Digitalisierung transformiert Betrieb solarer Turmkraftwerke

Solarthermische Kraftwerke und Industrieprozesse

Turmsysteme sind eine vielversprechende Technologie für solarthermische Kraftwerke. Dabei verursacht das Heliostatenfeld, das die einfallende Solarstrahlung auf einen Empfänger am Turm konzentriert, bis zu 50 % der Investitionskosten. Eine hohe optische Qualität der Heliostate und ihre präzise Nachführung sind daher maßgeblich für die Kraftwerkseffizienz und die Stromgestehungskosten.

Schema der digitalen Bildauswertung des »HelioControl« Systems zur Überprüfung und Anpassung von Zielpunkten, das als geschlossener Regelkreis (Closed-Loop) in Form eines Plug-In für bestehende kommerzielle Solarfeldsteuerungen eingesetzt wird.

Die zunehmende Digitalisierung solarthermischer Kraftwerke ermöglicht es, Effizienzpotenziale besser zu nutzen und technische Herausforderungen erfolgreich zu meistern. Unsere Forschungsansätze führen zu einer Verzahnung der Produktion und Steuerung des Solarfelds mit modernster Informationsund Kommunikationstechnik.

So haben wir z. B. das bildgebende Regelungssystem »HelioControl« zur präzisen Überprüfung der Ist-Zielpunkte von Heliostaten im laufenden Betrieb entwickelt. Einzelnen Heliostaten wird hierbei zusätzlich zur Ausrichtung nach der Sonne eine periodische Bewegung mit sehr kleiner Digitalisierung transformiert Betrieb solarer Turmkraftwerke Amplitude aufgeprägt, die im kumulierten Brennfleck auf dem Strahlungsempfänger von Kameras aufgenommen und digital analysiert wird. Dabei wird der tatsächliche Ist-Zielpunkt der Heliostaten ermittelt und – bei Abweichung des Ist-Zielpunkts vom in der Steuerung hinterlegten Soll-Zielpunkt – zur Korrektur der tatsächlichen Ausrichtung verwendet. 

Die Methodik wurde im Labormaßstab sowie in ersten Feldtests im realen Heliostatenfeld erprobt und demonstriert. Gegenüber der derzeit üblichen sequenziellen »Kalibrierung« der Heliostaten-Zielpunkte auf einer separaten optischen Zielfläche wird der Zeit- und Kostenaufwand für die Zielpunkt- Kontrolle tausender Heliostaten in einem großen Feld deutlich reduziert. In Simulationen konnten wir erhebliche Einsparungen feststellen, weil durch die bessere Zielkontrolle weniger Heliostaten aufgebaut werden müssen, um dieselbe Leistung zu erzielen. Weitere Kostensenkungen erhoffen wir uns durch Einsparungen am Heliostat selbst, der durch die quasi-kontinuierliche Zielkontrolle auch bei weniger akkurater Bauweise sehr präzise betrieben werden kann.

Im nächsten Schritt wird ein Plug-In-System mit der Industrie entwickelt, das die Integration in neue und bestehende Heliostatenfeldsteuerungen ermöglichen soll. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von »HelioControl« ist die Erstkalibration eines neuen Solarfelds bei der Inbetriebnahme. Die Nutzung von »HelioControl« kann hier bis zu einer hundertfachen Verkürzung führen.

© Fraunhofer ISE

»Focal Spot«-Test am Heliostatenteststand des Fraunhofer ISE.

HelioControl Plug-In System
© Fraunhofer ISE

»HelioControl« Plug-In-System im Test auf der Demonstrationsanlage THEMIS von CNRS-PROMES in Frankreich.