WO2022012952A1 - Verfahren zum einstellen eines heliostaten einer solaranlage - Google Patents

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WO2022012952A1
WO2022012952A1 PCT/EP2021/068184 EP2021068184W WO2022012952A1 WO 2022012952 A1 WO2022012952 A1 WO 2022012952A1 EP 2021068184 W EP2021068184 W EP 2021068184W WO 2022012952 A1 WO2022012952 A1 WO 2022012952A1
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WO
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heliostat
image data
determined
marking
heliostats
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068184
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Christoph Sattler
Joachim GÖTTSCHE
Markus Sauerborn
Christiano José TEIXERIA BOURA
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Publication date
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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
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/77—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with flat reflective plates
    • 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 present invention relates to a method for adjusting heliostats in a solar system.
  • Solar systems such as solar tower power plants, can use heliostats that track the sun on two axes in order to concentrate the sunlight on a receiver.
  • the receiver can be arranged, for example, on the tower of a tower power plant. The light reflected by the heliostats should hit a target point on the receiver as precisely as possible.
  • Heliostats usually have a drive with two actuators, where a desired position to be approached (set position) is specified. Furthermore, two sensors (encoders) can be provided in the area of the drive in order to display the position (actual position) that has been reached. The target position of the heliostats is determined using a calculated position of the sun.
  • Applicant has developed a method in which slightly angled auxiliary mirrors installed on each individual heliostat reflect the sun's rays onto the target during solar operation. With a video camera and an image acquisition system, the actual and target position of the point of impact can be determined. This method is known from DE 10 2009 037 280 A1 reporter known. With this method, the calibration also takes place sequentially.
  • the invention is defined by the features of claim 1.
  • a heliostat having at least one mirror surface in a solar system with preferably several heliostats, the heliostat or heliostats having at least one marking on its or their at least one mirror surface the following steps are provided: a) Alignment of the at least one heliostat using a specified alignment target value, b) Recording of image data of the at least one mirror surface of the heliostat, c) Analysis of the image data to determine the position of the at least one marking of the heliostat in the image data, d) Comparison of the determined Position of the at least one marking in the image data with a target position of the at least one marking previously determined for the target alignment value.
  • the method according to the invention thus provides that a simple recording of image data of the mirror surface of the heliostat and an image analysis can be used to determine whether there is a discrepancy between the desired and actual position of the heliostat.
  • the image data can, for example, contain one or more be topographies that are recorded by one or more cameras.
  • the at least one camera can, for example, be attached to a tower, for example the solar tower, above the heliostat field.
  • the preset target alignment value of the heliostat can be, for example, the value preset by the tracking control. This is basically known to the control system of the solar installation, so that a target position of the at least one marking can be determined for the corresponding target alignment value. By comparing the determined position of the marking in the image data and the determined target position, which can be estimated or calculated, for example, a deviation in the position of the heliostat can be determined in a simple manner.
  • the method according to the invention has the advantage that the method steps can be carried out during normal operation of the solar system without impairing it.
  • the individual method steps are relatively simple and can be carried out using at least one camera and a computer or the controller, so that the method steps can also be repeated in order to determine multiple deviations in the position of the heliostat.
  • the markings can be, for example, stickers, balls or light sources mounted on the frame of the heliostat.
  • the markings can also be made easier to identify with one or more colors for the image acquisition system.
  • step e) if a deviation is determined in step d), the position of the heliostat is corrected on the basis of the deviation determined.
  • the position can thus advantageously be corrected immediately after a deviation between the desired and actual position of the heliostat has been determined, so that a high degree of accuracy of the position can be achieved. Provision is preferably made for steps a)-d) or a)-e) to be repeated at predetermined time intervals.
  • the method according to the invention also enables an online method (closed-loop tracking control), whereby during the solar operation of the heliostat several times a day, possibly at short time intervals (e.g. a few seconds), the deviation between the target and actual position of the Heliostat is determined and, if necessary, a correction is made.
  • step a) several heliostats are aligned, in step b) image data of the mirror surface of several of the heliostats are recorded, with steps c) and d) or c)-e) being carried out for several of the heliostats.
  • the method according to the invention thus makes it possible in an advantageous manner for several of the heliostats of a heliostat field to be adjusted accordingly, so that precise tracking can take place.
  • step b) for example, a photograph is taken of a plurality of heliostats, with the target/actual position comparison of a plurality of heliostats then being carried out on the basis of this image data, which is recorded once. This can be done in parallel or one after the other.
  • the method according to the invention can provide for the image data to be recorded in step b) using one or more cameras with a one- or two-axis guide, the image data being recorded sequentially by heliostats, in which the one or more cameras are aligned accordingly.
  • the management of the camera or cameras should allow for very quick adjustment, for example alignment with one or more Heliostats in a few seconds (e.g. less than 5 seconds) or even under a second.
  • individual heliostats or a group of heliostats can be recorded using one or more cameras with a one- or two-axis guide.
  • the image data are divided into sections (regions of interest), with the analysis of the image data for one of the heliostats only the section that the corresponding heliostat or depicting a portion of the heliostat is used.
  • the image data is divided so that only one or a small number of heliostats are located in a subsection, with only the corresponding subsection then being analyzed for the evaluation of the position of the heliostats.
  • each individual recorded heliostat is located in a defined image area, so that a so-called region of interest (ROI) can be assigned to each heliostat. This enables more efficient image evaluation.
  • ROI region of interest
  • ROIs it is also possible for ROIs to overlap, for example for more distant heliostats. It can also be provided that a partial section only depicts a partial area of a heliostat in which the marking is arranged. This significantly reduces the computational effort and time required for the analysis of the image data, since the amount of data to be analyzed is significantly reduced.
  • the at least one marking is a color-conspicuous marking, ie a marking that is visually distinct from the mirror surface, for example a colored marking, a ball or a sticker.
  • a color-conspicuous marking ie a marking that is visually distinct from the mirror surface, for example a colored marking, a ball or a sticker.
  • the marking can be recognized in an advantageous manner on image data.
  • the marking can also be a light source.
  • narrow-band optical filters can be used in order to be able to better determine the marking in the image data.
  • Stickers have the advantage that they can be applied in a very simple manner, for example can be attached to the frame. Stickers can also be easily replaced or removed.
  • a pixel that depicts the at least one marking, or a pixel area that depicts the at least one marking is determined and for step d ) the target position of the at least one marking is determined as a target pixel or target pixel area, wherein in step d) the determined pixel is compared with the target pixel or the determined pixel area is compared with the target pixel area.
  • Determining the position of the marking in the image data at the pixel level as well as determining the target position of the marking as a target pixel or target pixel area allows a particularly simple analysis and a simple comparison in steps c) and d). As a result, the method can be carried out particularly quickly, since image evaluations on a pixel basis can be carried out easily and effectively.
  • the or each heliostat has or have at least three markings on its or their at least one mirror surface, wherein in step c) the position of the at least three markings in the image data is determined and in step d ) a comparison of the determined position of the at least three markings in the image data with target positions of the at least three markings previously determined for the target alignment value is carried out.
  • the use of three markings and three target positions of the three markings has the advantage that in this way the plane of the mirror surface of a heliostat can be determined and the alignment of the plane of the mirror surface can thus be checked. As a result, the position and orientation of the mirror surface of the heliostat can be determined very precisely and in a particularly advantageous manner.
  • the heliostats basically have at least three markings and the method according to the invention is carried out for calibration purposes by means of the at least three markings.
  • the method according to the invention can then be repeated, only one of the three markings being used, for example.
  • the method using only one marking can then be repeated several times, so that so-called tracking can take place.
  • the computing effort is reduced, since the use of the at least three markings and the corresponding computing effort for determining the position and determining the desired position of the markings is carried out only once.
  • the method according to the invention can also be repeated at predetermined intervals using the at least three markings, with the method being carried out in the meantime with only one marking, for example.
  • the use of the method according to the invention as a calibration method with the use of at least three markings of the heliostat may be necessary at certain time intervals, since, for example, heliostats can deform or twist due to the effects of wind or their foundations can subsequently settle.
  • the method according to the invention can also be used with the use of the at least three markings for tracking if the image evaluation is sufficiently fast.
  • the method according to the invention and the possibility of using the method according to the invention to monitor the position of a heliostat as part of a tra cking method makes it possible to equip heliostats with cost-effective tracking mechanisms, since the position of the heliostat can be adjusted or corrected more frequently .
  • the investment costs for heliostats and thus also for a solar system that uses such can be significantly reduced. Due to the improved accuracy of the individual heliostats, the efficiency and amortization of a corresponding solar system can also be improved.
  • Figure 1 is a schematic view of a solar radiation receiver
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the mirror surface of a heliostat.
  • FIG. 1 a solar system in the form of a solar tower power plant 1 is shown schematically.
  • the solar tower power plant 1 consists of a solar tower 3, at the top of which a receiver 5 is arranged.
  • Several heliostats 7 are arranged as a heliostat field. Each heliostat has a mirror surface 9 .
  • the heliostats 7 track the sun so that light incident on the mirror surfaces 9 is focused on the receiver 5 .
  • the solar tower 3 also has a camera 11, by means of which images can be taken from the He liostaten.
  • a corresponding image of a heliostat 7 with a mirror surface 9 is shown schematically in FIG.
  • the image shown in Figure 2 shows individual pixels 13 in a very abstract manner.
  • the heliostat 7 also has markings 15, 15a on the mirror surface 9.
  • the method according to the invention can be carried out in the solar tower power plant shown in FIG. It is provided that the heliostats 7 are initially aligned by means of a predetermined alignment target value.
  • the target alignment value can be, for example, the target value provided for normal tracking.
  • Image data of the mirror surface 9 of the heliostat 7 are then recorded by the camera 11 .
  • image data is, for example, the image shown in FIG.
  • the image data is then analyzed and the position of one of the markings 15, 15a is determined. In the present case, it was previously determined that the position of the marking 15a should be determined.
  • a target position 17 of the marking for the alignment target value present when the image data is recorded is determined.
  • corresponding data records can be calculated or determined in advance.
  • the position of the marking 15a determined in the image data is then compared with the target position 17.
  • the deviation determined can be used to correct the position of the heliostat 7, for example by transmitting a corresponding correction command to the controller.
  • provision can be made, for example, for the image data to be divided into sections, with the analysis of the image data of the heliostat only using the section 19 that depicts the corresponding heliostat 7 or, for example, sections of the corresponding heliostat 7.
  • a corresponding section 19 is shown schematically in FIG.
  • the computing power required for the analysis can be significantly reduced since only a section 19 of the image data has to be analyzed instead of the entire image data.
  • the markings 15, 15a can be light sources, for example.
  • the method according to the invention in which the marking 15a is used, can be carried out repeatedly at predetermined time intervals, as a result of which online monitoring of the tracking is advantageously made possible.
  • all markings 15, 15a are taken into account in the analysis.
  • the level of the mirror can be determined.
  • the corresponding method step in which all at least three markings 15, 15a are evaluated, can be used as a calibration step for the method described above, in which only the marking 15a is used.
  • the calibration step can be repeated at predetermined intervals. If the calibration step is fast enough, ie in the range of a few seconds, the method with at least three markings can also be used directly as a tracking method.
  • the marking or markings 15, 15a is or are located and the corresponding target positions can also be determined as pixels.
  • the method according to the invention allows the tracking mechanisms of the heliostats 7 to be run more cost-effectively, since no high-precision drives and tracking mechanisms are required, since the tracking of the heliostats can be monitored online and, if there are deviations, readjustments can be made.

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Abstract

Verfahren zum Einstellen eines mindestens eine Spiegelfläche (9) aufweisenden Heliostaten (7) einer Solaranlage mit vorzugsweise mehreren Heliostaten (7), wobei der oder die Heliostate mindestens eine Markierung (15, 15a) auf seiner bzw. ihrer mindestens einen Spiegelfläche (9) aufweist bzw. aufweisen, mit folgenden Schritten: a) Ausrichten des mindestens einen Heliostaten (7) mittels vorgegebenem Ausrichtungssollwert, b) Aufnehmen von Bilddaten der mindestens einen Spiegelfläche (9) des Heliostaten (7), c) Analyse der Bilddaten zur Ermittlung der Position der mindestens einen Markierung (15, 15a) des Heliostaten (7) in den Bilddaten, d) Vergleich der ermittelten Position der mindestens einen Markierung (15, 15a) in den Bilddaten mit einer zuvor für den Ausrichtungssollwert ermittelten Sollposition der mindestens einen Markierung (15, 15a).

Description

Verfahren zum Einstellen eines Heliostaten einer Solaranlaae
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung von Heliostaten einer Solaranlage. Solaranlagen, wie beispielsweise solare Turmkraftwerke, kön nen Heliostate nutzen, die zweiachsig der Sonne nachgeführt werden, um das Sonnenlicht auf einen Empfänger (Receiver) zu konzentrieren. Der Receiver kann beispielsweise an dem Turm eines Turmkraftwerks angeordnet sein. Das von den Heliostaten reflektierte Licht soll dabei einen Zielpunkt auf dem Receiver mög lichst genau treffen.
Heliostate besitzen zumeist einen Antrieb mit zwei Aktuatoren, denen eine ge wünschte anzufahrende Position (Sollposition) vorgegeben wird. Ferner können im Bereich des Antriebs zwei Sensoren vorgesehen sein (Encoder), um die er reichte Position (Istposition) anzuzeigen. Die Sollposition der Heliostaten wird anhand eines berechneten Sonnenstandes ermittelt.
Große Solarturmkraftwerke weisen ein Heliostatenfeld aus hunderten bis tausen den einzelner Heliostate auf, die dem Sonnenstand individuell nachgeführt wer den müssen, damit die reflektierte Direktsolarstrahlung auf vorgegebene Ziel punkte auf den Receiver trifft. In Abhängigkeit von der Qualität der Nachführme chanik und des Antriebs kann es zu größeren Ungenauigkeiten bei der Nachfüh rung kommen. Das führt dazu, dass Solarstrahlung den Receiver nicht mit aus reichender Genauigkeit auf die Zielpunkte auftrifft oder sogar verfehlt und somit ein Teil der vom Heliostatfeld zur Verfügung gestellten Strahlungsleistung nicht vom Receiver nicht optimal oder gar nicht genutzt werden kann. Dieser Effizienz- Verlust hat einen proportionalen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des So la rkraftwerks.
Heutzutage besteht weiterhin das Problem, dass die tatsächlichen Abweichungen in der Nachführung der Heliostate insbesondere zeitgleich nicht oder nur sehr ungenau erfasst werden kann. Bei großen Heliostaten wird nur der Ist-Wert des Drehgebers (Encoder) des Antriebs genutzt, um eine Abweichung festzustellen. Es wird üblicherweise das sogenannte Kamera-Target-Kalibrierverfahren zur Be stimmung der Abweichung genutzt. In diesen Systemen wird Licht mittels der Spiegelfläche des Heliostaten auf eine weiße Fläche, dem Target, reflektiert. Der vorgegebene Sollwert für den Heliostaten ist dabei so bestimmt, dass sich das auf die weiße Fläche reflektierte Abbild in der Mitte des Targets befinden sollte. Aufgrund der Ungenauigkeiten in den Aktoren und Sensoren und aufgrund einer möglichen Verbiegung des Heliostaten in Abhängigkeit von seiner Steifigkeit, trifft das Abbild durch diese Beeinflussungen irgendwann nicht mehr die Mitte des Targets. Es werden Bilddaten von dem Target mit Abbild aufgenommen, um durch die Auswertung der Bilddaten die Abweichung zu ermitteln. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Heliostaten sequentiell aus dem Receiverfokus her ausgefahren werden müssen.
Aufgrund der großen Anzahl von Heliostaten ist ein hoher zeitlicher Aufwand notwendig, um die Abweichungen zu ermitteln. Daher werden derartige Messun gen nur einige Male im Jahr durchgeführt.
Während des Betriebs gibt es somit keine Rückmeldung darüber, ob ein einzelner Heliostat seinen Zielpunkt ausreichend genau trifft.
Die Anmelderin hat ein Verfahren entwickelt, bei dem leicht angewinkelte Hilfs spiegel, die auf jeden einzelnen Heliostaten installiert sind, Sonnenstrahlen wäh rend des Solarbetriebs auf das Target reflektieren. Mit einer Videokamera und einem Bilderfassungssystem, kann die Ist- mit der Sollposition des Auftreffpunk tes ermittelt werden. Dieses Verfahren ist aus DE 10 2009 037 280 Al der An- melderin bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Kalibrierung ebenfalls se quentiell.
Eine präzise, einfach durchführbare Ermittlung der Abweichung der Heliostaten, die insbesondere während des Betriebs erfolgen kann, wäre jedoch wünschens wert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Einstellung von Heliostaten zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen, insbesondere Nachführen, eines mindestens eine Spiegelfläche aufweisenden Heliostaten einer Solaranlage mit vorzugsweise mehreren Heliostaten, wobei der oder die Heliostate mindes tens eine Markierung auf seiner bzw. ihrer mindestens einen Spiegelfläche auf weist bzw. aufweisen, sind folgende Schritte vorgesehen: a) Ausrichten des mindestens einen Heliostaten mittels vorgegebenem Aus richtungssollwert, b) Aufnehmen von Bilddaten der mindestens einen Spiegelfläche des Helios- tats, c) Analyse der Bilddaten zur Ermittlung der Position der mindestens einen Markierung des Heliostats in den Bilddaten, d) Vergleich der ermittelten Position der mindestens einen Markierung in den Bilddaten mit einer zuvor für den Ausrichtungssollwert ermittelten Soll position der mindestens einen Markierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass über eine einfache Auf nahme von Bilddaten der Spiegelfläche des Heliostats und einer Bildanalyse fest gestellt werden kann, ob eine Abweichung zwischen der Soll- und Istposition des Heliostaten besteht. Die Bilddaten können beispielsweise eine oder mehrere Fo- tografien sein, die mittels einer oder mehreren Kameras aufgenommen werden. Die mindestens eine Kamera kann beispielsweise oberhalb des Heliostatfelds an einem Turm, beispielsweise dem Solarturm, befestigt sein. Der vorgegebene Ausrichtungssollwert des Heliostats kann beispielsweise der von der Nachfüh rungssteuerung vorgegebene Wert sein. Dieser ist dem Steuerungssystem der Solaranlage grundsätzlich bekannt, sodass für den entsprechenden Ausrichtungs sollwert eine Sollposition der mindestens einen Markierung ermittelt werden kann. Durch den Vergleich der ermittelten Position der Markierung in den Bildda ten und der ermittelten Sollposition, die beispielsweise abgeschätzt oder errech net werden kann, ist somit auf einfache Art und Weise eine Abweichung der Posi tion des Heliostats feststellbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Verfahrensschritte während des normalen Betriebs der Solaranlage durchgeführt werden können, ohne ihn zu beeinträchtigen. Die einzelnen Verfahrensschritte sind relativ einfach und mittels mindestens einer Kamera und eines Computers bzw. der Steuerung durchführbar, sodass auch Wiederholungen der Verfahrensschritte möglich sind, um mehrfach Abweichungen der Position des Heliostats festzustellen.
Die Markierungen können beispielsweise Aufkleber, Kugeln oder Lichtquellen sein, die am Rahmen des Heliostaten montiert sind. Die Markierungen können auch mit einer oder mehreren Farben für das Bilderfassungssystem besser er kenntlich gemacht werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt e) bei Ermittlung einer Abweichung in Schritt d) die Position des Heliostaten anhand der ermittel ten Abweichung korrigiert wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit in vorteilhafter Weise unmittelbar nach der Ermittlung einer Abweichung zwischen der Soll- und Istposition des Heliostaten eine Korrektur der Position erfolgen, sodass eine hohe Genauigkeit der Position erreicht werden kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schritte a)-d) oder a)-e) in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden.
In Abhängigkeit von der Häufigkeit der Durchführung der Verfahrensschritte kann somit die Genauigkeit bei der Nachführung der Heliostate erhöht werden. Bei spielsweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Online- Verfahren (closed-loop tracking control), wobei während des Solarbetriebs des Heliostaten mehrmals am Tag, gegebenenfalls in kurzen Zeitintervallen (z. B. wenige Sekunden), die Abweichung zwischen Soll- und Istposition des Heliosta ten ermittelt wird und ggf. eine Korrektur erfolgt.
Vorzugweise ist vorgesehen, dass in Schritt a) mehrere Heliostaten ausgerichtet werden, in Schritt b) Bilddaten der Spiegelfläche mehrerer der Heliostaten auf genommen werden, wobei die Schritte c) und d) oder c)-e) für mehrere der He liostate durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit in vorteilhafter Weise, dass mehrere der Heliostate eines Heliostatfelds entspre chend eingestellt werden, sodass eine genaue Nachführung erfolgen kann. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass in Schritt b) beispielsweise eine Foto grafie von mehreren Heliostaten erfolgt, wobei dann anhand dieser einmalig auf genommenen Bilddaten der Soll-Ist-Positionsvergleich mehrerer Heliostaten er folgt. Dies kann parallel oder auch nacheinander erfolgen.
Da dabei lediglich eine Bildaufnahme für mehrere Heliostate erfolgen muss, ist das Verfahren mit geringem Zeitaufwand durchführbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass in Schritt b) die Bilddaten mittels einer oder mehrerer Kameras mit einer ein- oder zweiachsigen Führung aufgenommen werden, wobei die Bilddaten von Heliostaten sequenziell aufge nommen werden, in dem die eine oder mehreren Kameras entsprechend ausge richtet werden. Die Führung der Kamera bzw. Kameras sollte eine sehr schnelle Einstellung ermöglichen, beispielsweise eine Ausrichtung auf einen oder mehrere Heliostate in wenigen Sekunden (z.B. kleiner 5 Sekunden) oder sogar unter einer Sekunde.
Mittels der einer oder mehrerer Kameras mit einer ein- oder zweiachsigen Füh rung können beispielsweise einzelne Heliostate oder auch eine Gruppe von He liostaten aufgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in o- der vor Schritt c) die Bilddaten in Teilabschnitte aufgeteilt werden (Regions of Interest), wobei bei der Analyse der Bilddaten für einen der Heliostate jeweils nur der Teilabschnitt, der den entsprechenden Heliostat oder einen Teilbereich des Heliostaten abbildet, verwendet wird. Mit anderen Worten: Die Bilddaten werden aufgeteilt, sodass sich in einem Teilabschnitt nur ein oder eine geringe Anzahl Heliostate befinden, wobei dann für die Auswertung der Position der He liostate jeweils nur der entsprechende Teilabschnitt analysiert wird. In einer Bild datei befindet sich somit jeder einzelne aufgenommene Heliostat in einem defi nierten Bildbereich, sodass jedem Heliostaten eine sogenannte Region of Interest (ROI) zugeordnet werden kann. Dies ermöglicht eine effizientere Bildauswertung Es ist jedoch auch möglich, dass sich ROIs überlappen, beispielsweise für weiter entfernte Heliostaten. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Teilabschnitt nur einen Teilbereich eines Heliostaten, in dem die Markierung angeordnet ist, abbil det. Dadurch ist der Rechen- und Zeitaufwand für die Analyse der Bilddaten deutlich reduziert, da die zu analysierende Datenmenge deutlich reduziert ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mindestens eine Markierung eine farblich auffällige, das heißt sich gegenüber der Spiegelfläche optisch deutlich abheben de, Markierung sein, beispielsweise eine Farbmarkierung, eine Kugel oder ein Aufkleber. Dies hat den Vorteil, dass die Markierung auf Bilddaten in vorteilhafter Weise erkennbar ist. Die Markierung kann jedoch auch eine Lichtquelle sein. Bei der Aufnahme der Bilddaten können schmalbandige optische Filter verwendet werden, um die Markierung in den Bilddaten besser ermitteln zu können. Aufkle ber haben den Vorteil, dass diese auf sehr einfache Art und Weise beispielsweise am Rahmen angebracht werden können. Aufkleber können auch auf einfache Art und Weise ausgetauscht oder entfernt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Ermittlung der Position der mindes tens einen Markierung des Heliostats in den Bilddaten ein Pixel, das die mindes tens eine Markierung abbildet, oder ein Pixel-Bereich, der die mindestens eine Markierung abbildet, ermittelt wird und für Schritt d) die Sollposition der mindes tens einen Markierung als Sollpixel oder Sollpixelbereich ermittelt wird, wobei in Schritt d) der ermittelte Pixel mit dem Sollpixel bzw. der ermittelte Pixelbereich mit dem Sollpixelbereich verglichen wird.
Die Ermittlung der Position der Markierung in den Bilddaten auf Pixelebene ge nauso wie die Ermittlung der Sollposition der Markierung als Sollpixel oder Soll pixelbereich erlaubt eine besonders einfache Analyse sowie einen einfachen Ver gleich in den Schritten c) und d). Dadurch ist das Verfahren besonders schnell durchführbar, da Bildauswertungen auf Pixelbasis einfach und effektiv durchführ bar sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der oder jeder Heliostat mindestens drei Markierungen auf seiner bzw. ihrer mindestens einen Spiegelfläche aufweist bzw. aufweisen, wobei in Schritt c) die Position der mindestens drei Markierungen in den Bilddaten ermittelt werden und in Schritt d) ein Vergleich der ermittelten Position der mindestens drei Markierungen in den Bilddaten mit zuvor für den Ausrichtungssollwert ermittelten Sollpositionen der mindestens drei Markierungen erfolgt. Die Verwendung von drei Markierungen und drei Sollpositionen der drei Markierungen hat den Vorteil, dass auf diese Weise die Ebene der Spiegelfläche eines Heliostaten ermittelt werden kann und somit die Ausrichtung der Ebene der Spiegelfläche überprüft werden kann. Dadurch ist die Position und Ausrichtung der Spiegelfläche des Heliostaten in be sonders vorteilhafter Weise und sehr genau ermittelbar. Es kann vorgesehen sein, dass die Heliostate grundsätzlich mindestens drei Mar kierungen aufweisen und das erfindungsgemäße Verfahren zu Kalibrierungszwe cken mittels der mindestens drei Markierungen ausgeführt wird. Anschließend kann das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt werden, wobei lediglich bei spielsweise nur eine der drei Markierungen verwendet wird. Das Verfahren mit der Verwendung lediglich einer Markierung kann dann mehrfach wiederholt wer den, sodass ein sogenanntes Tracking erfolgen kann. Auf diese Weise ist der Re chenaufwand reduziert, da die Verwendung der mindestens drei Markierungen und der entsprechende Rechenaufwand für die Positionsbestimmung und die Be stimmung der Sollposition der Markierungen lediglich einmal durchgeführt wird.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit der Verwendung der mindestens drei Markierungen auch in vorgegebenen Abständen wiederholt werden, wobei in der Zwischenzeit das Verfahren lediglich mit z.B. nur einer Markierung durchgeführt wird.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens als Kalibrierungsverfahren mit der Verwendung von mindestens drei Markierungen des Heliostaten kann in ge wissen Zeitabständen notwendig sein, da sich beispielsweise Heliostaten auf grund von Windeinwirkungen verformen oder verdrehen können oder sich ihr Fundament nachträglich setzt.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bei ausreichend schneller Bildauswertung auch mit der Verwendung der mindestens drei Markie rungen zum Tracking verwendet werden.
Bei der Verwendung der Markierung oder der Markierungen in Form von Licht quellen kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte nachts ausgeführt werden. Insbesondere bei der Verwendung von mindestens drei Markierungen eines Heliostats bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die Ausführung zu Nachtzeiten den Vorteil, dass eine von einer Nachführposition un terschiedliche Position des Heliostaten verwendet werden kann, sodass bei- spielsweise eine für die Bestimmung der Ebene der Spiegelfläche besonders vor teilhafte Position mit entsprechendem Ausrichtungssollwert verwendet werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Möglichkeit, mittels des erfin dungsgemäßen Verfahrens die Position eines Heliostaten im Rahmen eines Tra cking-Verfahrens zu überwachen, ist es möglich Heliostaten mit kostengünstigen Nachführmechaniken auszurüsten, da häufiger die Position des Heliostaten ange passt bzw. korrigiert werden kann. Dadurch können die Investitionskosten für Heliostaten und somit auch für eine Solaranlage, die solche verwenden, deutlich reduziert werden. Aufgrund der verbesserten Zielgenauigkeit der einzelnen He- liostate kann darüber hinaus der Wirkungsgrad sowie die Amortisation einer ent sprechenden Solaranlage verbessert werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfin dung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Solarstrahlungsreceivers und
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf die Spiegelfläche eines Heliostaten.
In Figur 1 ist eine Solaranlage in Form eines Solarturmkraftwerks 1 schematisch dargestellt. Das Solarturmkraftwerk 1 besteht aus einem Solarturm 3, an dessen oberen Bereich ein Receiver 5 angeordnet ist. Mehrere Heliostate 7 sind als He liostatenfeld angeordnet. Jeder Heliostat weist eine Spiegelfläche 9 auf.
Die Heliostate 7 werden der Sonne nachgeführt, sodass auf die Spiegelflächen 9 auftreffendes Licht auf den Receiver 5 fokussiert wird.
Der Solarturm 3 weist ferner eine Kamera 11 auf, mittels der Bilder von den He liostaten aufgenommen werden können. Ein entsprechendes Bild eines Heliostaten 7 mit Spiegelfläche 9 ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Das in Figur 2 dargestellte Bild zeigt sehr abstrahiert ein zelne Pixel 13.
Der Heliostat 7 weist ferner auf der Spiegelfläche 9 Markierungen 15, 15a auf.
Zur Einstellung des Heliostaten 7 kann bei dem in Figur 1 dargestellten Solar turmkraftwerk das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Dabei ist vorgesehen, dass die Heliostaten 7 zunächst mittels eines vorgegebenen Ausrich tungssollwert ausgerichtet werden. Der Ausrichtungssollwert kann beispielweise der für die normale Nachführung vorgesehene Sollwert sein.
Anschließend werden Bilddaten der Spiegelfläche 9 der Heliostaten 7 mittels der Kamera 11 aufgenommen. Derartige Bilddaten sind beispielsweise das in Figur 2 dargestellte Bild.
Anschließend werden die Bilddaten analysiert und die Position einer der Markie rungen 15, 15a ermittelt. Im vorliegenden Fall wurde zuvor bestimmt, dass die Position der Markierung 15a ermittelt werden soll.
Ferner wird beispielsweise in dem Steuerungscomputer des Solarturmkraftwerks eine Sollposition 17 der Markierung für den bei der Aufnahme der Bilddaten vor liegenden Ausrichtungssollwert ermittelt. Hierzu können beispielsweise vorab entsprechende Datensätze berechnet bzw. ermittelt werden.
Anschließend wird die in den Bilddaten ermittelte Position der Markierung 15a mit der Sollposition 17 verglichen.
Die ermittelte Abweichung kann zur Korrektur der Position des Heliostaten 7 her angezogen werden, indem beispielsweise ein entsprechender Korrekturbefehl an die Steuerung übermittelt wird. Für die Analyse der Bilddaten kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bilddaten in Teilabschnitte aufgeteilt werden, wobei bei der Analyse der Bilddaten des Heliostaten jeweils nur der Teilabschnitt 19 verwendet wird, der den entspre chenden Heliostat 7 abbildet oder beispielsweise Teilbereiche des entsprechen den Heliostaten 7. In Figur 2 ist ein entsprechender Teilabschnitt 19 schematisch dargestellt. Bei einer Verwendung eines Teilabschnitts 19, der nur Teilbereiche des Heliostaten 7 abbildet, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf zu achten, dass die entsprechend interessierende Markierung 15a in dem entspre chenden Teilabschnitt 19 enthalten ist.
Durch die Aufteilung der Bilddaten in Teilabschnitte kann die für die Analyse not wendige Rechenleistung deutlich reduziert werden, da nur ein Teilabschnitt 19 der Bilddaten anstelle der gesamten Bilddaten zu analysieren ist.
Die Markierungen 15, 15a können beispielsweise Lichtquellen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Markierung 15a verwendet wird, kann in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt durchgeführt werden, wodurch eine Online-Überwachung der Nachführung in vorteilhafter Weise ermöglicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass alle Markierungen 15, 15a bei der Analyse berücksichtig werden. Durch die Verwen dung aller drei Markierungen 15, 15a kann die Ebene des Spiegels ermittelt wer den. Durch einen Vergleich der ermittelten Position der mindestens drei Markie rungen in den Bilddaten mit zuvor für den entsprechenden Ausrichtungssollwert ermittelten Sollposition der mindestes drei Markierungen kann somit festgestellt werden, ob bei einem vorgegebenen Ausrichtungssollwert die Ebene der Spiegel fläche 9 des Heliostaten 7 in korrekter Weise ausgerichtet ist. Der entsprechende Verfahrensschritt, bei dem alle mindestens drei Markierungen 15, 15a ausgewer tet werden, kann als ein Kalibrierungsschritt für das zuvor beschriebene Verfah ren, bei dem lediglich die Markierung 15a verwendet wird, eingesetzt werden. Der Kalibrierungsschritt kann in vorgegebenen Abständen wiederholt werden. Ist der Kalibrierungsschritt schnell genug, d.h. im Bereich von wenigen Sekunden, kann das Verfahren mit mindestens drei Markierung auch direkt als Tracking- Verfahren genutzt werden.
Bei der Analyse der Bilddaten kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ermit telt wird, in welchem Pixel der Bilddaten sich die Markierung oder der Markierun gen 15, 15a befindet bzw. befinden und auch die entsprechende Sollpositionen können als Pixel bestimmt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Nachführmechaniken der He liostaten 7 kostengünstiger ausgeführt werden, da keine hochgenauen Antriebe und Nachführmechaniken notwendig sind, da die Nachführung der Heliostate on line überwacht werden kann und bei Abweichungen ggf. Nachjustierungen erfol gen können.
Bezuaszeichenliste Solarturmkraftwerk Solarturm Receiver Heliostat Spiegelfläche Kamera Pixel Markierung a Markierung Sollposition Teilabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einstellen eines mindestens eine Spiegelfläche (9) aufwei senden Heliostaten (7) einer Solaranlage mit vorzugsweise mehreren He liostaten (7), wobei der oder die Heliostate mindestens eine Markie rung (15, 15a) auf seiner bzw. ihrer mindestens einen Spiegelfläche (9) aufweist bzw. aufweisen, mit folgenden Schritten: a) Ausrichten des mindestens einen Heliostaten (7) mittels vorgegebe nem Ausrichtungssollwert, b) Aufnehmen von Bilddaten der mindestens einen Spiegelfläche (9) des Heliostaten (7), c) Analyse der Bilddaten zur Ermittlung der Position der mindestens ei nen Markierung (15, 15a) des Heliostaten (7) in den Bilddaten, d) Vergleich der ermittelten Position der mindestens einen Markie rung (15, 15a) in den Bilddaten mit einer zuvor für den Ausrich tungssollwert ermittelten Sollposition der mindestens einen Markie rung (15, 15a).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: e) bei Ermittlung einer Abweichung in Schritt d): Korrektur der Position des Heliostaten (7) anhand der ermittelten Abweichung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) oder a) bis e) in vorgegebenen Zeitabständen wieder holt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) mehrere Heliostate ausgerichtet werden, in Schritt b) Bilddaten der Spiegelflächen mehrerer der Heliostaten (7) aufgenommen werden, wobei die Schritte c) und d) oder c) bis e) für mehrere der He liostate (7) durchgeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Bilddaten mittels einer oder mehrerer Kameras (11) mit einer ein- oder zweiachsigen Führung aufgenommen werden, wobei die Bilddaten von Heliostaten sequenziell aufgenommen werden, in dem die eine oder mehreren Kameras entsprechend ausgerichtet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in oder vor Schritt c) die Bilddaten in Teilabschnitte (19) aufgeteilt werden (Regi ons of Interest), wobei bei der Analyse der Bilddaten für einen der He liostate jeweils nur der Teilabschnitt (19), der den entsprechenden He liostat (7) oder einen Teilbereich des entsprechenden Heliostaten (7) ab bildet, verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Markierung (15, 15a) eine Kugel, ein Aufkleber oder eine Lichtquelle ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) bei der Ermittlung der Position der mindestens einen Markierung (15, 15a) des Heliostaten (7) in den Bilddaten ein Pixel, das die mindestens eine Markierung (15, 15a) abbildet, oder ein Pixelbereich, der die mindestens eine Markierung (15, 15a) abbildet, ermittelt wird und für Schritt d) die Sollposition der mindestens einen Markierung (15, 15a) als Soll-Pixel oder Soll-Pixelbereich ermittelt wird, wobei in Schritt d) der ermittelte Pixel mit dem Soll-Pixel bzw. der ermittelte Pixelbereich mit dem Soll-Pixelbereich verglichen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Heliostat (7) mindestens drei Markierungen (15, 15a) auf seiner bzw. ihrer mindestens einen Spiegelfläche (9) aufweist bzw. aufweisen, wobei in Schritt c) die Positionen der mindestens drei Markie rungen (15, 15a) in den Bilddaten ermittelt werden und in Schritt d) ein Vergleich der ermittelten Positionen der mindestens drei Markierun gen (15, 15a) in den Bilddaten mit zuvor für den Ausrichtungssollwert ermittelten Sollpositionen der mindestens drei Markierungen (15, 15a) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte tagsüber und/oder nachts ausgeführt werden.
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