkels bzw. des Elevationswinkels als Abweichung der Ist-Orientierung von der Soll-Orientierung eines Heliostaten haben sich als geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad eines Heliostatenfelds bzw. eines Solarkraftwerks mit einem Heliostatenfeld signifikant zu erhöhen.
Besonders bevorzugt, werden die Schritte der oben genannten Verfahren in vordefinierten Zeitabständen wiederholt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schritte der der oben genannten Verfahren kontinuierlich durchge führt werden.
Da es weder zur Bestimmung noch zur Steuerung der Orientierung des min destens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten im Heliostatenfeld erforderlich ist, den mindestens einen Heliostaten aus dem Fokus des Solarre ceivers, auf den dieser ausgerichtet ist, zu fahren, kann die Bestimmung bzw. die Bestimmung und Steuerung der Orientierung des mindestens einen Spie gels des mindestens einen Heliostaten in kurzen Zeitabständen hintereinander oder kontinuierlich erfolgen, ohne den Wirkungsgrad des Heliostatenfelds zu beeinträchtigen. Das wiederholte Durchführen eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Bestimmung der Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten ermöglicht eine Online-Überwachung (closed- loop tracking control) des Heliostatenfelds. Es kann damit beispielsweise über einen längeren Zeitraum dokumentiert werden, wie sich die Orientierung der Spiegel der Heliostaten im Verlauf der Zeit, beispielsweise durch Umweltein flüsse oder Defekte an den Heliostaten, verändert. Somit kann eine valide Da tengrundlage geschaffen werden, die für verschiedene Auswertungen herange- zogen werden kann, beispielsweise um Rückschlüsse auf den Wirkungsgrad eines Heliostatenfelds und um einen möglichen Handlungsbedarf abzuleiten. Wird ferner die Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten anhand der Ergebnisse der Bestimmung der Orientierung korrigiert, können hohe Wirkungsgrade in der Nachführung des Heliostaten felds erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Orientierung von mindes tens einem Spiegel mindestens eines Heliostaten in einem Heliostatenfeld, wobei das Heliostatenfeld eine Bodenfläche umfasst, auf der der mindestens ein Heliostat angeordnet ist, umfasst eine Scanvorrichtung zum Scannen des Heliostatenfelds zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten, wobei die Scanvorrichtung elektromagnetische Strahlung aussendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung zur Bildung der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten empfängt, und eine Auswerteeinheit zum Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich eines oder mehre rer erster Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder eines oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche mit empfangener reflektierter Strahlung, wobei die Auswerteeinheit eine Form o- der Formen des oder der ersten Bereiche und/oder des oder der zweiten Be reiche bestimmt, wobei die Auswerteeinheit den oder die ersten Bereiche bzw. den oder die zweiten Bereiche zu dem mindestens einen Heliostat zuordnet, und wobei die Auswerteeinheit die Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostaten aus der zugeordneten Form oder den zugeordneten Formen bestimmt.
Vorzugsweise ist das System ausgebildet, um eines der oben genannten Ver fahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Mittels der Scanvor richtung ist das Heliostatenfeld, vorzugsweise durch Aussenden und Empfan gen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit parallelem Strahlen gang, scannbar. Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Laser strahlung sein. Die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens zuvor beschriebenen Effekte und Vorteile gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße System.
Das Scanvorrichtung zum Scannen des Heliostatenfelds erlaubt es unabhängig von der Anzahl der Heliostaten und der Größe des Heliostatenfelds mit gerin gem Aufwand die Orientierung der Spiegel der Heliostaten zu erfassen. Auch eine große Zahl von Heliostaten kann somit effizient erfasst werden, bzw. kann deren Orientierung auf effiziente Weise überprüft werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Heliostat des Heliosta tenfelds mindestens eine Nachführvorrichtung aufweist, die vorzugsweise mit tels der Auswerteeinheit oder einer Steuereinheit steuerbar sind. Mittels Nach führvorrichtungen lässt sich die Orientierung des mindestens einen Spiegels des mindestens einen Heliostatenfelds effizient steuern.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Scanvorrichtung mindestens einen Laser-Scanner aufweist oder aus mindestens einem Laser-Scanner gebildet ist. Mittels eines Laser-Scanners kann das Scannen des Heliostatenfelds auf einfa che Weise realisiert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Scanvorrichtung in einer vordefinierten Höhe an mindestens einem Turm angeordnet ist. Es können grundsätzlich auch mehrere Scanvorrichtungen vorgesehen werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Turm, an dem die Scanvorrichtung angeordnet ist, ein Solarturm mit einem Solarreceiver ist.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Solarkraftwerks mit einem He liostatenfeld mit mehreren Heliostaten, in dem das Verfahren und das System gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung implementiert ist, und
Figur 2 eine schematische Darstellung des virtuellen Abbilds gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das in Figur 1 dargestellte Solarkraftwerk 100 umfasst ein Heliostatenfeld 10 und einen Solarturm 20. Auf dem Heliostatenfeld 10 sind eine Vielzahl von He liostaten 11 aufgestellt, die jeweils einen Spiegel 12 aufweisen. Der Solarturm weist einen Solarreceiver 21 und eine durch einen Laser-Scanner gebildete Scanvorrichtung 22 auf. Die Scanvorrichtung 22 scannt das Heliostatenfeld 10 ab, wobei Laserstrahlung ausgesendet und zumindest teilweise nach einer Re flexion durch das Heliostatenfeld 10 empfangen wird, um Scan-Daten zu bil den.
Die Scan-Daten, die durch das Scannen des Heliostatenfelds gebildet werden, können das Heliostatenfeld beispielsweise in Form einer Punktwolke abbilden. Eine solche Abbildung des Heliostatenfelds ist in Figur 2 schematisch darge stellt. Die Abbildung ist eine Projektion des Heliostatenfelds auf der Bodenflä che, auf der das Heliostatenfeld 10 steht. Die Scan-Daten weisen erste Berei che ohne empfangene reflektierte Strahlung 12a und Bereiche 13, für die dif fus reflektierte Laserstrahlung 23 zur Bildung der Scan-Daten empfangen wur de, auf. Die ersten Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung 12a re präsentieren im Wesentlichen die Spiegelflächen der Spiegel 12 der Heliosta ten 11. Die Bereiche 13, für die diffus reflektierte Laserstrahlung 23 zur Bil dung der Scan-Daten empfangen wurde, repräsentieren mit der Oberfläche des Areals das übrige Heliostatenfeld. Jeweils jeder Bereich ohne empfangene reflektierte Strahlung 12a weist eine spezifische geometrische Form auf, die in Figur 2 jeweils übertrieben dargestellt ist und zur Bestimmung der Orientie rung des Heliostaten 11 analysiert wird. Wenn Heliostaten 11 nah zueinander bzw. hintereinander angeordnet sind, kann die geometrische Form auch un vollständig sein, also beispielsweise nur einen Teil einer Trapezform darstellen. Auch ein Teil der geometrischen Form kann ausreichend zur Bestimmung der Orientierung des Heliostaten 11 sein oder durch Interpolation ergänzt werden. Vom Rahmen oder von Objekten hinter Spalten zwischen Spiegelfacetten kann diffus reflektierte Laserstrahlung Scan-Daten erzeugen, die ebenfalls in vor teilhafter Weise zur Bestimmung der Ist-Orientierung eines Heliostaten 11 ge nutzt werden können.
Einer der Spiegel 12 weist einen verschmutzten oder beispielsweise durch Re flektoraufkleber verdeckten Spiegelflächenabschnitt 12b auf, der einen Teil der Laserstrahlung 23 diffus reflektiert und dadurch als Teil des Bereichs 13, für die diffus reflektierte Laserstrahlung 23 zur Bildung der Scan-Daten empfan gen wurde, erkannt wird. Bei der Ist-Orientierung des betroffenen Spiegels 12 kann durch eine Interpolation des betroffenen verschmutzten oder verdeckten Spiegelflächenteils 12b auf die Orientierung des gesamten Spiegels 12 ge schlossen werden. Somit haben Verschmutzungen oder Verdeckungen von Spiegelflächenteilen 12b keinen die Validität der Scan-Daten beeinträchtigen den Einfluss. Es ist somit in vorteilhafter Weise möglich, trotz Verschmutzun gen oder Verdeckungen die Orientierung der Spiegel 12 zu bestimmen.
Die Position des mindestens einen Heliostaten 11 innerhalb eines Heliostaten felds 10 ist üblicherweise bekannt, so dass die jeweiligen Bereiche ohne emp fangene reflektierte Strahlung 12a bzw. die jeweiligen Formen eindeutig je weils einem Heliostat 11 zuordenbar sind. Die Scan-Daten können durch die eindeutige Zuordenbarkeit somit bei Bedarf für jeden Heliostat 11 isoliert und/oder parallel verarbeitet werden. Beispielsweise wird zusätzlich ermög licht ein Defekt oder eine besonders stark ausgeprägte Fehlorientierung eines bestimmten Heliostaten 11 zu detektieren. Somit kann auf einfache Weise festgestellt werden, ob ein bestimmter Heliostat 11 eine Wartung erfordert.
Ferner ist üblicherweise zu jedem Zeitpunkt der Sonnenstand bzw. die Position der Sonne relativ zum Heliostatenfeld 10 bekannt, anhand der auf die grobe Orientierung der Spiegel 12 der Heliostaten 11 geschlossen werden kann. So sind die Spiegel 12 der Heliostaten 11 in der Regel auch bei ungenauer Orien tierung zumindest grob in Richtung der Sonne ausgerichtet. Ergibt sich bei der Bestimmung der Orientierung auf Grundlage der Formen der Bereiche ohne empfangene reflektierte Strahlung keine eindeutige Orientierung der jeweili gen Spiegel 12, kann anhand des Rückschlusses auf die grobe Orientierung der Spiegel 12 zwischen mehreren Orientierungen diejenige Orientierung aus gewählt werden, die für den jeweiligen Spiegel 12 am wahrscheinlichsten zu trifft. Mit anderen Worten: Ergibt sich durch die Bestimmung der Orientierung für einen Spiegel 12 eine Form, die sowohl bei einer Orientierung des Spiegels 12 in eine erste Richtung als auch bei einer Orientierung des Spiegels 12 in eine zweite Richtung auftreten würde, kann anhand des Rückschlusses vom Sonnenstand auf die grobe Orientierung des Spiegels 12 entschieden werden, ob die Ist-Orientierung des Spiegels 12 der ersten oder der zweiten Richtung bereits grob entspricht.
Für die Bestimmung der Orientierung des Heliostaten 11 mit hoher Genauig keit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit prädiktiven Methoden effizien ter durchgeführt.
Hier kommt ein prädiktives Verfahren zum Einsatz, bei dem für den Zeitpunkt der Messung und in Abhängigkeit des Sonnenstands sowie der Position der Scanvorrichtung 22, für jeden Heliostaten 11 im Voraus berechnet wird, wo die projizierten Spiegelflächen auf dem Erdboden auftreffen müssten, sodass der Heliostat 11 präzise seinen Zielpunkt auf dem Solarreceiver 21 trifft. So kann gezielt für jeden Heliostaten 11 nur ein kleiner Teil der großen Punktwol ke für eine schnelle Analyse herangezogen werden. Die Analyse kann mit vie len möglichen Methoden durchgeführt werden, z. B. mit Projizierung eines Teils der Punktwolke auf eine flache Ebene, sodass die prädiktive Projektion der Spiegelform mit den Punktdaten zügig verglichen werden kann. Die Mög lichkeiten der Auswertung der Punkt-Koordinaten und der prädiktiven Sol I- Spiegelform-Projektion ist ebenfalls sehr vielfältig.
Durch die umgehende und automatisch ausgeführte Datenauswertung der auf den Boden projizierten Spiegelformen sowie der teils vorhandenen Punkte an den Heliostaten 11 selbst und der Kenntnis der Koordinaten der Scanvorrich tung 22 kann die Ist-Orientierung der Spiegel 12 in kurzer Zeit berechnet und mit der Soll-Orientierung verglichen werden. Sollte es eine Abweichung der Ist-zu-Soll-Ausrichtung geben, wird die Ausrichtung der Heliostaten korrigiert, sodass diese ihre Zielpunkte auf dem Receiver treffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder System kann somit besonders bevor zugt als prädikatives Verfahren implementiert sein, wobei zum Zeitpunkt der Bestimmung der Orientierung oder zeitlich vor der Bestimmung der Orientie rung für den oder die Heliostaten 11 im Heliostatenfeld 10 im Voraus berech net wird, welche Formen sich an welcher Position im Heliostatenfeld 10 beim Scannen ergeben müssten, so dass der oder die Heliostaten 11 in Richtung des Solarreceivers 21 ausgerichtet ist. Im Kalibrierungsprozess kann bevor zugt ein Abgleich der prädiktiv ermittelten projizierten Form und der Form aus den Scan-Daten erfolgen. Das prädiktive Verfahren kann vorzugsweise die Un ebenheiten des Bodens, auf dem das Heliostatenfeld 10 steht, einbeziehen, wobei der Boden des Heliostatenfelds 10 für einen Algorithmus des prädiktiven Verfahrens bekannt sein muss, z. B. durch Erfassung mit einem Laser- Scanner.
Die Funktionsweise des Laser-Scanners, der die Scanvorrichtung 22 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, ist wie folgt: Bei einem Auftreffen von Laserstrahlung 23 des Laser-Scanners auf eine Spiegelfläche eines Heliostaten 11, wird die Laserstrahlung 23 gerichtet reflek tiert. Bei einem Auftreffen der Laserstrahlung 23 des Laser-Scanners auf eine Stelle im Heliostatenfeld 10, die keine Spiegelfläche ist, wird die Laserstrah lung diffus reflektiert. Bei einer gerichteten Reflexion wird die Laserstrahlung als Ganzes nach dem Reflexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) abgelenkt und kann vom Laser-Scanner nicht erfasst werden, so dass keine Scan-Daten vorliegen, während bei einer diffusen Reflexion ein Teil der reflek tierten Laserstrahlung 23 vom Laser-Scanner erfasst werden kann, so dass Scan-Daten vorliegen. Die Bereiche 12a, für die keine reflektierte Lasterstrah lung 23 empfangen wird bzw. für die keine Scan-Daten vorliegen, repräsentie ren die Spiegelflächen, da diese einen auftreffenden Laserstrahl des Laser- Scanners gerichtet reflektieren. Die übrigen Bereiche 13, für die Scan-Daten vorliegen, repräsentieren das übrige Heliostatenfeld, d. h. diejenigen Teile des Heliostatenfelds 10, die keine Spiegelflächen sind, insbesondere übrige Teile der Heliostaten 11 und die Oberfläche des Areals, auf dem die Heliostaten 11 stehen. Vom Laser-Scanner erfasst und für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden können ebenfalls Scan-Daten, die von diffus reflektierte Laser strahlung vom Rahmen oder von Objekten hinter Spalten zwischen Spiegelfa cetten erzeugt werden.
Das Scannen des Heliostatenfelds 10 erlaubt es unabhängig von der Anzahl der Heliostaten 11 und der Größe des Heliostatenfelds 10 mit geringem Auf wand die Orientierung der Spiegel 12 der Heliostaten 11 zu erfassen. Auch eine große Zahl von Heliostaten kann somit effizient erfasst werden, bzw. kann deren Orientierung auf effiziente Weise überprüft werden.
Grundsätzlich kann die Scanvorrichtung 22 auch als 3D-Scanvorrichtung aus gebildet sein und einen 3D-Scan durchführen. Die empfangenen 3D-Scan- Daten können hinsichtlich sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Berei che 12c analysiert werden, die beispielsweise von den Rahmen der Heliostaten 11 empfangen werden, wobei auch Teilbereiche des beispielsweise Rahmens ausreichend sind. Die Analyse kann alternativ oder zusätzlich zu den ersten Bereichen ohne empfangene reflektierte Strahlung erfolgen. Anhand der zwei ten Bereich, die einzelnen Heliostaten 11 zugeordnet werden können, kann in vergleichbarer Weise wie mit den ersten Bereichen die ist-Orientierung be stimmt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE Heliostatenfeld Heliostat Spiegel a erste Bereiche b verschmutzter Spiegelflächenteil c zweite Bereiche übrige Bereiche Solarturm Solarreceiver Scanvorrichtung Laserstrahlung 0 Solarkraftwerk

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von mindestens einem Spie gel (12) mindestens eines Heliostaten (11) in einem Heliostatenfeld (10), wobei das Heliostatenfeld (10) eine Bodenfläche aufweist, auf der der mindestens ein Heliostat (11) angeordnet ist, mit den Schritten: a) Scannen des Heliostatenfelds (10) zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten, wobei elektromagnetische Strahlung ausgesendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung zur Bildung der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten empfangen wird, b) Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich eines oder mehrerer erster Bereiche (12a) ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder eines oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche (12c) mit empfangener reflektierter Strahlung, c) Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der ersten Bereiche (12a) und/oder Bestimmen einer Form oder von Formen des oder der zweiten Bereiche (12c), und Zuordnen des oder der ersten Bereiche (12a) bzw. des oder der zweiten Bereiche (12c) zu dem mindestens einen Heliostat (11), d) Bestimmen einer Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) aus der zugeordneten Form oder den jeweils zugeordneten Formen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesen dete, elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung (23) ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form oder die Formen mit vordefinierten Eigenschaften und/oder mit vordefinierten Formen abgeglichen wird oder werden, wobei für die Form oder die Formen eine vordefinierte Eigenschaft und/oder eine vor definierte Form ausgewählt wird, wobei die Auswahl vorzugsweise an hand eines Abgleichergebnisses erfolgt, und wobei bei einer Abweichung zwischen der Form oder den Formen von der ausgewählten vordefinierten Eigenschaften und/oder der ausgewählten vordefinierten Form eine In terpolation erfolgt, um die Form oder der Formen an die ausgewählte vordefinierte Eigenschaft und/oder an die ausgewählte vordefinierte Form anzupassen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Schritt: e) Bestimmen einer Abweichung der Ist-Orientierung des mindestens ei nen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) zu einer Soll- Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll- Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) anhand von Daten über den Sonnenstand, der Position eines Zielpunkts auf einem Solarreceiver (21), auf den der mindestens eine Spiegel (12) des mindestens einen Heliostaten (11) ausgerichtet sein soll, und der Position des mindestens einen Heliostaten (11) be stimmt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch den Schritt: f) Korrektur der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Ist-Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) automatisch erfolgt, wenn eine Abweichung der Ist-Orientierung von der Soll-Orientierung des mindestens einen Spiegels (12) außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heliostatenfeld (10) mehrere Heliostaten (11) umfasst, wobei die Schritte a) bis d) oder a) bis e) oder a) bis f) für mehrere Heliostaten
(11), vorzugsweise für alle Heliostaten (11) des Heliostatenfelds (10) durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Heliostatenfeld (10) mit mehreren Heliostaten (11), für die das Verfahren durchgeführt wird, die Korrektur der Ist-Orientierung der Spiegel (12) der Heliostaten (11) für jeden Heliostat (11) individuell er folgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens in vordefinierten Zeitabständen wieder holt werden.
11. System zur Bestimmung der Orientierung von mindestens einem Spiegel
(12) mindestens eines Heliostaten (11) in einem Heliostatenfeld (10), wobei das Heliostatenfeld (10) eine Bodenfläche umfasst, auf der der mindestens ein Heliostat (11) angeordnet ist , mit einer Scanvorrichtung zum Scannen des Heliostatenfelds (10) zur Ermittlung von Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten, wobei die Scanvorrichtung elektromagnetische Strahlung (23) aussendet und zumindest ein Teil von diffus reflektierter elektromagnetischer Strahlung (23) zur Bildung der Scan-Daten oder 3D- Scan-Daten empfängt, und mit einer Auswerteeinheit zum Analysieren der Scan-Daten oder 3D-Scan-Daten bezüglich eines oder mehrerer ers ter Bereiche (12a) ohne empfangene reflektierte Strahlung und/oder ei nes oder mehrerer sich von der Bodenfläche abhebender zweiter Bereiche (12b, 12c) mit empfangener reflektierter Strahlung, wobei die Auswer teeinheit eine Form oder Formen des oder der ersten Bereiche (12a) und/oder des oder der zweiten Bereiche (12b, 12c) bestimmt, wobei die Auswerteeinheit den oder die ersten Bereiche (12a) bzw. den oder die zweiten Bereiche (12b, 12c) zu dem mindestens einen Heliostat (11) zu- ordnet, und wobei die Auswerteeinheit die Ist-Orientierung des mindes tens einen Spiegels (12) des mindestens einen Heliostaten (11) aus der zugehörigen Form oder den zugehörigen Formen bestimmt.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heliostat (11) des Heliostatenfelds (10) mindestens eine Nachführ vorrichtung aufweist.
13. System nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung (22) mindestens einen Laser-Scanner aufweist, oder aus mindestens einem Laser-Scanner gebildet ist.
14. System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung (22) in einer vordefinierten Höhe an mindestens einem Turm angeordnet ist.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Turm, an dem die Scanvorrichtung (22) angeordnet ist, ein Solar turm (20) mit einem Solarreceiver (21) ist.
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