Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 02/2021 -07/2023 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi |
| Kooperationspartner: | FARO Technologies, Inc. |
| Projektfokus: |       |
HelioSense – Entwicklung eines innovativen 3D-Laser-Verschmutzugssccanners für den autonomen Einsatz in solarthermischen Kraftwerken
FARO®Trek 3D Laser Scanning Integration mit FARO® Focuss Laser Scanner in Kombination mit dem Boston Dynamics Spot® Mobile Robot erlaubt die automatisierte Vermessung selbst komplizierter Terrains. Die Erprobung des Einsatzes ist im Forschungsprojekt HelioSense vorgesehen.
Erste Untersuchung des HelioSense-Messprinzips an einem Heliostaten auf einer Testanlage.
Relativer Reflexionsgrad über die Fläche eines Heliostaten, aufgenommen mit einer FARO®Trek 3D Laser Scanning Integration mit FARO® Focuss Laser Scanner. Einzelne Referenzstreifen wurden zum Test hinzugefügt. Die unterste Facette wurde zusätzlich mit Kreidespray behandelt. Die Einfärbung beschreibt den relativen bidirektionalen Reflexionsgrad und gibt bei den unbehandelten Flächenelementen Aufschluss über den flächigen Verschmutzungsgrad der Spiegel.
Der Ertrag und die Betriebsstrategie von solarthermischen Kraftwerken hängen von der hohen Reflektivität sowie der guten Form- und Lagetreue der Konzentratoren ab (z.B. Heliostate oder Parabolrinnen). Der Wirkungsgrad solarthermischer Kraftwerke ist näherungsweise direkt proportional zum gerichteten Reflexionsgrad konzentrierender Spiegel, der von Verschmutzungen reduziert wird. Ähnliche Ertragsminderungen können durch Form- und Lagefehler der Spiegel entstehen, wodurch reflektierte Strahlung fehlgelenkt wird. Ein Prozent Verlust an Reflexion durch Schmutz kann zu Einbußen von 200.000€ bis 500.000€ pro Jahr führen. Für eine genaue, möglichst hochaufgelöste und automatisierte Erfassung der Faktoren Verschmutzung, Form- und Lagetreue gibt es bisher keine geeigneten Messmethoden. Im Projekt HelioSense wird ein neuartiger Lösungsansatz entwickelt und erprobt, der auf der LIDAR-Technologie sowie umfangreichen nachgeschalteten Algorithmen basiert.
Im gemeinsamen Forschungsprojekt HelioSense entwickeln und erproben FARO Technologies, Inc. und Fraunhofer ISE eine neuartige Methode zur Erfassung der großflächig ortsaufgelösten Verschmutzung sowie der Form- und Lagetreue von Heliostaten und Parabolrinnen mittels 3D-Laserscanning im Solarfeld solarthermischer Kraftwerke (CSP, Concentrated Solar Power).
Hoch genaue 3D-Laserscanner bestimmen durch reflektierte Lichtpulssignale den Abstand zwischen Messstation und Auftreffpunkt. Mit bis zu 1.000.000 Messpunkten pro Sekunde wird ein flächiges Abtasten der Umgebung in kürzester Zeit möglich. Die dimensionslose „Intensität“ der Reflexion wird als Qualitätskriterium für den Messpunkt aufgezeichnet. Sie dient im Entwicklungsprojekt als Indikator, um durch neue Algorithmen den Verschmutzungsgrad der Spiegelflächen großflächig zu ermitteln. Hierfür wird eine Transferfunktion zwischen dem Signal des Laserscanners und CSP-relevanter Verschmutzung ermittelt. Durch den Einsatz neuer Auswertungsalgorithmen und Datenverknüpfungen kann so der winkelabhängige Reflexionsgrad mit der im 3D-Scanning üblichen hohen Geschwindigkeit großflächig und automatisiert erfasst werden.
In Zukunft soll die Vermessung des Solarfeldes automatisiert erfolgen, ohne den Betrieb des Kraftwerkes zu unterbrechen. Der Einsatz eines autonomen ScanBots, aber auch die Vermessung in Verbindung mit Reinigungs-Trucks wird untersucht, um die regelmäßige Vermessung der riesigen Spiegelfelder zu ermöglichen. Die aufgezeichneten Daten sollen den Kraftwerksbetreiber unterstützen, die Betriebs- und Reinigungsstrategie für das Kraftwerk zu optimieren. Daher ist die Entwicklung einer geeigneten Plattform mit Datenaufbereitung ein wesentlicher Bestandteil des Entwicklungsprojekts. Die Bereitstellung über die Plattform der FARO Technologies, Inc. in Form eines digitalen Zwillings wird als Schnittstelle auf die Anforderungen der Betreiber angepasst.
Im Rahmen des Forschungsprojekts HelioSense wird ein 3D-Laser-Verschmutzungsscanner für den autonomen Einsatz im Solarkraftwerk entwickelt und erprobt. Mit Hilfe dieser neuartigen Technologie wird ein wesentlicher Beitrag für den effizienten Betrieb von solarthermischen Kraftwerken geleistet, da durch flächige Erfassung, Automatisierung, digitale Aufbereitung und Analyse die Reinigungs- und Wartungspläne für das Solarfeld schnell und reproduzierbar erstellt und die Betriebsstrategien optimiert werden können. Die umfassende Datenerfassung und Digitalisierung im Kraftwerk kann in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Steigerung von Ertrag und Leistung bzw. zur Senkung der Stromgestehungskosten im solarthermischen Kraftwerk liefern.