Dibowski, Hans-Gerd

Offergeld, Matthias

Raeder, Christian

Röger, Marc

Thelen, Martin

Willsch, Christian

Institute of Transport Research:Publications

Entwicklungslinien zur Flussdichtemesstechnik der DLR-Solarforschung M. Thelen, C. Willsch, C. Raeder, G. Dibowski, M. Röger, M. Offergeld DLR Institut für Solarforschung  19. Kölner Sonnenkolloquium Köln, 6. Juli 2016 1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung 3. Entwicklungslinien der Flussdichte-Messmethoden a. Kamera-(Schwenk)Target-Methode b. Flussdichte-Messung auf Receiver-Oberflächen c. Messergebnis-gestützte Flussdichte-Simulation 4. Zusammenfassung  Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 2 1 Motivation Großanlagen des DLR zur Erzeugung hochkonzentrierter           Solarstrahlung > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 3 1. Motivation  > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 4 • Bestimmung der Receiver-Eintrittsleistung • Ableitung von Heliostatfeld- und Receiver-Wirkungsgraden (Abnahme) • Online-Überwachung der Flussdichte-Verteilung und Zielpunktoptimierung 1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung  Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 5 2. Grundlagen Messprinzip DLR.de  •  Folie 6 • Lambertsche Oberfläche + Messkamera + Sensor > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 2. Grundlagen Aufbau zur optischen Flussdichtemessung (SOF & HLS)  • Kamera und Strahlungsquelle fixiert   • Schritt 1: Passpunkte markieren   • Schritt 2: Sensor auslesen   • Schritt 3: Kamera auslesen A - D > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 7 > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 8 2. Grundlagen Vom Foto zur Strahlungsflussdichteverteilung  1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung 3. Entwicklungslinien der Flussdichte-Messmethoden a. Kamera-(Schwenk)Target-Methode Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 9 > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 10 3a. Entwicklungslinien: Kamera-Schwenktarget Hard- & Software im Sonnenofen und Hochleistungsstrahler Köln  > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 11 3a. Entwicklungslinien: Kamera-Schwenktarget FMAS – Flux Mapping Acquisition System  • Eigenentwicklung in LabVIEW   • Vorteile gegenüber FATMES    Reduzierung des Platzbedarfs    portabel mit Notebook    Erhöhung von Leistung und      Geschwindigkeit    hochauflösende Bilder    zuverlässige Messdatenbank    einfache Bedienung    transparente Algorithmen   • Messgenauigkeit ± 3 % > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 12 3a. Entwicklungslinien: Kamera-Schwenktarget Hochauflösende FMAS-Bilder aus dem Heliostatfeld Testaufbau  Distanz: 20 m > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 13 3a. Entwicklungslinien: Kamera-Schwenktarget Hochauflösende FMAS-Bilder aus dem Heliostatfeld Ergebnisse  • Vorteile von Messkameras und professioneller Fotografie vereinen • Steuerung von Objektiven mit ES- / EF-Mount per Software • Zugriff auf Rohdaten über Messkamera-Schnittstellen • hohe Bildauflösung verringert Messfehler vor allem durch die projektive Bildentzerrung  • Movingbar mit integriertem Sensor zur Kalibrierung  • Einzelbilder werden zum Strahlungsflussdichtebild zusammengesetzt > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Folie 14 3a. Entwicklungslinien: Kamera-Schwenktarget Aufbau zur Flussdichtemessung am Solarturm Jülich (STJ)  1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung 3. Entwicklungslinien der Flussdichte-Messmethoden a. Kamera-(Schwenk)Target-Methode b. Flussdichte-Messung auf Receiver-Oberflächen Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 15 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 16 Radiometer Kamera 𝐺𝑉 = 𝐸 ⋅ 𝜌 ⋅ 𝑘𝐶𝑎𝑚 ⇔ 𝐸 = 𝐺𝑉 ⋅1𝜌 ⋅ 𝑘𝐶𝑎𝑚  Refl.  𝜌 variiert über Absorberfläche wegen… • Material-Inhomogenitäten • Unterschiedlichen Richtungen von Einstrahlung    und Beobachtung Annahme:       𝜌𝑖 𝜙, 𝜃, 𝜙𝑟 , 𝜃𝑟 = 𝑚𝑖 ⋅ 𝜌𝑚𝑒𝑎𝑛 𝜙, 𝜃, 𝜙𝑟 , 𝜃𝑟   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 17 Einstrahlung:  Azimutwinkel 0°  Zenitwinkel 30°  Beobachtung: Azimutwinkel 0° bzw. 180° 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen Bestimmung der Richtungsabhängigkeit der Reflexion   Winkelabhängigkeit BRDF “Tönung“ Cup i Reflexionsgrad Cup i > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 18 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen Auswirkung der Richtungsabhängigkeit der Reflexion   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 19 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen Auswirkung der Richtungsabhängigkeit der Reflexion   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 20 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen Auswirkung der Richtungsabhängigkeit der Reflexion   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 21 Rohbild 620 Grauwert 4180 Material-Korrekturmatrix 0,75 1,25 Richtungs-Korrekturmatrix 0,75 1,25 Material-korrigiert 620 Grauwert 4180 Richtungs-korrigiert 620 Grauwert 4180 nach Kalibrierung: Flussdichte [kW/m²] 3b. Entwicklungslinien: Flussdichte-Messung auf  Receiver-Oberflächen   1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung 3. Entwicklungslinien der Flussdichte-Messmethoden a. Kamera-(Schwenk)Target-Methode b. Flussdichte-Messung auf Receiver-Oberflächen c. Messergebnis-gestützte Flussdichte-Simulation Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 22 3c. Entwicklungslinien: Messergebnis-gestützte  Flussdichte-Simulation   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 23 Genauigkeit von Raytracing-Simulationen hängt hauptsächlich von der Qualität der Input-Parameter ab: Heliostat-Steigungsfehler  bekannt durch Deflektometrie Heliostat Tracking Fehler  “sollten“ bekannt sein (Kontrollsystem) Heliostat-Position und Geometrie  bekannt Spiegel-Reflektivität, Cleanliness  ungefähr bekannt Atmosphärische Parameter (DNI, Sunshape, Extinktion)  bekannt (DNI), z.T. nur näherungsweise Turm-Geometrie  bekannt Receiver-Position  bekannt    Raytracing-Simulationen können benutzt werden, aber sie sollten validiert werden 3c. Entwicklungslinien: Messergebnis-gestützte  Flussdichte-Simulation   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 24 Flussdichte-Messung Simulation > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 25 • Simulation (STRAL) • Integrierte Leistung 257 kW PSA test 19.05.10 mit 46 Heliostaten Referenzmessung mit Moving Bar Integrierte Leistung 260 kW Messung auf dem Strahlungsschutz validiert die simulierte Flussdichte Standardabweichung zw. gemessener & simulierter Flussdichte ist ein Qualitätsparameter Vergleich mit Referenz Ist die Simulation korrekt?   Vereinfachte Messung 3c. Entwicklungslinien: Messergebnis-gestützte   Flussdichte-Simulation 1. Motivation 2. Grundlagen der Flussdichte-Messung 3. Entwicklungslinien der Flussdichte-Messmethoden a. Kamera-(Schwenk)Target-Methode b. Flussdichte-Messung auf Receiver-Oberflächen c. Messergebnis-gestützte Flussdichte-Simulation 4. Zusammenfassung  Überblick > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 26 1. Flussdichte-Messungen sind ein wichtiges Werkzeug zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Heliostatfeld und Receiver und damit für Abnahmeverfahren 2. Das DLR passt sowohl konventionelle Kamera/Target-Verfahren an den neuesten Stand der Technik an, 3. und erforscht zudem Methoden, welche einfacher auf großskalige Solarturm-Kraftwerke zu übertragen sind 4. Die Ansätze zur   - Messung direkt auf der Receiveroberfläche für externe Receiver & - Messergebnis-gestützten Flussdichte-Simulation für Cavity Receiver stehen in naher Zukunft der Industrie zur Verfügung. Zusammenfassung > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 DLR.de  •  Chart 27 www.DLR.de  •  Chart 28 Vielen Dank  für Ihre Aufmerksamkeit Martin Thelen, Marc Röger martin.thelen@dlr.de marc.roeger@dlr.de Ministry of Innovation, Science and Research of the State of North Rhine-Westphalia (MIWF NRW), Germany Vielen Dank  an F. Göhring, D. Benitez, M. Ebert, C. Prahl   > 19. Kölner Sonnenkolloquium, 6. Juli 2016 

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