Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 7/2017 - 12/2019 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) |
| Projektfokus: |       |
HelioControl – Entwicklung eines kamerabasierten Kalibrier- und Regelungssystems mit geschlossenem Regelkreis für Heliostatenfelder
Schematischer Aufbau des bildverarbeitenden Regelungssystems „HelioControl“ zur Überprüfung und Anpassung von Zielpunkten, als geschlossenem Regelkreis (Closed-Loop) und als Plug-In für bestehende kommerzielle Solarfeldsteuerungen.
„Focal Spot“ Test am Fraunhofer ISE Heliostatenteststand.
Das "HelioControl Plug-In System", getestet auf der Themis - Promes CNRS Demonstrationsanlage.
Kernziel des Projektes ist die prototypische Entwicklung eines kamerabasierten Regelungssystems (»HelioControl«) und einer Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis. HelioControl wird für die Optimierung und Überprüfung von Zielpunktstrategien zur Nachführung von Heliostaten in Solarturmsystemen verwendet. Das Vorhaben ermöglicht erstmals einen geschlossenen Regelkreis in dem der tatsächliche Auftreffort der von Heliostaten reflektierten Solarstrahlung auf dem Receiver des Turmkraftwerkes im Betrieb erfasst wird. Durch das vorliegende Konzept wird das im vom BMWi geförderten Projekt »HelioPack« vorentwickelte Kalibrier- und Regelungssystem für Heliostatenfelder so weiterentwickelt, dass die Technologie als Plug-In System in einem nachfolgenden Projekt gemeinsam mit der Industrie auf einen kommerziellen Einsatz hin weiter entwickelt werden kann.
Turmkraftwerke sind eine derzeit intensiv untersuchte und am Markt relevante Technologie für die solarthermische Stromerzeugung.
Solarstrahlung wird durch Heliostaten auf einem Zentralreceiver konzentriert. Die Heliostaten werden dabei üblicherweise über eine Steuerung ausgerichtet und nachgeführt, welche den Antrieben auf Grundlage eines Sonnenstandsalgorithmus die Sollposition vorgibt. Während des eigentlichen Betriebs ist aber nicht bekannt, inwieweit es Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Koordinaten der Zielpunkte gibt und wie groß diese Abweichungen gegebenenfalls sind. Eine Überprüfung der einzelnen Zielpunkte der Heliostaten auf dem Strahlungsempfänger im Kraftwerksbetrieb erlaubt die Einführung eines geschlossenen Regelkreises mit deutlichen Potenzialen.
Mit der Überprüfung der Heliostatenzielpunkte und einer entsprechenden Nachregelung werden die Anforderungen an die intrinsische Präzision der Antriebe und an das Getriebespiel in der Kraftübersetzung gesenkt. Hierdurch können Kostensenkungspotenziale im Solarfeld adressiert werden.
Die gewonnen Informationen können auf die Betriebsstrategien der Turmkraftwerke angewendet werden. Die praktisch erreichbaren Temperaturen in Solarturmsystemen und damit auch der Wirkungsgrad des Systems, sind derzeit insbesondere durch den Strahlungsempfänger beschränkt. Um einen Kraftwerksausfall aufgrund der (unter Umständen lokalen) Überhitzung des Strahlungsempfängers zu vermeiden, müssen Temperaturgrenzen eingehalten werden. Insbesondere sogenannte »Hot-Spots« - lokale Regionen mit überhöhter Temperatur - können schwere Schäden am Strahlungsempfänger bewirken. Diese können unter anderem durch lokal überhöhten Strahlungseintrag auftreten. Letzteres lässt sich mit dem derzeitigen Stand der Technik nur bedingt kontrollieren.
Eine optimale Strahlungsbeaufschlagung des Empfängers entspricht einer dem Durchfluss angepassten homogenen Verteilung über der Apertur bei
minimierten Verlusten am Rand. Eine homogene Verteilung ohne Leistungsspitzen ermöglicht einen verringerten Sicherheitsabstand zur Maximaltemperatur und erhöht damit sowohl Lebensdauer als auch thermische Effizienz des Empfängers.
Durch eine Insitu-Überprüfung der Ist-Zielpunkte während des Betriebs und mit der Anpassung der Strahlungsverteilung am Empfänger werden diese Aspekte adressiert. Die Homogenität wird auf dieser Datengrundlage optimiert und die beschriebenen Hot-Spots werden vermieden. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik ein sicherer Betrieb bei erhöhter Temperatur ermöglicht.
Versuch in der Testanlage Themis im Rahmen des SFERAII-Access-Programms. Die Heliostaten wurden mit der Funktion zur periodischen Bewegung ausgestattet. Am kleinen Cavity-Receiver der Anlage (unter konzentrierter Strahlung) wurde die HelioControl-Methode umgesetzt und erprobt.
Die Ergebnisse einer Messkampagne im Rahmen des SFERAII-Access-Programms in der französischen Solarturmanlage Themis (PROMES-CNRS) wurden auf der SolarPACES-Conference 2019 in Daegu, Südkorea vorgestellt (Präsentation | Publikation). Zu Auswertung der Strahlungsinformationen am Cavity-Receiver der Testanlage wurde ein Korrekturmodell der Reflexionseigenschaften aus Messdaten erstellt. Hiermit können die stark variablen Reflexionsunterschiede ausgleichen, welche durch Strahlungsschutzbleche und die Rückwand des Testreceivers hervorgerufen werden. In kommerziellen Kraftwerken sind derartige Reflexionsgradvariabilitäten unwahrscheinlich. Für die zukünftige Vermessung der Reflexionseigenschaften wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Messung des Reflexionsgrades vom Heliostatenfeld aus erlaubt.