Reflektoren eines Solarkraftwerks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von eine Spiegelfläche aufweisenden Reflektoren eines Solarkraftwerks.

Beispielsweise nutzen solare Turmkraftwerke Heliostaten, die zweiachsig der Sonne nachgeführt werden, um das Sonnenlicht auf einen Empfänger (Receiver) auf einem Turm zu konzentrieren. Das von den Heliostaten reflektierte Licht soll dabei den Zielpunkt bzw. die Zielpunkte auf dem Receiver möglichst genau treffen.

Bei der Steuerung von Reflektoren eines Solarkraftwerks besteht jedoch das Problem, dass äußere Einflüsse, wie insbesondere Verschattungen der Heliostaten auf Grund von Wolken, aber auch eine Verschmutzung der Spiegelflächen, die auf den Receiver reflektierte Solarstrahlung beeinflussen. Auch ist die auf die Spiegelfläche eines Reflektors auftreffende Direktsolareinstrahlung (DNI) häufig unzureichend bekannt, so dass die auf den Receiver reflektierte Solarstrahlung ebenfalls nicht genau bekannt ist, so dass eine Steuerung eines Solarkraftwerks nur relativ ungenau möglich ist. Darüber hinaus ist die tatsächliche Flussdichteverteilung auf einem Receiver nur relativ ungenau bestimmbar, da nicht genau bekannt ist, wieviel Solarstrahlung von welchem Heliostaten auf den Receiver reflektiert wird.

Insbesondere Wolkendurchgänge über ein Solarkraftwerk sind bei der Steuerung der Reflektoren eines Solarkraftwerks problematisch, da diese kurzzeitige

Leistungsschwankungen hervorrufen. Dahingegen sind Verschmutzungen der Spiegelfläche ein langsam fortschreitender Prozess, der bei der Steuerung besser berücksichtig werden kann. Dennoch ist es wünschenswert die Verschmutzung der Heliostaten zu ermitteln, um Reinigungsvorgänge besser planen zu können.

Ähnliche Problemstellungen ergeben sich auch bei linienkonzentrierenden Systemen, wie beispielsweise bei Paraboirinnenkraftwerken, die parabolrinnenförmige Reflektoren aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung von Heliostaten bereitzustellen, bei denen insbesondere

Verschattungen durch Wolken besser berücksichtigt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des

Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung von eine Spiegelfläche aufweisenden Reflektoren eines Solarkraftwerks sieht folgende Schritte vor: aO) Bereitstellen von mindestens einer Kamera an jedem Reflektor, a) Einstellen der Kameras oder der Reflektoren mit den Kameras, so dass die Sonne im Blickfeld der jeweiligen Kamera ist, b) Aufnehmen von Bilddaten mittels der Kameras vorzugsweise in vorgegebenen Zeitabständen, c) Auswerten der Bilddaten, wobei Wolken, Wolkenformen, Positionen von Wolken und Bewegungen von Wolken ermittelt bzw. abgeschätzt werden, d) Bestimmen von Vorhersagen von Wolkenbewegungen anhand der ermittelten bzw. abgeschätzten Wolkenformen und der ermittelten bzw. abgeschätzten Bewegungen der Wolken, e) Bestimmen von Vorhersagen von Beeinflussungen von auf einzelne

Reflektoren oder Gruppen von Reflektoren auftreffender

Direktsolareinstrahlung (DNI) durch Wolken anhand der Vorhersagen der Wolkenbewegungen und f) Steuern zumindest einiger Reflektoren des Solarkraftwerks unter Berücksichtigung der Beeinflussung der auf einzelne Reflektoren oder Gruppen von Reflektoren auftreffenden Direktsolareinstrahlung (DNI) durch Wolken.

Die Reflektoren können punkt- oder linienkonzentrierende Reflektoren sein.

Vorzugsweise ist das Solarkraftwerk ein Solarturmkraftwerk mit einem Heliostatenfeld und die Reflektoren sind Heliostaten.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine optische Achse jeder Kamera parallel oder in einem vorgegebenen Winkelbereich zu einer Spiegelnormalen des der entsprechenden Kamera zugeordneten Heliostaten ausgerichtet ist, In einer zweiten Variante sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung von eine Spiegelfläche aufweisenden Reflektoren eines Solarkraftwerks, wobei jeweils mehrere Reflektoren zu jeweils eine Gruppe von Reflektoren bilden, mit folgenden Schritten: aO) Bereitstellen von mindestens einer Kamera für jede Gruppe von Reflektoren, a) Einstellen der Kameras, so dass die Sonne im Blickfeld der jeweiligen Kamera ist, b) Aufnehmen von Bilddaten mittels der Kameras vorzugsweise in vorgegebenen Zeitabständen, c) Auswerten der Bilddaten, wobei Wolken, Wolkenformen und Bewegungen der Wolken ermittelt bzw. abgeschätzt werden, d) Bestimmen von Vorhersagen von Wolkenbewegungen anhand der ermittelten bzw. abgeschätzten Wolkenformen und der ermittelten bzw. abgeschätzten Bewegungen der Wolken, e) Bestimmen von Vorhersagen von Beeinflussungen von auf einzelne Reflektoren oder Gruppen von Reflektoren auftreffender Direktsolareinstrahlung (DNI) durch Wolken anhand der Vorhersagen der Wolkenbewegungen und f) Steuern zumindest einiger Reflektoren des Solarkraftwerks unter Berücksichtigung der Beeinflussung der auf einzelne Reflektoren oder Gruppen von Reflektoren auftreffenden Direktsolareinstrahlung (DNI) durch Wolken. Die Reflektoren können punkt- oder linienkonzentrierende Reflektoren sein.

Vorzugsweise ist das Solarkraftwerk ein Solarturmkraftwerk mit einem Heliostatenfeld und die Reflektoren sind Heliostaten.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine optische Achse jeder Kamera parallel oder in einem vorgegebenen Winkelbereich zu einer mittleren Heliostatennormalen der der mindestens einen Kamera zugeordneten Gruppe von Heliostaten ausgerichtet ist

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit in vorteilhafter Weise, dass Wolkenbewegungen über dem Solarkraftwerk erfasst und die weitere Bewegung der Wolken als Vorhersage abgeschätzt wird.

Durch das Vorsehen von jeweils mindestens einer Kamera an jedem Reflektor oder einer Gruppe von Reflektoren kann eine vergleichsweise große Menge an Bilddaten aufgenommen werden, so dass sehr detailliert über dem Heliostatenfeld Wolken, Wolkenformen und die Bewegung der Wolken ermittelt bzw. abgeschätzt werden können. Dadurch kann in vorteilhafterweise mittels der aktuellen Wolken und Wolkenformen vorhergesagt werden, welche Bereiche eines Heliostatenfeldes in naher Zukunft durch die Wolken abgeschattet werden. Mittels dieser Informationen können in Schritt f) die Heliostaten derart gesteuert werden, dass das Heliostatfeld optimal genutzt werden kann und die Abschattung einiger Heliostaten auf Grund von Wolken entsprechend durch andere Heliostaten ausgeglichen werden. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Strahlungsflussdichte abgeschätzt oder vorhergesagt werden, so dass die Steuerung der Reflektoren derart erfolgen kann, dass eine gewünschte Strahlungsflussdichteverteilung auf dem Receiver erfolgt. Somit kann auch eine aktuelle Strahlungsflussdichteverteilung auf dem Receiver abgeschätzt werden. Zur Abschätzung der auf die Reflektoren auftreffenden Direktsolareinstrahlung (DNI) können auf herkömmliche Weise zentral ermittelte Messwerte bzgl. der vorherrschenden Direktsolareinstrahlung (DNI) verwendet werden.

Bei Heliostaten kann der Winkelbereich zu der Spiegelnormalen bzw. der mittleren Heliostatennormalen, in dem sich die optische Achse der entsprechenden Kamera befinden kann, beispielsweise maximal fünf Grad betragen Grundsätzlich kann der Winkel auch größer sein solange die Sonne bei der Nachführung des Heliostaten immer im Blickwinkel der Kamera ist. Dies ist auch abhängig von der Brennweite des Kameraobjektivs.

Die vorgegebenen Zeitabstände, in denen die Kameras Bilddaten aufnehmen, können beispielsweise mehrere Bilder pro Minute sein, beispielsweise 1 bis 6 Bilder pro Minute.

Die Schritte a) bis f) oder b) bis f) können grundsätzlich wiederholt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Schritte nur in zeitlich vorgegebenen Abständen durchgeführt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beim Auswerten der Bilddaten die Direktsolareinstrahlung auf den der entsprechenden Kamera zugeordneten Reflektoren oder auf die Reflektoren der der mindestens einen Kamera zugeordneten Gruppe von Reflektoren mittels der bzw. aus den Bilddaten ermittelt oder abgeschätzt wird. Dadurch, dass die Kameras die Sonne in ihrem Blickfeld haben, kann über die Bilddaten in vorteilhafter Weise die Direktsolareinstrahlung auf den entsprechenden Reflektor ermittelt bzw. abgeschätzt werden. Die Auswertung hinsichtlich der Direktsolareinstrahlung muss nicht notwendigerweise gleichzeitig mit der Auswertung der Bilddaten bezüglich der Wolken, Wolkenformen und Wolkenbewegungen erfolgen, sondern kann auch beispielsweise zeitlich versetzt dazu durchgeführt werden. Grundsätzlich können sämtliche Auswertungen von Bilddaten im Rahmen der Erfindung in Echtzeit bzw. quasi in Echtzeit erfolgen, so dass die bei der Auswertung der Bilddaten ermittelten bzw. abgeschätzten Werte und Informationen ebenfalls in Echtzeit bzw. quasi in Echtzeit vorliegen. Dadurch, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Direktsolareinstrahlung auf die Reflektoren ermittelt werden kann, kann dieser Wert ebenfalls bei der Steuerung der Reflektoren verwendet werden, um diese entsprechend der Direktsolareinstrahlung zu steuern, um möglichst eine vorgegebene Flussdichteverteilung auf den Receiver zu erhalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass beim Auswerten der Bilddaten mittels der bzw. aus den Bilddaten die Verschmutzung der entsprechenden Kamera zugeordneten Reflektoren oder der Reflektoren der der mindestens einen Kamera zugeordneten Gruppe von Reflektoren ermittelt bzw. abgeschätzt wird. Da die Kamera in gleiche Richtung wie die Spiegelfläche eines Reflektoren ausgerichtet ist, wird beispielsweise die Objektivlinse oder ein Filter vor der Linse oder ein Glas vor der Linse in vergleichbarer Weise wie die Spiegelfläche des entsprechenden Reflektors verschmutzt. Somit kann mittels der Bilddaten auch auf die Verschmutzung der entsprechenden Spiegelflächen geschlossen werden. Dies kann beispielsweise über entsprechende Algorithmen und/oder Referenzwerte hervorgehen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt c) das Bestimmen der Bewegung von Wolken und einer Wolkenbewegungsrichtung durch Vergleich der Positionen der Wolken in zeitlich aufeinanderfolgenden Bilddaten erfolgt. Mit anderen Worten, die aktuellen Positionen der Wolken werden mit den Positionen der Wolken zu vorherigen Zeitpunkten verglichen und somit auf eine Bewegung der Wolken und in eine Wolkenbewegungsrichtung geschlossen. Auch können Wolkenformen entsprechend bestimmt und verglichen werden, so dass auch die Veränderung der Wolkenformen bei der Bestimmung der Bewegung der Wolken berücksichtigt werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass in Schritt e) beim Vorhersagen von Beeinflussungen von auf einzelne Heliostaten oder von Heliostaten auftreffender Direktsolareinstrahlung durch Wolken anhand der Vorhersagen der Wolkenbewegungen ermittelt wird, wann eine vorhergesagte Wolkenbewegung einen Reflektor oder eine Gruppe von Reflektoren verschattet. Da durch die Steuerung der Reflektoren grundsätzlich die Ausrichtung von Reflektoren bzw. die Ausrichtung einer Gruppe von Reflektoren bekannt oder zumindest ermittelbar ist, kann hierüber in vorteilhafter Weise abgeschätzt werden, wann eine Wolke einen Reflektor bzw. eine Gruppe von Reflektoren zumindest zum Teil abschattet.

Die direkte Solareinstrahlung kann beispielsweise über Helligkeitswerte der Abbildung der Sonne in den Bilddaten oder über Pixelgrauwerte in den Bilddaten ermittelt werden, wobei ein Vergleich der Helligkeitswerte oder der Pixelgrauwerte mit mindestens einem Referenzwert erfolgt. Der Referenzwert kann beispielsweise durch Direktsolareinstrahlungsmessungen von Wetterstationen zu den Zeitpunkten ohne Wolkendurchzug sein. Auch können Referenzwerte über sogenannte DNI-Messgeräte ermittelt werden.

Über die Helligkeitswerte oder die Pixelgrauwerte kann in vorteilhafter Weise die Direktsolareinstrahlung mittels der Bilddaten ermittelt werden.

Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass in Schritt f) eine Vorhersage der Strahlungsflussdichteverteilung auf einen Receiver unter Berücksichtigung der Beeinflussung der einzelnen Heliostaten oder Gruppen von Heliostaten auftreffenden Direktsolareinstrahlung durch Wolken erfolgt. Über die Vorhersage der Flussdichteverteilung kann in vorteilhafter Weise ermittelt werden, welche Strahlungsflussdichteverteilung zu erwarten ist, so dass dann die Steuerung einer Anpassung vornehmen kann, um die gewünschte Strahlungsflussdichteverteilung zu erreichen. Grundsätzlich kann auch eine Echtzeit- bzw. Quasi-Echtzeitberechnung der Flussdichteverteilung erfolgen, indem beispielsweise die Echtzeit-bzw. Quasi-Echtzeit-Direktsolareinstrahlung entsprechend ausgewertet wird. Dadurch kann beispielsweise festgestellt werden, ob die aktuelle Flussdichteverteilung der gewünschten oder zuvor festgelegten Flussdichteverteilung auf dem Receiver entspricht oder ob eine Anpassung notwendig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass zunächst die Wolkenbewegungen über einem Heliostatenfeld bestimmt werden und zur Vorhersage für die weiteren Wolkenbewegungen herangezogen werden. Darüber hinaus lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Direktsolareinstrahlung auf Heliostaten ermitteln. Aus dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein individueller Verschmutzungsgrad eines Heliostaten oder einer Gruppe von Heliostaten abgeschätzt werden. Darüber hinaus kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vorhersage der Flussdichteverteilung auf einem Receiver bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Flussdichteverteilung auf einem Receiver auch in Echtzeit ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, ein Heliostatenfeld intelligenter zu betreiben und einen Receiver vor exzessiven Strahlungsflussdichten zu schützen. Mittels des erfindungsmäßen Verfahrens kann ein Heliostatenfeld im Vergleich zum Stand der Technik verbessert gesteuert werden. Gleichzeitig lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Spiegelreinigung gezielter und somit effizienter durchführen, da der Verschmutzungsgrad für einzelne Heliostaten oder einer Gruppe von Heliostaten individuell bestimmt werden kann.