Technologie

Zielpunkte tausender Heliostaten im laufenden Betrieb steuern

28.08.2020 - Kalibrier- und Regelungssystem auf Basis digitaler Bildverarbeitung für Heliostaten-Felder entwickelt.

Unter solarthermischen Kraftwerken werden Solar­turm­systemen die größten Potenziale hinsichtlich Effizienz und Kosten­reduktion zugesprochen. Insbesondere bei den Heliostaten, die zwischen dreißig und vierzig Prozent der Investitionen ausmachen, können Kosten eingespart werden. Ein Ansatz dafür ist die häufige Kalibrierung oder Regelung der Heliostaten-Zielpunkte. Im Projekt HelioControl entwickelte das Fraunhofer-Institut für solare Energie­systeme ein Kalibrier- und Regelungs­system auf Basis digitaler Bild­ver­arbeitung für Helio­staten­felder. Mit dieser Methode können die Ziel­punkte vieler Helio­staten erstmals während des laufenden Betriebs zeit- und kosten­effizient ermittelt werden.

In Turmkraftwerken konzentrieren hunderte bis mehrere zehn­tausend oder gar hundert­tausend Spiegel die Sonnen­strahlen auf einen zentralen Empfänger an der Spitze eines Turmes, in dem ein Wärme­träger­medium – beispiels­weise eine Salzschmelze – erhitzt wird. Dieses wird anschließend zur Erzeugung von Dampf genutzt, der eine Turbine antreibt. In Verbindung mit einem thermischen Speicher wird die Wärme auch nachts zur Strom­erzeugung genutzt.

Da die der Sonne nachge­führten Spiegel die Strahlung über Entfernungen bis zu einem Kilometer reflektieren, führen schon kleine Winkel­fehler zu großen Verlusten im Wirkungs­grad des Kraftwerks. Zwar gibt ein Sonnen­stands­algorithmus in der Steuerung die Spiegel-Soll­position vor, während des eigent­lichen Betriebs ist aber nicht bekannt, ob es Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Koordinaten der Zielpunkte gibt und wie groß diese Abweichungen gegebenen­falls sind. Daher werden die Helio­staten beim Bau des Kraftwerks präzise ausgerichtet und später im Betrieb regel­mäßig rekalibriert und über Steuer­parameter justiert. Das ist bei Helio­staten­feldern mit Zehn­tausenden von Spiegeln mit erheblichem Zeit- und damit auch Kosten­aufwand für die Kraftwerks­betreiber verbunden. Bei reduziertem Aufwand für Kalibrierung oder mit einer betriebs­begleitenden Regelung sind daher Kosten­senkungs­potenziale durch Einsparungen in Struktur oder Antriebs­system zu erwarten. Ziel des vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projektes HelioControl war die Entwicklung eines effizienten kamera­basierten Kalibrier- und Regelungs­systems für Helio­staten­felder.

Dabei werden im laufenden Betrieb die Ziel­punkte einzelner Spiegel aus der Gesamt­strahlungs­dichte­verteilung ermittelt. Von dem bestrahlten Empfänger wird mit einer Kamera ein Video aufgenommen. Durch die Modulation einer periodischen Bewegung des Spiegels wird eine Signatur in die Strahlungs­dichte­verteilung am Empfänger eingebracht, durch die der Beitrag des einzelnen Spiegels identifiziert werden kann. Durch die Verwendung unter­schied­licher Frequenzen können so die Zielpunkte mehrerer Spiegel gleich­zeitig bestimmt werden. „Mit digitalen Bild­verarbeitungs­methoden wird aus den Aufnahmen der tatsäch­liche Zielpunkt des Helio­staten ermittelt. Weicht dieser vom Soll-Zielpunkt ab, werden die Werte an die Helio­staten­steuerung zur Korrektur übergeben“, erklärt Gregor Bern, Projekt­leiter am Fraunhofer-ISE.

Für die neue Methode entwickelte das Projekt­team eine Software, die das parallele Vermessen der Ziel­punkte im laufenden Betrieb erlaubt. Nach dem Test im Labor wurde das System im Heliostatenfeld des Themis-Turm­kraft­werks in Frankreich eingesetzt. Die Ergebnisse sind vielver­sprechend, die aus den Bildern ermittelten Zielpunkte liegen in der Regel nur wenige Millimeter neben dem tatsäch­lichen Zielpunkt. Die Anbindung an das Regelungs­system der Helio­staten als geschlossener Regelkreis wurde erfolgreich demonstriert.

„Mit HelioControl lassen sich theoretisch bis zu zwei Heliostaten pro Sekunde parallel vermessen. Ein Kraftwerk von der Größe von Noor III in Marokko mit 7400 Helio­staten könnte so in weniger als einer Stunde statt wie bisher über mehrere Wochen rekalibriert werden“, so Bern. Mit der Über­prüfung der Zielpunkte und einer entsprechenden Nach­regelung werden die Anforderungen an die intrinsische Präzision der Antriebe und an das Getriebe­spiel in der Kraft­über­setzung gesenkt. Die präzise und homogene Ausrichtung der Zielpunkte vermeidet auch lokale Regionen mit überhöhter Temperatur, die zu schweren Schäden am Empfänger führen können. Das erhöht sowohl die Lebens­dauer als auch die thermische Effizienz des Empfängers, da er näher an der Maximal­temperatur betrieben werden kann.

Anhand von Simulations­modellen berechnete das Projektteam Mess­geschwin­digkeit, mögliche Einsparungen und womöglich erhöhte Lauf­leistung der Helio­staten­antriebe. Die Forscher errechneten für ein Referenz­modell ein Einspar­potenzial im Feld von mindestens fünf Prozent, was angesichts von Investitionen im Bereich von mehreren hundert Millionen Euro für ein Kraftwerk erheblich ist. Da die Methode industrie­nahe Schnitt­stellen nutzt, kann sie problemlos in bestehende Kraftwerke integriert werden. Auch beim Neubau von Kraftwerken kann HelioControl zur optimalen Ausrichtung der Helio­staten eingesetzt werden. Das Projekt­team des Fraunhofer-ISE sucht nun weitere Partner für die Demonstration und kommer­zielle Anwendung des Verfahrens in Groß­kraft­werken.

Fh.-ISE / RK

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