Deflektometrie zur Qualifizierung der Formgenauigkeit von solaren Konzentratoren

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1 Deflektometrie zur Qualifizierung der Formgenauigkeit von solaren Konzentratoren Steffen Ulmer, Tobias März, Stefan Wilbert, Marc Röger 12. Sonnenkolloquium: Qualifizierung von Komponenten solarthermischer Kraftwerke DLR, Köln-Porz, 9. Juni 2009

2 Einführung Der Wirkungsgrad von solarthermischen Kraftwerken wird maßgeblich durch die genaue Formgebung der Spiegelflächen bestimmt Für die Bewertung, Qualitätssicherung und Zertifizierung der eingesetzten Spiegelelemente werden Messtechniken benötigt, die eine hochgenaue und wirtschaftliche Messung der lokalen Steigungsabweichungen erlaubt. Im DLR wurde in den letzten Jahren innerhalb der BMU-Projekte SAPHIR und QUARZ speziell für diese Aufgabe ein optisches Messsystem entwickelt

3 Anforderungen an das Messsystem Entscheidende Messgröße ist Winkelabweichung, nicht Formabweichung Anforderungen an Messsystem: Größenordnung Winkelfehler: 0-10 mrad -> gewünschte Messgenauigkeit <0.5mrad Hohe Auflösung > Punkte pro Spiegel >98.5% Spiegelfläche Berührungslos Schnell (wenige Minuten) Deflektometrie

4 Deflektometrie: Grundprinzip und Messaufbau Projektions -leinwand Projektor i a a n r Spiegelfacette Kamera

5 Grauwert Ortskodierung der Projektionsfläche Hierarchisches Phasenshiftverfahren Bildserie 1 Bildserie 2 Bildserie Bildserie 1 Bildserie Bildserie 1 2 Bildserie Bildserie pi 2pi 4pi 6pi 8pi 10pi 12pi Phase Horizontale Bildserien Eindeutige Ortskodierung Ph horz Ph vert

6 Messbeispiel: Serie mit horizontalen und vertikalen Streifenmustern Muster auf Projektionsleinwand Reflektierte Muster in Spiegelfläche

7 Ergebnis-Beispiel Parabolrinnen-Facette SDx = 2.5 mrad SDy = 2.2 mrad FDx = 9.5 mm Intercept = 96.8% Standardabweichung des Winkelfehlers in Krümmungsrichtung Standardabweichung des Winkelfehlers in nicht gekrümmter Richtung Standardabweichung des Fokusfehlers Erwarteter Intercept unter Berücksichtigung von Sunshape und typischen Kollektorfehlern

8 Unsicherheitsanalyse Für die Unsicherheitsanalyse für das System wurde ein mathematisches Simulationsmodell erstellt, das alle Unsicherheiten berücksichtigt. Erlaubt Bestimmung der zu erwartenden Fehler bei der Auslegung Bestimmt Fehlerbudgets, erlaubt Optimierung des Systems Erlaubt Bestimmung der Unsicherheiten durchgeführter Messungen Winkelfehler Unsicherheiten Unsicherheiten (x) +/-10mrad (x) ~0.5 mrad (x) ~0.5 mrad

9 1. Vergleich zu Photogrammetrie Abweichungen gering Validierung Deflektometrie höher aufgelöst und weniger verrauscht Photogrammetrie Deflektometrie

10 Validierung 2. Messung Wasseroberfläche als perfekt planes Referenzobjekt: Abweichungen gering, passen zu Unsicherheitsanalyse Abweichungen (x) Sigma <0.3 mrad Abweichungen (y) Sigma <0.3 mrad

11 Statischer Laborprüfstand: Erreichte Messgenauigkeiten und -geschwindigkeiten Messfehler: <0.5 mrad Maximale Auflösung: ~2 Millionen Messstellen pro Spiegel Aufnahmezeit: Auswertezeit: ~30s pro Messung ~60s pro Messung (auflösungsabhängig)

12 Flexibler Einsatz für verschiedene Konzentratoren Dishes Heliostate Facetten (Fresnel, Dishes, Parabolic Trough)

13 Erweiterung zum dynamischen Messsystem Im realen Kraftwerksbetrieb treten auch dynamische Formabweichungen der Spiegel durch Windkräfte auf Derzeit herrscht aufgrund fehlender Messmöglichkeiten noch Unklarheit über die genauen Auswirkungen dieser Windlasten, insbesondere der Schwingungen der Glasspiegel Das statische Messverfahren soll für dynamische Vermessung der Deformationen von schwingenden Spiegeln weiterentwickelt werden

14 Anforderungen an dynamisches Messsystem Analyse der auftretenden Kollektorbewegungen durch Messung mit Beschleunigungssensoren Frequenzen: dominant: ~2Hz vereinzelt auch bis ~20Hz Auslenkung: wenige mm Stand der Technik statische Messung: Serie von 24 Fotos, Aufnahmezeit ~30sec Anforderungen dynamische Messung: Gewünschte Messfrequenz: 50Hz Anzahl der Streifenbilder muss reduziert werden Bildaufnahmefrequenz muss erhöht werden

15 Reduktion der Bildanzahl 1. Entfaltung: Rohdaten Phasenkarten Anstatt verschiedener Periodenlängen: 2pi 14pi 12pi Nur eine Periodenlänge Floodfill Algorithmus detektiert 2π auf 0 Übergänge addiert Vielfache von 2π 2π 0π 1pi Rohdaten 0pi Entfaltung 14π 0π 10pi 8pi 6pi Rohdaten Entfaltet 4pi 2pi 0pi Streifenmuster statt 90 -Phasen 3. Nutzung von Farbkanälen (RGB) +

16 Maximale Messfrequenz Digitale Videokamera mit 60 Bildern/Sekunde bei knapp 1 Million Bildpixeln Linienfokussierende Konzentratoren: Messung der Winkelabweichungen in Krümmungsrichtung ausreichend Statische Streifenprojektion Messfrequenz 60Hz Punktfokussierende Konzentratoren: Messung der Winkelabweichungen in beide Richtungen wichtig Flüssigkristalle in Projektor sind träge Umschalten von vertikalem auf horizontales Streifenmuster ~0.1s Messfrequenz 10Hz

17 Messergebnisse Dynamische Anregung: geschwenkt mit 2Hz, verformt mit 14Hz 60 Bilder/s, konstante Projektion Winkelfehler (x) [mrad]

18 Validierung Statisch, farbkodiert Statisch, Serie mit Graubildern Integration von: -Winkeln -Beschleunigungen

19 Zusammenfassung und Ausblick Deflektometrisches Messsystem kann flexibel für verschiedene Arten von Konzentratoren eingesetzt werden Statischer Prüfstand im QUARZ-Labor aufgebaut Unabhängige Messungen für Industriekunden können durchgeführt werden Dynamisches Messsystem entwickelt und validiert Dynamische Messung im Labor und im Feld durchgeführt Feldmessungen mit realen Windbedingungen stehen noch aus