Entwicklung eines kamerabasierten Messsystems für circumsolare Strahlung

CAD Zeichnung der neuartigen CSR-Kamera
© Fraunhofer ISE
CAD Zeichnung der neuartigen CSR-Kamera.
Ausschnitt eines High Dynamic Range (HDR)-Bilds
© Fraunhofer ISE
Ausschnitt eines High Dynamic Range (HDR)-Bilds in Falschfarben, aufgenommen am 21.02.2020 am Fraunhofer ISE in Freiburg. Die Intensität ist auf einen Maximalwert von eins auf der logarithmischen Farbskala normiert. In diesem Bild kann man deutlich eine messbare Ausdehnung erkennen, die die Sonnenscheibe umgibt und zu einem CSR-Wert von 17 % führt.

Für die Standortwahl, das Design und den Betrieb einer Solarturmanlage ist die genaue Kenntnis der „Sunshape“-Verteilung entscheidend. Sie beschreibt die Menge und Verteilung der direkten Strahlung gekennzeichnet, die aus Richtungen außerhalb der Sonnenscheibe kommt - die Zirkumsolarstrahlung (auch quantifiziert durch den Zirkumsolaranteil, engl. circumsolar ratio CSR). Dieser Effekt beruht auf Rayleigh- und Mie-Streuung in der Atmosphäre und ist daher stark standort- und wetterabhängig. Die “Sunshape“-Verteilung hat einen starken Einfluss auf die Form und Größe des Brennflecks der Heliostaten und beeinflusst damit die Effizienz des Solarfeldes (Verluste durch Verfehlen des Receivers, "Spillage"), spielt aber auch eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Vermeidung von lokalen Überhitzungen („Hotspots“) auf den Absorberoberflächen.

Im Rahmen des Projekts POLYPHEM arbeitet das Fraunhofer ISE an der Entwicklung eines neuartigen und hochgenauen Messsystems für die Zirkumsolarstrahlung. Obwohl das Gerät hohe Präzision verspricht, besteht es aus kostengünstigen Komponenten, hauptsächlich einer CCD-Kamera und mehreren Filtern, die alle auf einem Solar-Tracker montiert sind. Unter anderem sind die Eliminierung des optischen Rauschens und das thermische Management des Gerätes entscheidende Aspekte für eine hohe Leistung.

Während der ersten Hälfte des Projekts,

  • wurde das Messsystem optisch und thermisch entwickelt,
  • wurden die benötigten Komponenten am Fraunhofer ISE zugekauft oder hergestellt
  • und das gesamte Gerät montiert.

Erste Tests auf dem Campus des Fraunhofer ISE in Freiburg, Deutschland, zeigen vielversprechende Ergebnisse, die die enge Beziehung zwischen DNI (Direct Normal Irradiance) und CSR unterstreichen und eine quantitative Messung der „Sunshape“-Verteilung und des CSR demonstrieren.

 

Weitere Informationen zum Projekt »POLYPHEM« und den Arbeitspaketen:

Forschungsprojekt: Polyphem – Entwicklung eines kleinskaligen Solar-Kombikraftwerks (Gasturbine/ORC)

Arbeitspaket:Auslegungsrechnungen und Simulationsmodell für den POLYPHEM-Prototypen - Digital Twin

Arbeitspaket: Entwicklung eines kamerabasierten Messsystems für circumsolare Strahlung