Zielpunkte tausender Heliostaten im Betrieb ermitteln und steuern

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ISE – Projektabschluss HelioControl

Von den solarthermischen Kraftwerken werden Turmsystemen die größten Potenziale hinsichtlich Effizienz und Kostenreduktion zugesprochen. Insbesondere bei den Spiegeln (Heliostaten), die zwischen 30 und 40 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 ISE 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 lenken hunderte bis mehrere 10.000 oder gar 100.000 Spiegel Sonnenstrahlen auf einen zentralen Absorber (Receiver) an der Spitze eines Turmes um, in dem ein Wärmeträgermedium (z.B. Salzschmelze) erhitzt wird. Dieses wird anschließend zur Erzeugung von Dampf genutzt, der eine Turbine antreibt. In Verbindung mit einem thermischen Speicher kann die Wärme auch nachts zur Stromerzeugung genutzt werden.

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 Kraftwerkes. 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 Kraftwerkes präzise ausgerichtet und später im Betrieb regelmäßig rekalibriert und über Steuerparameter justiert. Dies ist bei Heliostatenfeldern mit 10.000en 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.

Regelung auf Basis digitaler Bildverarbeitung

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 Receiver wird mit einer Kamera ein Video aufgenommen. Durch die Modulation einer periodischen Bewegung des Spiegels wird eine Signatur in die Strahlungsdichteverteilung am Receiver 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 des Fraunhofer ISE 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 (Closed-Loop) wurde erfolgreich demonstriert.

Kostenersparnis durch schnelle und präzise Ausrichtung

„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 Gregor 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 sogenannte „Hot-Spots“ – lokale Regionen mit überhöhter Temperatur – die zu schweren Schäden am Receiver führen können. Dies 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 Forschenden errechneten für ein Referenzmodell ein Einsparpotenzial im Feld von mindestens 5 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.

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