KR20190132412A - 태양광 수광기의 열기계적 모니터링을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
집광형 태양광 발전소 (concentrated solar power; CSP) 플랜트로서, 상기 플랜트는 복수의 헬리오스탯들 또는 헬리오스탯 필드, 중앙 타워 (1) 상단에 위치되고 수광기 패널들 (30) 로 커버되는 외부 표면을 갖는 실질적으로 원통형인 태양광 에너지 수광기 (3), 바람직하게는 용융 염 태양광 수광기 (molten salt solar receiver; MSSR), 및 상기 태양광 수광기 (3) 에 인접하는 열 차폐부 (2) 를 포함하고, 상기 헬리오스탯들은 상기 수광기 (3) 의 상기 외부 표면으로 태양광 에너지를 반사시키고, 각각의 수광기 패널 (30) 은 상기 수광기의 상기 외부 표면 상에 부분적으로 노출되는 열 전달 유체를 수송하는 복수의 열 교환기 튜브들 (6) 을 포함하고 그리고 동작시 태양광 수광기 패널 튜브들의 무결성을 보장하기 위해 열기계적 모니터링 시스템을 포함하며, 열기계적 모니터링 시스템은 상기 태양광 수광기 (3) 상에 위치된 영역의 동작 포인트가 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값들을 정의하는 2D-공간 이론적 스트레인/Tmax 에서의 동작 엔벨로프 (16) 내에 있는지를 제어하기 위하여 그리고 상기 엔벨로프 (16) 밖에 있으면서 상기 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값을 초과하는 경우에 경보를 발하고 추가로 상기 영역 상에서의 헬리오스탯 방사 디포커싱을 요구하기 위하여, RAOI 의 기준 온도 및 상기 튜브들 (6) 의 유입부 및 유출부에서의 열 전달 유체의 온도를 고려하여, 각각의 열 교환기 튜브 (6) 에서 최대 온도, 온도 프로파일 및/또는 흡수된 전력 프로파일 및 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등) 에 의해 제공된 온도에 따라 각각의 열 교환기 튜브 (6) 에 배정된 이론적 기계적 스트레인을 각각 계산하고/하거나 공급하기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함한다.
Description
본 발명은 집광형 태양광 발전소들 (CSP) 플랜트들 또는 시스템들의 기술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 중앙 타워를 갖는 CSP 플랜트들에 대한 용융 염 태양광 수광기 (molten salt solar receiver; MSSR) 의 열-기계적 모니터링에 관한 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 솔루션은 열-기계적 모니터링이 필요한 어떠한 기술적 적용에 적용된다.
관련된 배경기술
본 발명의 프레임에서, CSP 타워 플랜트 (1)(도 1) 에 대한 외부 태양광 수광기 (3) 는 태양광 수광기 패널 (30) 과 열 차폐부 (2) 를 형성하는 흡수기 패널들로 구성되고 특정 높이, 예를 들어, 본 출원인의 Atacama 프로젝트의 경우에 약 230 m 에 위치한 외부 폴리곤을 생성하는 스틸 구조체에 모두 부착된다. 위의 예에서, 약 18 m 높이의 16 개의 태양광 수광기 패널 (30) 은 또한 약 20 m 의 직경을 갖는 폴리곤 배열에 따라 배치된다. 열 전달 유체 (HTF) 는 상이한 포인트들에서의 제어들에 의해 특정 순환에 따라 콜드 탱크 (4) 로부터 핫 탱크 (5) 로 이들 수광기 패널들 (30) 을 통하여 흐른다 (도 2).
태양광 수광기 패널들 (30) 은 배수 및 배기를 용이하게 하기 위해 수직 위치에 배열된 직선형 용접 튜브 (6)(도 3) 로 제조되며, 튜브들 (6) 은 이들의 길이부를 따라 서로 용접되지 않는다. 이들 튜브 (6) 는 태양광 조사에 노출된 전방면 및 태양광 조사에 노출되지 않은 후방면을 갖는다.
지지 시스템은 튜브 길이를 따라 상이한 위치들에서 튜브의 후방 영역에 용접된다. 지지 시스템은 수평 및 수직 팽창을 허용하고 각각의 튜브의 전방면과 후방면 사이의 높은 열적 차이로 인한 튜브의 굽어짐을 방지한다.
종래 기술
CSP 타워 기술에 사용되는 태양광 수광기의 열 모니터링은 국부화된 과열 포인트의 제어 및 검출을 갖는 제조 프로세스와 유사하게, 다른 도메인들에 이미 잘 알려진 바와 같이, 수광기 표면의 열 이미지의 캡처를 허용하는 IR 카메라에 의해 수행된다.
IR 카메라 제조에 대한 특허들 중 하기가 인용될 수 있다:
- FLIR 의 특허 US 2008/0265162 A1 및 Brightsource 의 특허 US 20130088604 A1;
- 오염 영역에 위치된 물체 (예를 들어, 오일, 물, 입자상 물질 등) 를 보기 위한 가압식 카메라 시스템을 개시하는 Westinghouse Electric Corporation 의 특허 US 5,689,734 A. 시스템은 대기압 이상으로 내부적으로 가압될 수 있어, 오염이 카메라 시스템에 유입되어 카메라를 오염시키는 것이 방지된다. 시스템은 내부 및 뷰 포트를 갖는 하우징을 포함한다. 전자 센서는 물체를 감지하고 센서에 접속된 도체를 따라 진행하는 전기 출력 신호를 생성하기 위하여 포트 반대편 하우징에 배치된다.
제조 프로세스에서 이러한 카메라의 사용과 관련된 특허 중, 금속 용융 동안 온도 제어와 관련하여 Ircon 의 특허 WO 2004/020926 A1 이 인용될 수 있다.
태양광 도메인에서는, 헬리오스탯 제어와 관련된 다음과 같은 특허들: SolarReserve (US 2013/0104963 A1), Brightsource (US 8,360,051 B2, US 9,222,702 B2 및 US 2013/0139804 A1), eSolar (WO2010 / 017415 A2) 이 이용될 수 있다.
CSP 타워 기술에서 태양광 수광기 패널의 열 모니터링과 관련하여 두 가지 관련 특허들만이 확인되었다. 첫번째는 2004 년에 출원된 SolarReserve 특허 (US 2004/0086021 A1) 이다. 이 특허에서 제안된 솔루션은 IR 카메라로 인해 태양광 수광기의 열 이미지를 캡처하는 것으로 구성된다. 이 IR 카메라들은 태양광 수광기와 소정 거리 이격되어 위치되며, 지면 상에 또는 특정 높이 레벨에 위치결정된다. IR 카메라 접속은 무선 접속일 수 있다. 첫번째는 2009 년에 Brightsource 에 의해 출원된 것 (US 8,931,475 B2) 이다. 이 특허는 SolarReserve 에 의해 제안된 것의 개선안이다.
이 후자의 특허에서, Brightsource 는 태양광 수광기의 에너지 플럭스를 직접 모니터링하기 위한 시스템 및 방법을 제안하며, 이 시스템 및 방법은 하기:
- 하나 이상의 IR 카메라들을 사용하여 실현되는 IR 방사의 측정. 각각의 태양광 수광기 튜브의 외부 표면은 최소한, 하나의 픽셀로 제어되며;
- 열전대로서:
○ 내부 및 외부 유체 온도 측정;
○ 튜브 표면 온도 측정
을 위하여 설치되는 열전대;
- 기상 제어 (온도, 풍속, 습도) 를 위한 기상 스테이션;
- 제어 시스템에 신호를 전송하도록 캘리브레이션된 플로우 송신기;
- 모든 신호들을 수신하고, (수신된 신호에 기초하여) 온도를 재계산하고, 흐름을 재보정하고, 헬리오스탯을 재지향시키는 제어 시스템을 포함하고,
- 방법은:
○ IR 카메라 측정에 기초하여 수신기 상의 에너지 플럭스 분포를 결정하는 단계;
○ 플로우 송신기, 열전대 및 기상 스테이션으로부터의 데이터에 기초하여 플럭스 분포를 재계산하는 단계;
○ 임계 온도에 도달한 경우에 알람 신호를 생성하는 단계; 및
○ 이들 측정에 따라 헬리오스탯을 포커싱/디포커싱하는 단계로 구성된다.
특허 분석에 따르면, 위에서 언급한 Brightsource 특허는 이 도메인에서 가장 관련성이 있고 완전한 특허인 것으로 보인다. 그러나, 제안된 솔루션은 태양광 수광기 패널 튜브의 열 모니터링으로 배타적으로 제한된다. 이 솔루션은 다음:
- 각각의 태양광 수광기 튜브의 최대 온도를 높은 정확도로 재계산하는 것;
- 태양광 수신기 튜브의 열-기계적 모니터링을 보장하는 것
을 해결할 수 없다.
요약하면, 종래 기술의 솔루션은 태양광 수광기의 열 모니터링에만 제한되기 때문에 만족스럽지 않다. 실제로, 튜브 온도 및 열기계적 스트레인 분석을 제공하고 추가로 태양광 수광기의 안전한 동작 조건을 추가로 허용할 수 있는 특정 시스템 및 방법이 없다.
본 발명은 매우 높은 열 플럭스 레벨을 수광할 때, 수광기 표면을 구성하는 튜브에 과도한 열-기계적 부하를 회피하는 것에 의해 태양광 수광기 패널 튜브의 무결성을 보장하기 위한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다.
특히, 본 발명은 태양광 수광기 패널 튜브의 무결성을 보장하는 열-기계적 모니터링, 동작 엔벨로프 외부로 나가는 경우에 알람을 생성가능하되, 패널 당 최대 온도가 정의되고, 그리고 소프트웨어 계산에 기초하여 헬리오스탯을 디포커싱하는 것을 실현하는 것을 목적으로 하고, 시스템은 로컬 디포커싱 요청 또는 총 디포커싱 요청의 어느 것에 의해 헬리오스탯 필드에 작용하거나 또는 필요에 따라 완전하게 셧다운한다.
본 발명의 다른 목적은 전체 설비의 단순화된 보장으로 완전한 범위를 제공할 수 있고, 따라서 주요 경쟁 업체와 유사한 범위의 책임을 제안하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태는 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트에 관한 것으로서, 이 플랜트는 복수의 헬리오스탯 또는 헬리오스탯 필드, 중앙 타워 상단에 위치되고 수광기 패널들로 외부 표면이 커버되는 실질적으로 원통형인 태양광 에너지 수광기, 바람직하게는 용융 염 태양광 수광기 (MSSR), 및 태양광 수광기에 인접하는 열 차폐부를 포함하고, 헬리오스탯들은 수광기의 상기 외부 표면으로 태양광 에너지를 반사시키고, 각각의 수광기 패널은 수광기의 외부 표면 상에 부분적으로 노출되는 열 전달 유체를 수송하는 복수의 열 교환기 튜브들을 포함하고, 동작시 태양광 수광기 패널 튜브들의 무결성을 보장하기 위해열-기계적 모니터링 시스템을 포함하고, 상기 열 기계적 모니터링 시스템은 적어도:
- 수광기의 외부 표면에 의해 방출된 적외선 방사를 측정하고 상기 외부 표면의 영역에서 패널 온도-의존적 신호를 제공하기 위하여, 지상에 위치되고 각각 고정 및 배향 디바이스 상에 탑재된 복수의 열 이미징 디바이스들;
- 각각의 열 이미징 디바이스들에 대해, 열 이미징 디바이스에 대향하여 배열되는, 열 차폐부 상에 위치된 기준 관심 영역 (RAOI) 으로서, 상기 RAOI 에 대응하는 기준 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도 센서들을 포함하는, 상기 기준 관심 영역 (RAOI);
- 열 교환기 튜브들에서의 열 전달 유체의 플로우 레이트를 측정하기 위한 하나 이상의 유량계들 및 열 교환기 튜브의 유입부 및 유출구에 각각 배열된 온도 센서들로서, 유량계들 및 온도 센서들에 의해 제공된 측정들은 교환기 튜브들에 의해 경험되는 기계적 스트레인 뿐만 아니라 수광기에서의 열 전달 유체에 의해 흡수되는 에너지 밸런스를 계산하기 위하여 의도되는, 하나 이상의 유량계들 및 온도 센서들;
- 태양광 수광기 상에 위치된 영역의 동작 포인트가 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값들을 정의하는 2D-공간 이론적 스트레인/Tmax 에서의 동작 엔벨로프 내에 있는지를 제어하기 위하여 그리고 그리고 상기 엔벨로프 밖에 있으면서 상기 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값을 초과하는 경우에 경보를 발하고 추가로 상기 영역 상에서의 헬리오스탯 방사 디포커싱을 요구하기 위하여, 상기 RAOI 의 기준 온도 및 상기 튜브들의 유입부 및 유출부에서의 열 전달 유체의 온도를 고려하여, 각각의 열 교환기 튜브에서 최대 온도, 온도 프로파일 및/또는 흡수된 전력 프로파일 및 상기 이미징 디바이스들에 의해 제공된 온도에 따라 각각의 열 교환기 튜브에 배정된 이론적 기계적 스트레인을 각각 계산하고/하거나 공급하기 위한 데이터 프로세싱 시스템으로서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은 IR 카메라를 제어하는 제 1 제어 수단, 동작시 패널 튜브 무결성을 제어하기 위한 제 2 제어 수단, 및 상기 제 1 및 제 2 제어 수단에, 유량계들에, 튜브 온도 센서들에 그리고 RAOI 기준 온도 센서들에 접속된 분산형 제어 시스템 (distributed control system; DCS) 을 포함하고, 상기 DCS 는 상기 RAOI 의 측정된 기준 온도를 상기 제 1 제어 수단으로 통신가능하고, 상기 열 전달 유체의 측정된 플로우 레이트 및 유입부/유출부 온도들을 상기 제 1 제어 수단 및/또는 제 2 제어 수단으로 통신가능하고, 상기 DCS 는 하나 이상의 패널들 상에서 헬리오스탯 방사를 디포커싱하기 위한 로컬 패널 디포커싱 정보를 상기 제 2 제어 수단으로부터 수신가능한, 상기 데이터 프로세싱 시스템을 포함하며,
동작시 패널 튜브 무결성을 제어하기 위한 제 2 제어 수단은 제 1 수단과 통신가능한 수단이고 그리고 하기:
- IR 카메라에 의해 측정된 온도들, 유입부 및 유출부 패널 용융 염 온도들 및 고려된 패널에서의 용융 염 플로우에 기초하여 수학적 수정을 도입하는 것에 의해 각각의 교환기 튜브 상의 수정된 최대 온도를 계산하고;
- 전용의 수학적 크리프 피로 모델로, 튜브에서의 이론적 스트레인 레벨을 계산하고;
- 상기 계산된 수정된 최대 온도 및 상기 계산된 스트레인 레벨에 의해 정의된 포인트들의 포지셔닝이 허용된 태양광 수광기 동작 엔벨로프 내인지를 비교하고;
- 상기 계산되어진 수정된 최대 온도 및/또는 상기 계산된 스트레인 레벨의 포지셔닝이 상기 동작 엔벨로프 밖에 있을 때 알람을 생성하고, 그리고 실제 에러 레벨에 따라, 헬리오스탯 디포커싱 및/또는 셧다운을 요청하기 위한 수단이다.
바람직한 실시형태들에 따르면, 본 발명에 따른 집중형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트는 다음 특징들 중 하나 또는 이들의 적절한 조합을 추가로 포함한다:
- 열 전달 유체는 용융 염이다;
- 열 이미징 디바이스는 개수가 적어도 4 개인 전용 렌즈가 구비되어 있고, CSP 타워 풋의 정의된 거리에서 그리고 CSP 타워 주위의 서로 규칙적인 각도 간격을 갖고 지면에 위치된 IR 카메라들이며, 태양광 수광기 상에서 모니터링할 영역과 카메라 렌즈의 축 사이의 각도는 바람직하게 45 °내지 90 °로 구성된다;
- 리던던시를 위해, 모든 패널은 2 개의 카메라들의 시야에 있으며, 각각의 카메라는 4 개의 패널들, 바람직하게는 인접한 패널들을 모니터링할 수 있고, 최근접 카메라의 고장의 경우 패널들은 바로 인접한 패널의 밖에 있다;
- 열 이미징 디바이스들의 고정 및 배향 디바이스는 열 이미징 디바이스 하우징, 마스트, 위치 조정 시스템, 원격 캐비닛, 및 미리 정의된 온도 범위에서 열 이미징 디바이스들을 유지하기 위한 냉각/가열 수단으로 구성된다;
- IR 카메라들을 제어하기 위한 제 1 제어 수단은 하기:
○ 핫스폿을 검출하고 자동 알람들을 해제하고;
○ 온도 측정들을 기록, 분석 및 저장하고;
○ 원통형 이미지를 직사각형 플랫 이미지로 변환하는 것을 포함하는, 오퍼레이터에게 표면 온도 디스플레이를 제공하고;
○ 투과율 및/또는 방사율 파라미터들을 조정하는 것에 의해 IR 카메라를 캘리브레이션하기 위해, 온도 기준에 의해 주어진 트렌드에 기초하여 RAOI 의 센서들에 의해 주어진 기준 온도와 IR 카메라 측정들을 비교하기 위한 수단이다;
- IR 카메라를 제어하기 위한 제 1 제어 수단 및 동작시 패널 무결성을 제어하기 위한 제 2 제어 수단은 PC 마스터의 메모리에 저장된 판독가능 명령의 형태 하에 있고, 상기 제 1 제어 수단 및 상기 제 2 제어 수단은 PC 마스터에 또한 저장된 DLL 을 통하여 통신하고 그리고 IR 카메라를 제어하기 위한 제 1 제어 수단은 또한 PC 슬레이브의 메모리에 저장된 판독가능한 명령의 형태 하에 있다;
- 미가공 IR 카메라 데이터는 PC 마스터 및 PC 슬레이브에서 후처리되고, 후처리된 데이터는 제 1 제어 수단에 의해 양쪽 PC들 사이에서 교환되고, 상기 제 2 수단은 제 1 수단으로부터 DLL 을 통하여 오는 IR 카메라의 데이터를 처리한다;
- (x, y) 에 위치한 튜브의 최대 외부 벽 온도 (T0,max) 는 하기 식:
으로 제공되며, 여기서 A 및 B 는 데이터 (Tsalt, T0,max 및 Tcamera) 에 대한 선형 최소 제곱 피트에 의해 얻어지며, 셀은 ixj 픽셀들 (i, j 정수 > 0) 을 포함하고;
- CSP 플랜트는 태양광 수광기, IR 카메라 및 헬리오스탯 필드로 이루어진 시스템의 동작을 최적화하기 위한 폐루프 제어 수단을 더 포함한다.
본 발명의 제 2 양태는 태양광 수광기 및/또는 사용된 태양광 수광기 표면에 의해 수광된 태양광 전력을 최적화하기 위한 위에 설명된 바와 같은 집중형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트의 사용에 관한 것이다.
본 발명의 제 3 양태는 태양광 수광기 패널 튜브의 무결성을 보장하기 위하여 그리고/또는 태양광 수광기의 전력 부하를 최적화하기 위하여 위에 설명된 바와 같이 집중형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트의 태양광 에너지 수광기를 열 기계적으로 모니터링하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 적어도 다음 단계들:
- 열 이미징 디바이스들로부터 미가공 데이터를 획득하는 단계;
- 픽셀 레벨에서 수정된 온도를 얻기 위해 열 차폐부 상에 위치된 RAOI 의 기준 온도에 의해 상기 미가공 데이터를 수정하는 단계;
- 각각의 수광기 패널의 유입부 및 유출부에서의 용융 염 질량 플로우 데이터 및 용융 염 온도를 획득하는 단계;
- 흡수된 전력을 추정하는 단계;
- 셀들 (x, y) 에서 태양광 수광기를 이산하는 단계;
- 셀 레벨에서, 교환기 튜브들의 튜브 정상에 있는, 즉 90 °각도 시선 방향에 대한 최대 외부 온도를 하기:
에 따라 계산하는 단계로서, 여기서 A 및 B 계수는 최소 제곱법에 의해 결정되는, 계산하는 단계;
- 각각의 교환기 튜브에서 셀 최대 내부 온도를 계산하는 단계;
- 임의의 시선 각도에서 각각의 교환기 튜브의 셀 흡수된 전력, 최대 외부 및 내부 온도를 계산하는 단계;
- 튜브에서의 이론적 스트레인 레벨을 계산하는 단계;
- 실제 튜브 열-기계적 부하와 동작 스트레인/온도 엔벨로프를 비교하는 단계;
- 상기 포지셔닝이 상기 동작 엔벨로프 밖에 있다면, 미리 정의된 기준에 따라, 경보 신호를 제공하고 가능하다면 전력 감소 레이트를 계산하고 헬리오스탯 방사 디 포커싱을 요청하는 단계를 포함한다.
도 1 은 태양광 수광기 및 열 차폐부를 갖는 CSP 타워를 나타낸다.
도 2 는 태양광 수광기의 용융 염 콜드 탱크 및 핫 탱크 및 P&ID 를 각각 나타낸다.
도 3 은 태양광 수광기 패널의 설계를 나타낸다.
도 4 는 그 지지 시스템과 연관된 렌즈를 갖는 IR 카메라를 나타낸다.
도 5 는 태양광 발전소 타워 주위의 IR 카메라 지상 포지셔닝의 예를 나타낸다.
도 6 은 열전대의 위치에 따른 RAOI의 원리를 나타낸다.
도 7 은 IR 카메라 소프트웨어, CMI 소프트웨어 및 DCS 간의 통신 프로토콜을 나타낸다.
도 8 은 하나의 튜브에 대한 온도 또는 흡수된 전력 프로파일을 나타낸다.
도 9 는 고객에 의해 정의된 모든 동작 조건들에 대한 이론적 합금 스트레인 εalloy 를 T0, max 에 따라 나타내는 작동 엔벨로프 식별을 플롯으로 나타낸다.
도 10 은 안전 및 비안전 영역 식별을 갖는 도 9 의 동작 엔벨로프를 나타낸다.
도 11 은 모니터링 시스템의 P&ID 를 나타낸다.
도 12 는 튜브 이산의 일 예를 나타낸다.
도 13 은 입력 카메라 온도 맵의 일 예를 나타낸다.
도 14 는 패널 디포커싱 영역의 일 예를 나타낸다.
도 2 는 태양광 수광기의 용융 염 콜드 탱크 및 핫 탱크 및 P&ID 를 각각 나타낸다.
도 3 은 태양광 수광기 패널의 설계를 나타낸다.
도 4 는 그 지지 시스템과 연관된 렌즈를 갖는 IR 카메라를 나타낸다.
도 5 는 태양광 발전소 타워 주위의 IR 카메라 지상 포지셔닝의 예를 나타낸다.
도 6 은 열전대의 위치에 따른 RAOI의 원리를 나타낸다.
도 7 은 IR 카메라 소프트웨어, CMI 소프트웨어 및 DCS 간의 통신 프로토콜을 나타낸다.
도 8 은 하나의 튜브에 대한 온도 또는 흡수된 전력 프로파일을 나타낸다.
도 9 는 고객에 의해 정의된 모든 동작 조건들에 대한 이론적 합금 스트레인 εalloy 를 T0, max 에 따라 나타내는 작동 엔벨로프 식별을 플롯으로 나타낸다.
도 10 은 안전 및 비안전 영역 식별을 갖는 도 9 의 동작 엔벨로프를 나타낸다.
도 11 은 모니터링 시스템의 P&ID 를 나타낸다.
도 12 는 튜브 이산의 일 예를 나타낸다.
도 13 은 입력 카메라 온도 맵의 일 예를 나타낸다.
도 14 는 패널 디포커싱 영역의 일 예를 나타낸다.
태양광 수광기 튜브 (6) 의 높은 열부하 및 높은 레벨의 스트레인과 관련하여, 태양광 수광기의 표면의 무결성을 보장하기 위하여 태양광 수광기 튜브들의 열-기계적 모니터링이 매우 중요하다. 임의의 직접 측정 (열전대, 플럭스 센서, 변형 게이지 등) 과 반대로 간접 측정이 가능한 유일한 솔루션이다.
본 발명에서는 전용의 열-기계식 모니터링 시스템 및 방법이 다음:
- 태양광 수광기 패널 튜브의 무결성을 보장하기 위한 것으로서, 태양광 수광기의 2D 공간 (이론적 스트레인 (T0max)) 에서의 동작 엔벨로프 뿐만 아니라 패널 당 최대 온도가 정의되는, 무결성을 보장하기 위해;
- 헬리오스탯 필드를 제어하기 위해 제안되며, 헬리오스탯 필드는:
○ 제 1 단계에서 디포커싱 요청;
○ 다음 단계들에서 제어 루프에 통합하는 것이다.
열-기계식 모니터링 시스템은 특정 지지 시스템 (8)(도 4) 에 설치된 전용 렌즈와 연관된 적외선 (IR) 카메라들 (7, 7A, 7B 등) 을 기반으로 한다. 카메라 세트 (7, 8) 는 태양광 수광기를 지지하는 타워의 풋으로부터 헬리오스탯 필드에, 지상 레벨에서 특정 거리 (L) 에 위치된다 (도 5). 위에 언급된 전용 렌즈는 태양광 수광기의 크기에 적합한 시야를 갖는 것으로 예상된다.
또한, 온도 송신기들 또는 열전대들 (13)(도 6) 을 갖는 기준 관심 영역 (RAOI)(12) 이 태양광 수광기 열 차폐부 (2) 상에 위치되고, 상기 열전대들 (13) 은 IR 카메라들에 의해 전달되는 미가공 온도의 수정을 위해 사용된다. 온도 송신기들 (13) 을 포함하는 RAOI 는 대기 오염을 고려하기 위해 카메라에 의한 기준으로서 사용된다 (하기 참조).
열-기계적 모니터링 방법은 또한 데이터 분석을 위한 (IR 카메라 서플라이어로부터의) 소위 IR 카메라 소프트웨어 및 (출원인으로부터의) 소위 CMI 소프트웨어를 기반으로 하며 이 소프트웨어들 사이의 적응된 통신 프로토콜, DCS (40)(분산 제어 시스템의 경우) 및 모니터링 시스템에 의한 계산을 기반으로 한다 (도 7).
다음 나열된 포인트들은 카메라 및 연관 렌즈를 선택하기 위한 기본 가이드라인, 태양광 필드에서의 그 위치, (예를 들어, 카메라의 열 보호를 보장하기 위해) 카메라 엔클로저를 포함하는 카메라들의 수를 설정하도록 고려되어야 하며, 카메라의 수는 다음과 같다:
- 적어도 4 개의 카메라들로서, 카메라들은 각각 연관 렌즈를 갖고, 각각의 하나의 여분을 갖거나, 또는 시스템 리던던시를 보장하기 위한 옵션으로서의 4 개의 카메라들 (도 5, 카메라 (7A 및 7B) 는 카메라 (7) 에 대한 리던던시를 보장하며 그 반대의 경우도 마찬가지이다). 위의 예에서, 각각의 카메라와 타워 풋 사이의 거리는 약 240 m 이다;
- 적어도 640 x 480 픽셀들의 카메라 해상도;
- 노출된 태양광 수광기 표면의 커버링;
- 카메라/렌즈 시스템의 다음 해상도: 1 픽셀 = +/- 하나의 튜브 직경 (예를 들어, 50.8 mm);
- 카메라의 열 무결성을 보장하는 하우징 (예를 들어, 관련 전자 디바이스): -15 내지 50 ℃ (IR 카메라 서플라이어로부터의 정보에 따름). 이들의 비교적 큰 크기로 인해 렌즈는 온도에 따라 스트레인한다. 따라서, 서플라이어는 시스템을 30 내지 50 ℃ 의 온도 범위에서 유지한다. 이 온도 범위에서, 카메라 시스템은 렌즈 스트레인에 의해 야기된 에러를 수정할 것으로 예상된다;
- +/-2% 의 정확도, 이 정확도는 카메라 자체를 특징화한다 (그리고 카메라와 렌즈로 구성된 시스템은 아니다).
발명의 바람직한 실시형태들의 설명
하드웨어
제안된 솔루션은 태양광 수광기의 열역학적 모니터링을 보장하기 위한 시스템 및 방법으로 구성된다.
바람직한 실시형태들에 따르면, 위의 시스템은 하기로 구성된다:
1. 특정 렌즈를 갖는 IR 카메라
각각 전용 렌즈를 갖는, 8 개의 적외선 (IR) 카메라들은 지상 레벨에서 헬리오스탯 필드에 위치되고, 타워 주위에 대략 45 °의 각도 간격마다 분포되어 태양광 수광기 패널 표면의 전체 이미지를 얻는다. 모든 패널은 시스템 리던던시 (예를 들어, 패널 (31): 카메라들 (7 및 7A); 패널 (31'): 카메라들 (7 및 7B)) 를 보장하기 위해 2 개의 카메라들 (도 5) 의 시야 (FOV) 에 있다. 또한, 각각의 카메라는 4 개의 패널들, 바람직하게는 패널들 (31 및 31') 뿐만 아니라 최근접 카메라의 고장시 패널 (32 및 32') 을 모니터링한다.
전용 렌즈를 갖는 이 IR 카메라 솔루션은 합리적인 예산을 보장하고 또한 적절한 시야 (FOV) 를 보장하고 하늘을 보는 것 (즉, 태양을 볼 위험) 을 회피하도록 더 높은 해상도를 갖는 IR 카메라를 보다 선호한다.
모니터링할 표면과 렌즈 축 사이의 각도는 45 °와 90 ° 사이에 포함되는 것이 권장되지만 최적은 90 °이다 (그러나 현재 응용에서는 불가능하다). 45 °보다 작은 각도는 카메라에 의해 수신되는 열 정보가 "하늘 온도" (태양광 수광기 표면 상의 반사) 에 의해 영향을 받기 시작하여 정확도 저하가 예상됨을 의미한다.
감광성 영역의 하나의 픽셀에 대해, IR 카메라는 태양광 수광기 표면 상의 대응하는 표면에 의해 방출된 에너지의 평균을 제공한 다음 온도 평균을 제공한다.
IR 카메라와 태양광 수광기 표면 사이의 거리는 대기 오염: 먼지, 습도, CO2 등에 기인하여 측정의 정밀도 /정확도에 영향을 주며, 이는 RAOI 를 사용하여 IR 카메라 측정을 수정한다.
2. IR 카메라와 연관 렌즈들의 세트를 지지하고 보호하는 전용 시스템
도 4 에 도시된 바와 같이, 각각의 카메라 시스템 세트 (7) 는 세트 (즉, IR 카메라 및 렌즈) 의 고정 및 배향을 허용하는 지지부 (8) 및 현장 조건들에 따라 미리 정의된 온도에서 세트의 보호 및 가열/냉각을 보장하는 하우징 시스템과 연관된다. 바람직한 실시형태에 따르면, 시스템 (8) 은 게르마늄 윈도우를 갖는 하우징 (70) 을 포함하고, 상기 하우징은 카메라 및 렌즈를 적절한 온도 범위로 유지하는 것을 허용하는 고도 폴리싱된 스테인레스 스틸, 및 위치 조정 시스템 (10), 원격 캐비닛 (11) 뿐만 아니라 스테인리스 스틸 내의 마스트 (9) 로 이루어진다. 시스템 (8) 의 주요 목적은 IR 카메라 전기 디바이스를 허용 온도 범위로 유지하는 것뿐만 아니라, 카메라가 렌즈 스트레인을 수정가능하도록 온도 범위에서 렌즈를 유지하는 것이다.
3.
RAOI
(기준 관심 영역)
RAOI 는 열 차폐부 (2) 에 설치된 IR 카메라 캘리브레이션을 위한 온도 기준 구역이다. 별도의 RAOI 영역이 각각의 카메라와 연관된다. 온도 기준은 각각의 RAOI 상에 설치된 열전대, 예를 들어 5 개의 열전대들에 의해 주어지며, 이는 IR 카메라 측정들과 비교될 온도 데이터를 제공한다. IR 카메라들의 보정은 투과율 및/또는 반사율 파라미터들을 조정하는 것에 의해 행해질 것이다. 각각의 RAOI 는 각각의 IR 카메라 앞에 위치되어야 한다. 각각의 RAOI 는 재료 및 코팅 측면에서 튜브 표면과 유사하다. RAOI 는 열 차폐부에 위치되며 이는 튜브와 같은 온도 값 (500 내지 700 ℃) 으로 제출된다.
4. IR 카메라 소프트웨어 (IR 카메라 서플라이어에서 제공)
이는 무엇보다도, 정의된 관심 영역 (AOI 필드) 을 가진 태양광 수광기에서 영구 적외선 핫스폿 검출을 위한 특수 소프트웨어이며 다음의 특징을 갖는다:
- 자동 측정 시작 및 데이터 저장을 통한 핫스폿들의 조기 검출;
- IR 온도 측정 수정을 위한, 열전대와 함께 기준 관심 영역 (RAOI) 의 사용;
- 임계값을 초과하는 경우 정의된 사전 및 메인 알람 한계에서 신뢰성있는 자동 경보 해제;
- 오퍼레이터 스크린 상의 라이브 이미지의 자동 스케일링;
- 수광기 상의 정의된 영역에 대한 검출, 그래픽 및 수치적 시각화 및 트렌드 차트;
- 온도 트렌드 기록 및 분석;
- 소프트웨어 적응: 직사각형 형태의 각각의 카메라 이미지의 실린더 표면 변환;
- 타워 이동을 위한 소프트웨어 적응: 타워 이동으로 인해 각각의 튜브에서 정확한 포지셔닝 및 정의를 위한 AOI 측정 포인트들의 수정;
- 여러 수정 모델들에 기초한 측정 경로의 송신 및 방사율 값의 로컬 수정에 대한 수정 영역들의 정의 (형상들: 직사각형, 타원형, 폴리곤).
IR 카메라 소프트웨어는:
- RAOI 에서 열전대 측정에 기초하여 라인에 맞추어질 것이고;
- RAOI 열전대에 의해 주어진 열 프로파일 및 IR 카메라에 의해 주어진 열 프로파일을 비교할 것이고;
- IR 카메라의 방사율 및/또는 투과율 파라미터들을 수정하여, 열전대에 의해 주어진 트렌드에 따라 IR 카메라에 의해 주어진 열 프로파일을 유도할 것이다.
5.
CMI
소프트웨어
이는 태양광 수광기 무결성을 보장하기 위해 출원인에 의해 개발된 소프트웨어이며, 이는 IR 카메라 서플라이어의 소프트웨어와 보완적이다.
IR 카메라의 해상도 (1 픽셀 = 21 ㎟) 에 기인하여, 그리고 하나의 튜브의 직경이 50.8 mm 인 것을 염두에 두면, IR 카메라 소프트웨어는 튜브 온도 프로파일에서 최대 온도를 검출할 수 없고 평균 온도만을 검출할 수 있다.
태양 광선에 노광된 튜브에 대한 온도 또는 흡수된 전력 프로파일은 정현파 프로파일 (14, 15) 이다 (도 8). 따라서, IR 카메라로는 검출할 수 없는 튜브의 매우 작은 표면에서 최대 온도에 도달한다. 따라서, IR 소프트웨어는 튜브에서 방출된 에너지의 양과 관련된 일종의 "평균 온도"를 제공한다. 이 접근 방법은 수광기 무결성 모니터링 측면에서 허용할 수 없는 최대 튜브 온도의 과소 평가를 초래한다.
이와 관련하여 본 발명에 따른 개선은 튜브에 대한 최대 국부 온도를 계산하기 위해 수학적 수정을 도입하는 것이다. 이 수정은 다음에 기초한다:
- IR 카메라 (IR 카메라 소프트웨어) 에 의해 주어진 온도;
- 튜브 패널의 유입부 및 유출구에서의 용융 염 온도;
- 고려된 패널에서의 용융 염의 플로우.
튜브의 최대 온도에 대한 유일한 정보는 수광기의 무결성을 보장하기에 충분하지 않기 때문에, 본 출원인은 튜브에서의 이론적 스트레인 레벨을 계산할 수 있는 수학적 모델 (소위 CMI 소프트웨어) 을 개발하였다. 튜브 내 온도 및 스트레인 레벨 양쪽의 평가는 여러 열-기계적 부하들 하에서 튜브의 수명 분석에 의해 검증된 태양광 수광기 작동 엔벨로프 (16) 와의 비교에 의해 수광기의 무결성을 보장하는 것을 허용한다 (피로-크리프 평가)(도 9 및 도 10). 동작 엔벨로프 (16)(도 9 및 도 10) 는 따라서 태양광 수광기의 모든 동작 포인트들을 커버하도록 정의되었다.
정의된 한계를 초과할 때마다 CMI 소프트웨어는 알람을 생성하며 플랜트의 DCS (40) 에 대한 영역 디포커싱 (도 10) 을 필요로 한다.
따라서 CMI 소프트웨어는 동일한 마스터/슬레이브 컴퓨터들, PC1 (43) 및 PC2 (44) 에 각각 설치된 IR 서플라이어 소프트웨어의 추가 기능이다.
6. 플랜트의 DCS (고객) 또는 분산 제어 시스템 (도 11)
DCS 에서 제어기들의 계층 구조는 커맨드 및 모니터링에 대한 통신 네트워크들에 접속된다. 예를 들어 4 바이트 숫자를 저장하기 위한 2 개의 레지스터들이 사용된다 (DCS 데이터 구조에 따라 적응될 수 있다).
IR 카메라 소프트웨어는 RAOI 에 설치된 열전대에 의해 주어진 온도 측정을 얻기 위하여 DCS 로부터의 어드레스를 필요로 한다.
CMI 소프트웨어는 또한 각각의 패널의 유입부 및 유출부 염 온도를 얻기 위하여 DCS (40) 로부터의 어드레스를 필요로 한다. 유입구 및 유출구 염 온도에 대하여 다수의 레지스터들을 각각 필요로 한다. 이들 레지스터의 정보는 PC1 (43) 및 PC2 (44) 의 CMI 소프트웨어에 의해 DCS (40) 로부터 판독된다. 또한 CMI 소프트웨어는 DCS (40) 으로의 2 개의 태양광 수광기 회로들의 플로우 송신기들에 의해 주어진 질량 플로우 측정을 필요로 한다.
CMI 소프트웨어는 또한 전력 감소 레이트 및 임계 영역의 국소화와 같은 DCS 레지스터에서의 디포커스 정보를 기록가능한 것이 필요하다.
CMI 소프트웨어는 또한 알람 상태를 내부에 기록가능한 DCS (40) 의 레지스터 정보를 필요로 한다. 이 정보의 각각은 레지스터들에 기록될 1 비트 (0 또는 1) 를 필요로 한다.
정상 동작에서, PC 마스터 (43)(PC1) 의 CMI 소프트웨어는 PC 슬레이브 (44) 가 대기 상태에 있는 동안 DCS (40) 에 이들 데이터를 기록한다. PC 슬레이브 (44) 는 PC 마스터 (43) 의 고장 또는 PC 마스터 (43) 의 IR 소프트웨어 고장의 경우 PC 마스터의 역할을 수행할 것이다 (도 11).
IR 서플라이어 소프트웨어는 AOI 당 그 좌표 및 패널 당 모든 AOI의 min/max 온도와 같은 정보를 기록가능하기 위해 DCS 의 레지스터 어드레스를 필요로 한다.
PC 마스터 (43) 로부터의 IR 카메라 소프트웨어는 위의 데이터를 DCS (40) 레지스터들에 기록하고 이들 레지스터로부터 기록한다. 이 PC 가 고장나면 PC2 (44) 가 PC1 을 대신하여, 이 데이터를 기록할 것이다.
7. 컴퓨터들 PC1 및 PC2 (도 11)
이들 컴퓨터는 8 개의 IR 카메라들의 데이터를 후 처리하고 관리하는데 필수적이다. 각각의 PC (43, 44) 는 각각 4 개의 카메라들의 미가공 데이터를 후처리하여 리던던시를 보장한다.
PC1 (43) 과 PC2 (44) 사이의 IR 카메라 후처리 데이터 교환은 각각의 PC 의 IR 소프트웨어를 통해서만 수행된다. 양쪽 PC 는 이들 4 개의 각각의 IR 카메라로부터 서로에 대해 데이터를 통신한다.
CMI 소프트웨어는 PC1 (43) 및 PC2 (44) 상에서 개별적으로 실행되며 각각 동일한 PC 에 위치된 DDL (45) 을 통하여 IR 소프트웨어로부터 기원하는 8 개의 IR 카메라들의 데이터를 처리한다.
PC1 (PC 마스터 (43)) 상에서의 IR 카메라 소프트웨어 및 CMI 소프트웨어는 DCS (40) 로부터 정보를 각각 판독하고 기록한다.
8.
HTF
온도 송신기들
16 개의 패널들에 대해 온도 송신기들이 사용가능하다. 이들의 유입부 및 유출부에서 각각의 측정 포인트에 대해 3 개의 열전대를 사용가능하고 규칙 "3 중 2"가 적용되므로 열 전달 유체 (용융 염) 의 신뢰성있는 온도 측정을 보장한다.
9.
플로우
송신기들
플로우 송신기들은 2 개의 회로들에 대해 사용가능하다. 또한, 2 쌍의 초음파 프로브들 (내부 리던던시) 를 포함하는 유량계 설계 덕분에 특정 리던던시가 또한 존재한다.
기능적 양태들 (소프트웨어)
CSP 타워 플랜트의 용융 염 태양광 수광기의 무결성을 보장하기 위해 수학적 모델을 기반으로 열-기계적 모니터링 방법이 제안된다. 수학적 모델은 이산된 튜브에 적용된 열 밸런스에 기초한다.
태양광 수광기 패널의 튜브는 이산된다. 이들 세그먼트의 위치는 0 내지 180 °범위의 각도 (α) 에 의해 식별된다 (도 12).
열 밸런스는 다음과 같은 열 전달 및 전달 모드를 고려한다:
- 태양광 수광기 패널의 튜브는 그 원주의 180 °에서 집중된 열 플럭스를 수용한다.
- 튜브 두께를 통한 전도성이 고려된다.
- 강제된 대류는 튜브의 이산된 소자의 내부 직경에 적용된 열 전달 계수로 모델링된다.
- 외부 직경에 대한 다른 열 손실들은 튜브에 적용된 코팅의 반사율, 방사율, 전도도, 강제된 및 자연의 대류에 대해 고려된다.
튜브의 열 밸런스는 직접 메소드 또는 간접 메소드에 따라 구성되고 사용될 수 있다. 직접 메소드와 간접 메소드는 주로 같은 고전적 열 방정식을 사용했지만 같은 순서가 아니고 동일한 입력을 사용하지 않고 동일한 출력을 생성하지 않는다.
고전적 열 방정식은 열 전달 이론을 기반으로 하며 VDI Heat Atlas, Second Edition, Part G1, Section 4.1 을 기반으로 한 일부 선험적 방정식을 사용하였다.
출원인에 의해 개발된 소프트웨어의 독창성은 다음과 같은 가능성:
- 카메라에 의해 수행된 측정에 대한 정정을 적용하기 위한 가능성;
- 태양광 수광기 표면의 각각의 영역의 열-기계적 부하를 평가하고 태양광 수광기의 동작 엔벨로프에 이 부하를 비교가능한 가능성을 기반으로 한다.
2 개의 다음 섹션들은 직접 및 간접 메소드로 CMI 소프트웨어의 독창성을 보다 정밀하게 정의한다.
1.
CMI
소프트웨어의 직접
메소드
직접 메소드는 주로 하기를 정의하고 계산하기 위해 사용된다:
- 태양광 수광기 표면 상의 입사 플럭스 맵에 기초한 태양광 수광기 효율;
- 간접 메소드에 사용되는 수정 팩터들: (IR 카메라 열기계적 모니터링에 사용되는) A 및 B 계수들 - 하기를 참조한다.
직접 메소드는 표 1 에 표시된 다음 아키텍처 및 단계를 기반으로 한다.
[표 1]
직접 메소드에서, 절차는:
- 튜브로부터 IR 카메라 (도시 생략) 로의 방사 전달을 위한 단순화된 방정식을 사용하여 카메라에 의해 수행된 측정으로부터 외부 벽 평균 온도를 계산/평가하는 것;
- A 및 B 계수들을 계산하는 것이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 각각의 카메라는 그 바로 앞에 태양광 수광기 표면의 90 °를 넘게 커버한다. 이를 기반으로 하고 리던던시를 보장하기 위해:
모든 카메라는
4 개의
패널들에
전용된다
계산은 2 개의 구성들에 대해 병행하여 수행된다:
- 구성 1: 패널들 (31 및 31');
- 구성 2: 패널들 (32 및 32').
모든 패널은
2 개의
카메라들의 시야 (
FOV
) 상에
있다
획득된 결과들은 다음의 조건들에 따른다:
- 정상 조건에서: "구성 1" 계산으로부터 기원된 결과들;
- 정상 조건에서 카메라 고장의 경우에: "구성 2" 계산으로부터 기원된 결과들.
위에서 언급된 단순화된 방정식 (도시 생략) 에서, 튜브에 대한 
의 값은 이산 방법을 사용하여 평가될 수 있다. 이 방정식은 패널 평면과 튜브 접선 평면 사이의 각도인 α1, 및 카메라 축과 직선 카메라-튜브 축 (도시 생략) 사이의 각도인 α2 를 고려한다. 또한 카메라가 하프 튜브의 전체 표면을 "보지"않음을 주지한다. 실제로, 각도 α1 및 α2 에 따라, 일부 영역들은 튜브 자체 또는 인접 영역에 의해 숨겨져 카메라에서 "볼 수"없습니다. 이 현상은 경계들이 있는 위에서 언급한 방정식 (도시 생략) 에서 고려된다:
- α3: 이웃 튜브의 쉐도우에서의 각도;
- α4 : 튜브 자체에 의해 은닉된 각도.
주목해야 할 또 다른 중요한 점은 카메라 온도가 "셀 레벨" 또는 위에서 정의된 이산 레벨 (픽셀 레벨이나 튜브 레벨이 아님) 에서 고려되어야 하며 픽셀 레벨에서 Tcamera 를 고려하여 튜브로부터 IR 카메라로의 방사적 전달을 나타내야 한다는 점이다.
셀 이산, 하나의 셀에서 다른 셀로, 그리고 하나의 튜브에서 다른 튜브로의 작은 변동량, 그리고 양쪽 구성들 (도 5 참조) 을 고려하여, 관계식을 단순화하기 위해, 튜브의 온도는 10x10 픽셀들의 온도 통합에 고려되고, 두 구성들에서 200x200 ㎟ 의 하나의 셀을 나타내는 것으로 간주된다.
따라서 셀과 카메라 사이의 전체 전력 밸런스를 고려하는 셀 레벨에서의 Tcamera 를 정의할 수 있다. 셀 레벨의 Tcamera 는 셀 레벨에 통합되지만 이전과 동일한 이산 방법을 사용하여 그리고 카메라로부터 직접 기원하는 픽셀 레벨의 Tcamera 를 고려하여 평가될 수 있다.
마지막으로, (x, y) 축에서 위에서 언급된 관계는 셀 레벨에서 기록될 수 있다.
여기서, 
는 고려된 셀의 픽셀 온도이다.
A 및 B 계수의 평가가 고려되는 한, 직접 메소드로 구한 온도 값에 대한 선형 최소 제곱법이 사용된다:
직접 메소드 →
→선형 최소 제곱법→A&B 계수들
튜브의 최대 외부 벽 온도는 열기계적 모니터링을 수행하기 위해 매우 중요한 파라미터이며, 직접 메소드로부터 기원하는 A 및 B 계수를 사용하여 평가될 수 있다 (위를 참조):
정상 태양광 플럭스에 노출된 하프 튜브의 외부 벽 온도는 튜브 정상부에서 최대값을 갖는 정현파 프로파일을 따른다:
2.
CMI
소프트웨어의 간접
메소드
카메라 온도 맵, 패널 입력/ 출력 염 온도, 염 질량 플로우, A 및 B 계수들, 동작 엔벨로프, 간접 메소드를 기반으로 하여 다음을 위해 사용된다:
- 다음을 계산하는 것에 의해 열기계적 모니터링을 보장하는 것:
● 각각의 셀의 최대 온도,
● 각각의 셀의 스트레인 레벨, 그리고
- 최대 온도 및 스트레인을 동작 엔벨로프와 비교하는 것.
이 비교를 행할 수 있기 위해, 다음 파라미터들:
- 각각의 패널의 염 온도를 따르기 위한 내부 열 전달 계수들,
- 흡수된 플럭스 맵
이 계산되어야 한다.
간접 메소드는 표 2 에 표시된 다음 아키텍처 및 단계를 기반으로 한다.
[표 2]
[표 2 (계속)]
단계 5 는 흡수된 전력의 수렴시까지 여러 번 셀 단위로 계산된다. 그후, 이 전력 값에 기초하여, 직접 메소드 (단계 6) 가 사용될 수 있다.
패널 (19x92 셀들) 이 계산될 때, 그 유출구 평균 염 온도는 DCS 로부터 기원하는 프로세스 값에 비교된다. 값들이 일치하지 않으면, 내부 열 전달 계수의 수정된 값으로, 이 패널의 각각의 셀에 대하여 계산이 다시 수행되고, 수정 팩터가 적용된다.
다음 포인트들은 이전에 설명한 간접 메소드의 일부 단계를 보다 정밀하게 정의한다.
모든 레벨의 카메라 온도 맵
카메라 온도 맵 (도 13) 은 직접 메소드에 사용되는 입사 플럭스 맵과 동일한 특징을 갖는다. 이는 태양광 수광기의 셀들 (패널 당 19x92 셀들) 에 대한 온도 
[℃] 을 나타낸다.
값들-흡수된 전력을 추정
제 1 런을 위하여, 각각의 셀에 대한 염에 의해 흡수되는 전력은 다음과 같이 정의된다:
엔탈피는 DCS 로부터 기원하는 프로세스 값들에 따라 계산된다.
최대 외부 벽 온도 (직접
메소드
참조)
고전 열 방정식
열 전달 이론을 기반으로 하는 고전 열 방정식들 및 또한 VDI Heat Atlas, Second Edition, Part G1, Section 4.1. 을 기반으로 한 일부 선험적 방정식은 다음을 계산하기 위해 사용된다:
- 튜브 정상에서의 흡수된 전력;
- 최대 내부 벽 온도;
- 셀에 의해 흡수된 전력;
- 내부 열 전달 계수.
내부 열 전달 계수는 직접 메소드에 따라 계산된다. 그러나, 얻은 결과가 실제와 일치하지 않으면 이 내부 열 전달 계수를 수정해야 한다. 따라서 내부 열 전달은 다음 변경된 방정식에 의해 정의된다:
여기서, 
는 내부 열 전달 계수 수정 팩터 (패널 당 1) 이다.
이 수정 계수는 각각의 패널 계산의 종료시 업데이트된다. 하나의 패널의 모든 셀들에 대해 동일한 수정 팩터가 사용된다.
흡수된 전력에 기초한 직접
메소드
흡수된 전력이 평가되면 직접 메소드를 사용할 수 있다.
이론적 스트레인 대 온도
엔벨로프
최대 벽 외부 온도에 연관된 이론적 스트레인은 검증된 엔벨로프와 비교되도록 계산된다.
외부 온도 프로파일이 셀의 대표하는 하프 튜브 주위에 대해 공지되면, 튜브 합금 (예를 들어 니켈계 또는 스테인리스 스틸 합금일 수 있음) 의 금속 특성들이 평가될 수 있고 셀에 대한 이론적 스트레인이 계산된다 (도시 생략). 계산은 상이한 동작 플럭스 맵에 적용되며 도 9 의 차트를 제공한다. 각각의 플럭스 맵 (총 9x16 포인트들) 에 대해 패널 당 하나의 임계점 (
) 이 계산된다. 각각의 패널의 최대 외부 벽 온도 및 이론적 스트레인은 도 9 의 모든 포인트 (패널 당 1 x 16 패널 x 9 플럭스 맵) 을 플롯하는데 사용된다.
수명 평가에 기초한 전용 연구는 태양광 수광기의 동작 엔벨로프로서 정의된 도 10 에 식별된 엔벨로프를 검증하기 위해 수행되었다.
모든 셀은 
에서 평가된 다음 기준에 따를 필요가 있다:
하나 이상의 셀들이 해당 기준에 따르지 않으면 선택적 디포커싱을 수행하기 위해 정보가 DCS 로 전송된다.
이는 열-기계적 트렌드 라인과 동작 엔벨로프 사이의 교차점을 계산하는 것에 의해 결정될 수 있다 (도 10 참조).
열-기계적 트렌드 라인은 다음으로 주어진다:
한편, 동작 엔벨로프는 다음으로 주어진다:
전력 감소
레이트
이론적 강도 감소와 전력 변동량 간의 상관 관계가 전력 감소 레이트를 평가하기 위해 구해졌다.
하나의 셀에 대한 튜브 정상에서의 전력 감소는 아래에 주어진 형태의 이론적 강도 변동량의 함수임을 볼 수 있다.
DCS 에
대한 기준 및
디포커싱
요청
튜브 내부의 최대 온도의 관점 및 스트레인에 대한 한계가 동작 엔벨로에 비해 초과될 때 CMI 소프트웨어에 의해 로컬 디포커싱 신호가 생성된다. 알람이 또한 생성된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 스트레인 Δε 에 대한 기준은 측정 불확정성과 관련된 크기의 정도에 따라 정의된다.
- Max: 0.025%;
- 평균: 0.017%
CMI 소프트웨어에 의해 DCS 에 주어진 디포커싱의 백분율은 다음 조건에 따라 3 개의 알람들 중 하나를 트리거할 것이다:
1) SR PANEL MAX 1: ε1 = 정상 엔벨로프 + 0.015%; t1 > 15 sec
2) SR PANEL MAX 2: ε2 = 정상 엔벨로프 + 0.03%; t1+t2 > 30 sec
3) SR PANEL MAX 3: ε3 = 정상 엔벨로프 + 0.05%; t1+t2+t3 > 45 sec
Δε> 0.015 % 이면 디포커스가 활성화된다:
- 0 % < Δε < 0.015 % 
액션없음;
- 0.015 % < Δε < 0.03 % 
알람 1 + 디포커스;
- 0.030 % < Δε < 0.05 % 
알람 2 + 디포커스;
- Δε > 0.05 % 
알람 3 + 셧다운 요청 DCS.
DCS 로 전송되는 정보는 문제 영역 위치와 입사 전력 감소 레이트이다:
- 영역 위치 - 문제 영역의 부동 경계 코너들을 정의하기 위한 2 개의 좌표들:
○ (x1, y1) 좌측 상단 코너;
○ (x2, y2) 우측 하단 코너.
- 전력 감소 레이트:
○ 백분율 값;
○ 문제 영역의 최대 값.
여전히 본 발명의 프레임에서, 더 높은 해상도를 갖는 IR 카메라가 사용될 수 있다. 그러나 이 솔루션은 다음과 같은 이유로 권장되지 않는다:
- 더 복잡한 설계 (냉각 시스템이 카메라의 감광 영역에 통합됨);
- 산업적 설계에 비해 실험실 적용에 더 양호하게 적응됨 (수명이 영향을 받음);
- 비용면에서: 1024x768 픽셀을 갖는 카메라보다 적어도 6 배 더 비쌈.
추가 관점들
본 발명과 관련된 추가의 관점은 (예를 들어 565 ℃ 에서 용융 염 플로우 (kg/s) 에 대한) 간략화된 보장 및 폐쇄 루프에 의한 헬리오스탯 제어 최적화를 제공하는 것이다.
1: CSP 타워 플랜트
2: 흡수기 패널 (열 차폐부)
3: 태양광 수광기
4: 용융 염의 콜드 탱크
5: 용융 염의 핫 탱크
6: 수광기 튜브
7: IR 카메라 모니터링 시스템
7A: 인접 IR 카메라 모니터링 시스템
7B: 인접 IR 카메라 모니터링 시스템
8: 고정 및 배향 IR 카메라 디바이스
9: 지원 시스템 (마스트)
10: 위치 조정 시스템
11: 원격 캐비넷
12: 기준 관심 영역 (RAOI)
13: 열전대
14: 튜브 흡수 전력 프로파일
15: 튜브 온도 프로파일
16: 동작 엔벨로프
20: PID
21: 압력 센서
22: 유량계
23: 온도 센서
30: 수광기 패널
31, 31': 구성 1 (하나의 카메라) 에 대응하는 패널들
32, 32': 구성 2 (하나의 카메라) 에 대응하는 패널들
40: DCS
41: IR 카메라 소프트웨어
42: CMI 소프트웨어
43: PC 마스터
44: PC 슬레이브
45: DLL
2: 흡수기 패널 (열 차폐부)
3: 태양광 수광기
4: 용융 염의 콜드 탱크
5: 용융 염의 핫 탱크
6: 수광기 튜브
7: IR 카메라 모니터링 시스템
7A: 인접 IR 카메라 모니터링 시스템
7B: 인접 IR 카메라 모니터링 시스템
8: 고정 및 배향 IR 카메라 디바이스
9: 지원 시스템 (마스트)
10: 위치 조정 시스템
11: 원격 캐비넷
12: 기준 관심 영역 (RAOI)
13: 열전대
14: 튜브 흡수 전력 프로파일
15: 튜브 온도 프로파일
16: 동작 엔벨로프
20: PID
21: 압력 센서
22: 유량계
23: 온도 센서
30: 수광기 패널
31, 31': 구성 1 (하나의 카메라) 에 대응하는 패널들
32, 32': 구성 2 (하나의 카메라) 에 대응하는 패널들
40: DCS
41: IR 카메라 소프트웨어
42: CMI 소프트웨어
43: PC 마스터
44: PC 슬레이브
45: DLL
Claims (12)
- 집광형 태양광 발전소 (concentrated solar power; CSP) 플랜트로서,
상기 플랜트는 복수의 헬리오스탯들 또는 헬리오스탯 필드, 중앙 타워 (1) 상단에 위치되고 수광기 패널들 (30) 로 커버되는 외부 표면을 갖는 실질적으로 원통형인 태양광 에너지 수광기 (3), 바람직하게는 용융 염 태양광 수광기 (molten salt solar receiver; MSSR), 및 상기 태양광 에너지 수광기 (3) 에 인접하는 열 차폐부 (2) 를 포함하고,
상기 헬리오스탯들은 상기 태양광 에너지 수광기 (3) 의 상기 외부 표면으로 태양광 에너지를 반사시키고,
각각의 수광기 패널 (30) 은 상기 태양광 에너지 수광기의 상기 외부 표면 상에 부분적으로 노출되는 열 전달 유체를 수송하는 복수의 열 교환기 튜브들 (6) 을 포함하고 그리고 동작시 태양광 수광기 패널 튜브들의 무결성을 보장하기 위해 열기계적 모니터링 시스템을 포함하고,
상기 열기계적 모니터링 시스템은 적어도:
- 상기 태양광 에너지 수광기 (3) 의 상기 외부 표면에 의해 방출된 적외선 방사를 측정하고 상기 외부 표면의 영역에서 패널 온도-의존적 신호를 제공하기 위하여, 지상에 위치되고 각각 고정 및 배향 디바이스 (8) 상에 탑재되는 복수의 열 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등);
- 각각의 열 이미징 디바이스 (7, 7A, 7B 등) 에 대해, 그 열 이미징 디바이스 (7, 7A, 7B 등) 에 대향하여 배열되는, 상기 열 차폐부 (2) 상에 위치된 기준 관심 영역 (reference area of interest; RAOI) (12) 으로서, 상기 RAOI (12) 에 대응하는 기준 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도 센서들 (13) 을 포함하는, 상기 기준 관심 영역 (RAOI);
- 상기 열 교환기 튜브들 (6) 에서의 열 전달 유체의 플로우 레이트를 측정하기 위한 하나 이상의 유량계들 (22) 및 상기 열 교환기 튜브들 (6) 의 유입부 및 유출구에 각각 배열된 온도 센서들 (23) 로서, 상기 유량계들 (22) 및 상기 온도 센서들 (23) 에 의해 제공된 측정들은 상기 교환기 튜브들 (6) 에 의해 경험되는 기계적 스트레인들 뿐만 아니라 상기 태양광 에너지 수광기에서의 열 전달 유체에 의해 흡수되는 에너지 밸런스를 계산하기 위하여 의도되는, 상기 하나 이상의 유량계들 (22) 및 상기 온도 센서들 (23);
- 상기 태양광 에너지 수광기 (3) 상에 위치된 영역의 동작 포인트가 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값들을 정의하는 2D-공간 이론적 스트레인/Tmax 에서의 동작 엔벨로프 (16) 내에 있는지를 제어하기 위하여 그리고 상기 엔벨로프 (16) 밖에 있으면서 상기 미리정의된 온도 및 스트레인 임계값을 초과하는 경우에 경보를 발하고 추가로 상기 영역 상에서의 헬리오스탯 방사 디포커싱을 요구하기 위하여, 상기 RAOI 의 기준 온도 및 상기 튜브들 (6) 의 유입부 및 유출부에서 열 전달 유체의 온도를 고려하여, 각각의 열 교환기 튜브 (6) 에서 최대 온도, 온도 프로파일 및/또는 흡수된 전력 프로파일 및 상기 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등) 에 의해 제공된 온도에 따라 각각의 열 교환기 튜브 (6) 에 배정된 이론적 기계적 스트레인을 각각 계산하고/하거나 공급하기 위한 데이터 프로세싱 시스템으로서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은 IR 카메라들을 제어하는 제 1 제어 수단 (41), 동작시 패널 튜브 무결성을 제어하기 위한 제 2 제어 수단 (42), 및 상기 제 1 및 제 2 제어 수단 (41, 42) 에, 유량계들에 (22), 튜브 온도 센서들 (23) 에 그리고 RAOI 기준 온도 센서들 (13) 에 접속된 분산형 제어 시스템 (distributed control system; DCS)(40) 을 포함하고, 상기 DCS (40) 는 상기 RAOI (12) 의 측정된 기준 온도 (13) 를 상기 제 1 제어 수단 (41) 으로, 상기 열 전달 유체의 측정된 플로우 레이트 및 유입부/유출부 온도들을 상기 제 1 제어 수단 (41) 및/또는 제 2 제어 수단 (42) 으로 통신가능하고, 상기 DCS 는 하나 이상의 패널들 (30) 상에서 헬리오스탯 방사를 디포커싱하기 위한 로컬 패널 디포커싱 정보를 상기 제 2 제어 수단 (42) 으로부터 수신가능한, 상기 데이터 프로세싱 시스템을 포함하며,
동작시 패널 튜브 무결성을 제어하기 위한 상기 제 2 제어 수단 (42) 은 상기 제 1 수단 (41) 과 통신가능한 수단이고, 그리고:
- 상기 IR 카메라에 의해 측정된 온도들, 유입부 및 유출부 패널 용융 염 온도들 및 고려된 패널에서의 용융 염 플로우에 기초하여 수학적 수정을 도입하는 것에 의해 각각의 교환기 튜브 (6) 상의 수정된 최대 온도를 계산하고;
- 전용된 수학적 크리프 피로 모델 (creep-fatigue model) 로, 상기 튜브들 (6) 에서의 이론적 스트레인 레벨을 계산하고;
- 계산되는 상기 수정된 최대 온도 및 계산되는 상기 스트레인 레벨에 의해 정의된 포인트들의 포지셔닝이, 허용된 태양광 에너지 수광기 동작 엔벨로프 내인지를 비교하고;
- 상기 계산되는 수정된 최대 온도 및/또는 상기 계산되는 스트레인 레벨의 포지셔닝이 상기 동작 엔벨로프 밖에 있을 때 알람을 생성하고, 그리고 실제 에러 레벨에 따라, 헬리오스탯 디포커싱 및/또는 셧다운을 요청하기 위한 수단인, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 전달 유체는 용융 염인, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등) 은 개수가 적어도 4 개인 전용 렌즈가 구비되어 있고, CSP 타워 풋의 정의된 거리에서 그리고 상기 CSP 타워 주위의 서로 규칙적인 각도 간격을 갖고 지상에 위치되는 IR 카메라들이며, 상기 태양광 에너지 수광기 (3) 상에서 모니터링할 영역과 카메라 렌즈의 축 사이의 각도는 바람직하게 45 °내지 90 °로 구성되는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 3 항에 있어서,
리던던시를 위해, 모든 패널 (30) 은 2 개의 카메라들 (7, 7A, 7B 등) 의 시야에 있으며, 각각의 카메라 (7, 7A, 7B 등) 는 4 개의 패널들 (30), 바람직하게는 인접한 패널들 (31, 31') 을 모니터링가능하고, 최근접 카메라의 고장의 경우, 패널들은 바로 인접한 패널들 (32, 32') 의 밖에 있는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등) 의 고정 및 배향 디바이스 (8) 는 열 이미징 디바이스 하우징 (70), 마스트 (9), 위치 조정 시스템 (10), 원격 캐비닛 (11), 및 미리 정의된 온도 범위에서 상기 열 이미징 디바이스들 (7, 7A, 7B 등) 을 유지하기 위한 냉각/가열 수단으로 구성되는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
IR 카메라들을 제어하기 위한 상기 제 1 제어 수단 (41) 은:
- 핫스폿들을 검출하고 자동 알람들을 해제하고;
- 온도 측정들을 기록, 분석 및 저장하고;
- 원통형 이미지를 직사각형 플랫 이미지로 변환하는 것을 포함하는, 오퍼레이터에게 표면 온도 디스플레이를 제공하고;
- 투과율 및/또는 방사율 파라미터들을 조정하는 것에 의해 IR 카메라들을 캘리브레이션하기 위하여, 온도 기준에 의해 주어진 트렌드에 기초하여 RAOI 의 센서들에 의해 주어진 기준 온도와 IR 카메라 측정들을 비교하기 위한 수단인, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
IR 카메라들을 제어하기 위한 상기 제 1 제어 수단 (41) 및 동작시 패널 무결성을 제어하기 위한 제 2 제어 수단 (42) 은 PC 마스터 (43) 의 메모리에 저장된 판독가능 명령들의 형태 하에 있고, 상기 제 1 제어 수단 (41) 및 상기 제 2 제어 수단 (42) 은 상기 PC 마스터 (43) 에 또한 저장된 DLL (45) 을 통하여 통신하고 그리고 IR 카메라들을 제어하기 위한 상기 제 1 제어 수단 (41) 은 또한 PC 슬레이브 (44) 의 메모리에 저장된 판독가능한 명령들의 형태 하에 있는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 7 항에 있어서,
미가공 IR 카메라 데이터는 상기 PC 마스터 (43) 및 상기 PC 슬레이브 (44) 에서 후처리되고, 후처리된 데이터는 상기 제 1 제어 수단 (41) 에 의해 양쪽 PC들 사이에서 교환되고, 상기 제 2 수단 (42) 은 상기 제 1 수단 (41) 으로부터 상기 DLL 을 통하여 오는 상기 IR 카메라들의 데이터를 처리하는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항에 있어서,
(x, y) 에 위치된 튜브 (6) 의 최대 외부 벽 온도 (T0, max) 는 하기 식으로 주어지며:
여기서 A 및 B 는 데이터 (Tsalt, T0,max 및 Tcamera) 에 대한 선형 최소 제곱 피트에 의해 얻어지며, 셀은 ixj 픽셀들 (i, j 정수 > 0) 을 포함하는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
태양광 에너지 수광기, IR 카메라들 및 헬리오스탯 필드로 이루어진 시스템의 동작을 최적화하기 위한 폐루프 제어 수단을 더 포함하는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트. - 태양광 에너지 수광기 (3) 및/또는 사용된 태양광 에너지 수광기 (3) 표면에 의해 수광된 태양광 전력을 최적화하기 위한, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트의 용도.
- 태양광 수광기 패널 튜브들 (6) 의 무결성을 보장하기 위하여 그리고/또는 태양광 에너지 수광기 (3) 의 전력 부하를 최적화하기 위하여 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트의 태양광 에너지 수광기 (3) 를 열기계적으로 모니터링하는 방법으로서,
상기 방법은 적어도 다음 단계들:
- 열 이미징 디바이스들로부터 미가공 데이터를 획득하는 단계;
- 픽셀 레벨에서 수정된 온도를 얻기 위해 열 차폐부 상에 위치된 RAOI 의 기준 온도들에 의해 상기 미가공 데이터를 수정하는 단계;
- 각각의 수광기 패널의 유입부 및 유출부에서의 용융 염 질량 플로우 데이터 및 용융 염 온도를 획득하는 단계;
- 흡수된 전력을 추정하는 단계;
- 셀들 (x, y) 에서 태양광 에너지 수광기를 이산하는 단계;
- 셀 레벨에서, 교환기 튜브들의 튜브 정상에 있는, 즉 90 °각도 시선 방향에 대한 최대 외부 온도를,
에 따라 계산하는 단계로서, 여기서 A 및 B 계수들은 최소 제곱법에 의해 결정되는, 상기 계산하는 단계;
- 각각의 교환기 튜브에서 셀 최대 내부 온도를 계산하는 단계;
- 임의의 시선 각도에서 각각의 교환기 튜브의 셀 흡수된 전력, 최대 외부 및 내부 온도를 계산하는 단계;
- 상기 튜브에서의 이론적 스트레인 레벨을 계산하는 단계;
- 동작 스트레인/온도 엔벨로프와 실제 튜브 열기계적 부하를 비교하는 단계;
- 상기 포지셔닝이 상기 동작 엔벨로프 밖에 있다면, 미리 정의된 기준에 따라, 경보 신호를 제공하고 가능하게 전력 감소 레이트를 계산하고 헬리오스탯 방사 디포커싱을 요청하는 단계를 포함하는, 집광형 태양광 발전소 (CSP) 플랜트의 태양광 에너지 수광기 (3) 를 열기계적으로 모니터링하는 방법.
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