Solarthermie: Mehr Effizienz für solarthermische Kraftwerke dank Kamerasystem
Im Projekt HelioControl haben Forscher ein ausgeklügeltes System entwickelt, mit dem sich die Spiegel in solarthermischen Turmkraftwerken im laufenden Betrieb präziser nachführen lassen. Das macht die Anlagen viel effizienter und spart somit Kosten.
03.09.2020 – Solarenergie hat noch großes Potenzial für die Energiewende. Die Entwicklung im Bereich der Photovoltaik hat die Solartechnologie immer effizienter gemacht und die Kosten gesenkt. Unter solarthermischen Kraftwerken werden vor allem Solarturmsystemen die größten Potenziale hinsichtlich Effizienz und Kostenreduktion zugesprochen. Damit beschäftigen sich Forscher des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und haben im Projekt HelioControl ein Kalibrier- und Regelungssystem auf Basis digitaler Bildverarbeitung für Heliostatenfelder entwickelt – und bereits eingesetzt.
Ausgangspunkt der Forschung: Solarthermische Turmkraftwerke können mehr Ertrag bei geringeren Kosten bringen, wenn die Kalibrierung und Regelung der einzelnen Spiegel im laufenden Betrieb stattfindet.
Wie funktioniert ein solarthermisches Turmkraftwerk?
In Turmkraftwerken konzentrieren hunderte bis mehrere Tausende oder sogar Hunderttausend Spiegel die Sonnenstrahlen auf einen zentralen Absorber (Receiver) an der Spitze eines Turmes, in dem ein Wärmeträgermedium (z.B. Salzschmelze) erhitzt wird, erklären die ISE-Wissenschaftler das System. Das wird anschließend zur Erzeugung von Dampf genutzt, der eine Turbine antreibt. In Verbindung mit einem thermischen Speicher wird die Wärme auch nachts zur Stromerzeugung genutzt. Die Ausrichtung der Spiegel ist maßgeblich für den Ertrag des solarthermischen Kraftwerks,
Bislang ist die Ausrichtung der einzelnen Heliostaten allerdings höchst aufwendig und zeitintensiv. Das Problem: Die der Sonne nachgeführten Spiegel reflektieren die Strahlung über Entfernungen bis zu einem Kilometer. Bereits kleine Winkelfehler könnten so zu großen Verlusten im Wirkungsgrad des Kraftwerkes führen. Zwar gebe ein Sonnenstandsalgorithmus in der Steuerung die Spiegel-Sollposition vor – während des eigentlichen Betriebs sei jedoch nicht bekannt, ob es Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Koordinaten der Zielpunkte der Heliostaten gibt und wie groß diese Abweichungen wirklich sind. Dafür suchten die Forscher eine Lösung.
Ein Kamerasystem macht die Kalibrierung einfacher
Dazu hat das ISE-Team ein kamerabasiertes Kalibrier- und Regelungssystem entwickelt. „Dabei werden“, erläutern die Wissenschaftler, „im laufenden Betrieb die Zielpunkte einzelner Spiegel aus der Gesamtstrahlungsdichteverteilung ermittelt.“ Von dem bestrahlten Receiver wird mit einer Kamera ein Video aufgenommen. Durch die Modulation einer periodischen Bewegung des Spiegels wird eine Signatur in die Strahlungsdichteverteilung am Receiver eingebracht, durch die der Beitrag des einzelnen Spiegels identifiziert werden kann. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen können so die Zielpunkte mehrerer Spiegel gleichzeitig bestimmt werden. „Mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden wird aus den Aufnahmen der tatsächliche Zielpunkt des Heliostaten ermittelt“, erläutert Projektleiter Gregor Bern. „Weicht dieser vom Soll-Zielpunkt ab, werden die Werte an die Heliostatensteuerung zur Korrektur übergeben.“
Erster Erfolg beim Einsatz
Für die neue Methode entwickelte das Projektteam des Fraunhofer ISE eine Software, die das parallele Vermessen der Zielpunkte im laufenden Betrieb erlaubt. Nach dem Test im Labor wurde das System im Heliostatenfeld des Themis-Turmkraftwerks in Frankreich eingesetzt – und die Forscher kamen zu erfreulichen Ergebnissen: „Die aus den Bildern ermittelten Zielpunkte liegen in der Regel nur wenige Millimeter neben dem tatsächlichen Zielpunkt“, berichten die Wissenschaftler.
Neues System spart Zeit und Geld
Die neue Methode könne den Anlagenbetreiben nun viel Zeit sparen – und damit Kosten. Laut Fraunhofer ISE kann das neue System bis zu zwei Heliostaten pro Sekunde vermessen. Ein Kraftwerk von der Größe von Noor III in Marokko mit 7.400 Heliostaten könnte so in weniger als einer Stunde statt wie bisher über mehrere Wochen rekalibriert werden, so Bern.
Da die Methode industrienahe Schnittstellen nutzt, könne sie problemlos in bestehende Kraftwerke integriert werden. Auch beim Neubau von Kraftwerken könnte HelioControl zur optimalen Ausrichtung der Heliostaten nun eingesetzt werden. Das Projektteam des Fraunhofer ISE sucht daher weitere Partner für die Demonstration und kommerzielle Anwendung des Verfahrens in Großkraftwerken. na
