HelioPack – Entwicklung neuartiger Technologien für solarthermische Turmkraftwerke

Laufzeit: September 2013 - Februar 2017
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Skizze des bildgebenden Regelungssystems. Die Feldsteuerung gibt eine Bewegung vor, die durch das Plug-In System erkannt und lokalisiert wird.

© Foto Fraunhofer ISE

Durch FEM-Simulation ermittelte Verformung für die Astigmatismuskorrektur des Heliostatenprototypen durch Aufbringen eines definierten Stellwinkels.

© Foto Fraunhofer ISE

Untersuchung der Nachführgenauigkeit eines Heliostaten mit Hilfe einer mobilen Zielfläche am Heliostatenteststand in Freiburg.

Solarturmsysteme sind die vielversprechendste Technologie der konzentrierenden solaren Kraftwerke. Das Heliostatenfeld, das die einfallende Solarstrahlung auf einem Empfänger am Turm konzentriert, verursacht 40 bis 50% der Investitionskosten. Die optische Qualität der Heliostate ist daher maßgeblich für die Kraftwerkseffizienz. Im Projekt »HelioPack« wird eine Methode zur Regelung von Heliostaten entwickelt, die optische Verluste reduziert und die Zielpunktkontrolle ermöglicht. Hierdurch kann an Struktur und Aktuatoren gespart und eine verbesserte Konzentration erreicht werden. Zudem wird ein verformbarer Heliostat entwickelt, der die Aufweitung des Brennflecks mit dem Einfallswinkel der Sonne verhindert. Dies ermöglicht höhere Wirkungsgrade und Hochtemperaturprozesse in solaren Prozessapplikationen.

Wir haben ein bildgebendes Regelungssystem zur präzisen Überprüfung der Ist-Zielpunkte von Heliostaten im laufenden Betrieb entwickelt. Den einzelnen Heliostaten wird hierbei ein Bewegungssignal aufgeprägt, das im kumulierten Brennfleck auf dem Strahlungsempfänger von einer Kamera aufgenommen und digital analysiert wird. Dabei wird das Auftreten des Signals als tatsächlicher Ist-Zielpunkt der Heliostaten ermittelt und zur Korrektur verwendet. Die Methodik wurde im Labormaßstab sowie in ersten Feldtests im realen Heliostatenfeld erprobt und demonstriert. Durch Simulation wurde die Anwendbarkeit auf große Heliostatenfelder bereits bestätigt. Im nächsten Schritt soll das System zu einem Plug-In weiterentwickelt werden, das die Integration in neue und bestehende Heliostatenfeldsteuerungen ermöglicht.

Die Entwicklung eines astigmatismuskorrigierten Heliostaten ist ein weiterer Schwerpunkt des Projekts. Dieser ändert ohne einen zusätzlichen Aktuator seine Form anhand der Stellung im optischen Dreieck zwischen Sonnenposition, Empfängerposition und Heliostatenposition im Feld. Durch die einzigartige Anordnung von Fixpunkten und Rotationsachsen wird dem Nachführwinkel des Heliostaten zur Sonne die gewünschte Spannung auf einen Rahmen übertragen, auf dem dann der Reflektor befestigt wird. Um die vorher bestimmte ideale Form bestmöglich herzustellen, haben wir durch FEM-Simulation die optimale Verteilung von Elastizität und Steifigkeit des Rahmens ermittelt. Zur Demonstration und für mechanische Untersuchungen wurde ein erster Prototyp hergestellt und im Laboraufbau vermessen.