3. Oldenburger 3D-Tage, Fachhochschule OOW, 28.-29.01.2004; Oldenburg Digitale Nahbereichsphotogrammetrie als Hilfsmittel zur Analyse von Parabolrinnen-Kollektoren für Solarkraftwerke Klaus POTTLER, Eckhard LÜPFERT, Birte SCHRADER Zusammenfassung Die digitale Nahbereichsphotogrammetrie hat sich als präzise und effiziente Technik zur Vermessung der Reflektorgeometrie konzentrierender Sonnenkollektoren und deren Komponenten erwiesen. Insbesondere die Analyse gekrümmter Spiegeloberflächen ist über andere Messtechniken nur schwierig zugänglich. Der Beitrag erläutert die Hindergründe für die Notwendigkeit dieser Messungen und gibt Beispiele von Messergebnissen, die an Komponenten von Parabolrinnenkollektoren (Modulfläche rund 12 m x 6 m) gewonnen wurden. Hierbei wurden Einrichtgenauigkeiten und thermische Verformungen von Montagevorrichtungen sowie Montagegenauigkeiten und gravitationsbedingte Durchbiegungseffekte an einzelnen Kollektormodulen untersucht. Eine Darstellung der photogrammetrischen Analyse von Spiegelfacetten und ein Ausblick auf den Nutzen dieser Daten für Strahlverfolgungsrechnungen (Ray-Tracing) zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Großflächenkollektoren schließen den Beitrag ab. 1 Einleitung Ab Mitte der achtziger Jahre wurden in der kalifornischen Mohave-Wüste neun kommerzielle Solarkraftwerke zur solarthermischen Stromerzeugung mit einer elektrischen Gesamtkapazität von 354 MW aufgebaut. Aufgrund der im Vergleich zu Photovoltaikanlagen niedrigen Stromgestehungskosten wurde dabei auf linienkonzentrierende Parabolrinnenkollektoren zurückgegriffen, die ein Thermoöl im Absorberrohr auf etwa 400 C erhitzen und damit Dampf für eine konventionelle Dampfturbine erzeugen. Diese SEGS (Solar Electricity Generating System)-Kraftwerke haben bisher etwa die Hälfte des weltweit erzeugten Solarstroms produziert. Abb. 1 zeigt ein Luftbild von einem Teil des Kraftwerks. Abb. 1: SEGS-Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien
2 Klaus Pottler, Eckhard Lüpfert, Birte Schrader In den kalifornischen Kraftwerken wurden Parabolrinnenkollektoren der israelischen Firma Luz eingesetzt. Ende der 90er Jahre wurde von einem europäischen Konsortium der EuroTrough -Kollektor entwickelt, der in Abb. 2 dargestellt ist. Abb. 2: Vier Module eines EuroTrough-Kollektors auf dem PSA-Testgelände Er basiert auf seinen kalifornischen Vorläufern, besteht aus einer Trägerstruktur aus verzinktem Stahlrohr in Fachwerkstruktur mit Cantileverarmen, auf denen Spiegelfacetten befestigt sind. Sie trägt ebenfalls die Halterungen für die Absorberrohre. Der Reflektor eines EuroTrough-Moduls besitzt zwei verschiedene Typen von Spiegelfacetten. Die Facetten bestehen aus silberbeschichtetem Floatglas von 4 mm Dicke und erhalten ihre spezifische parabolische Krümmung in einem thermischen Prozess. Bei der Montage der EuroTrough-Kollektoren aus den Einzelkomponenten werden Vorrichtungen verwendet, in denen jeweils ein Modul von 12 m Länge seine millimetergenaue Parabelform erreichen muss (siehe Abb. 3), anschließend werden die Module bespiegelt und in die Stützen gehängt. Ein hydraulischer Antrieb mit entsprechender Steuerung sorgt für die Ausrichtung von bis zu 12 Modulen auf den Stand der Sonne. Auf dem Absorberrohr von 70 mm Durchmesser wird eine Strahlungskonzentration von größer 50 erreicht. Abb. 3: Montagevorrichtung ohne und mit aufgesetzter Kollektorstruktur
Nahbereichsphotogrammetrie zur Analyse von Parabolrinnen-Kollektoren für Solarkraftwerke 3 2 Messaufgaben und -ausrüstung Um einen hohen Ertrag und hohe Temperaturen im Solarfeld zu erreichen, sind für die Montage der Kollektormodule Lage- bzw. Winkeltoleranzen spezifiziert, die für den Stahlbau ungewöhnlich klein sind. Für die Kontrolle von Maßen an der Montagevorrichtung und an gefertigten Modulen wird unter anderem die Nahbereichsphotogrammetrie eingesetzt. Zum einen können damit Maße der funktionsrelevanten Befestigungspunkte von Spiegeln, Absorberrohr und Kollektorachse ermittelt werden. Zum anderen werden die Reflektoroberflächen mit Hilfe von sehr dichten Punktmustern analysiert. Die Messdaten werden mit der idealen parabolischen Form verglichen. Die Messausrüstung besteht aus einer Rollei d7metric-digitalkamera mit 5MP-Bildsensor und fest montiertem Weitwinkelobjektiv mit 7,5 mm Brennweite. Zielpunkte werden durch Projektion, retro-reflektierende Klebefolien oder über mit großflächigen Punktmustern bedruckte Klebefolien erzeugt. Zur Skalierung werden bei kleineren Objekten zwei 1,4 m lange vom PTB auf 20 Mikrometer genau vermessene Kohlefaser-Maßstäbe, bei größeren Objekten ein kalibriertes Bandmaß eingesetzt. Als Photogrammetrie-Software wird das britisch/australische Vision Measurement System (VMS) benutzt. Zur Weiterverarbeitung der Daten wurden spezielle MATLAB-Programme entwickelt. 3 Messungen 3.1 Thermische Dilatation der Montagevorrichtung Die Montage des EuroTrough-Kollektors erfordert eine etwa 12 m x 6 m große Montagevorrichtung mit Toleranzvorgaben für die Montagepunkte von ± 0,25 mm. Neben der Kontrolle der Einrichtgenauigkeit ist die Langzeitstabilität wichtig. Das folgende Beispiel zeigt die auftretenden Formänderungen des sich an der PSA befindlichen ersten Prototypen der Vorrichtung durch thermische Ausdehnung des Betonfundamentes. Die Montagevorrichtung wurde am Morgen und am Nachmittag vermessen. Zwischen den Aufnahmeserien erwärmte sich das Fundament durch Sonneneinstrahlung um etwa 10 K, während sich die Stahlstruktur aufgrund konstanter Lufttemperatur und leichtem Wind nur um 3 K erwärmte. Da das Montagegestell zwischenzeitlich nicht mechanisch belastet worden war, können Formänderungen nur durch Wärmedehnung bedingt sein. Eine Skalierung der Photogrammetrie-Ergebnisse aufeinander ergab einen plausiblen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 14 10-6 K -1 für das Stahlbetonfundament. Zusätzlich hierzu wurden Höhenänderungen am Stahlgestell in der Größenordnung von 0,7 mm nachgewiesen, die schon vorher vermutet worden waren. Diese Verwerfungen werden in Abb. 4 sichtbar und sind durch thermische Deformationen des Fundamentes verursacht. Da die hier festgestellten Deformationen größer sind, als vom Kollektordesign erlaubt, wird die Montage in verschatteten Bereichen durchzuführen sein.
4 Klaus Pottler, Eckhard Lüpfert, Birte Schrader Abb. 4: Thermisch induzierte Höhenänderungen (mm) einer EuroTrough- Montagevorrichtung nach Vergleich der kalten mit der warmen Struktur 3.2 Kollektorstruktur ohne Konzentratorspiegel Im folgenden wird dargestellt, welche Erkenntnisse aus der Vermessung einer unbespiegelten Kollektorstruktur erhalten werden können. Abb. 5 zeigt ein Kollektormodul mit retro-reflektierenden Zielpunkten auf allen 112 Spiegelbefestigungspunkten. Abb. 5: Struktur eines EuroTrough-Moduls mit Zielpunkten auf den Spiegelbefestigungspunkten Die photogrammetrische Vermessung umfasste mit 92 Fotos unüblich viele Aufnahmen, um ungünstige Aufnahmebedingungen zu kompensieren. Es wurde eine Messpräzision von etwa 0,2 mm erreicht. Abb. 6 zeigt eine Grafik der Ergebnisse der Messung. Die beiden maximalen Höhenabweichungen (linke und rechte Ecken oben im Bild) kennzeichnen zwei falsch montierte, später korrigierte Spiegelhalteklammern. Die Standardabweichung aller gemessenen Höhenabweichungen von den Sollwerten beträgt rund 1 mm. Die Durchbiegung der Struktur, die an der Achse rechts und links außen aufgehängt war, kann an den tiefer liegenden Messpunkten in der Mitte der Struktur erkannt werden.
Nahbereichsphotogrammetrie zur Analyse von Parabolrinnen-Kollektoren für Solarkraftwerke Abb. 6: Abweichungen der Designhöhen in mm EuroTrough-Spiegelbefestigungspunkte von 5 den 3.3 Kollektorstruktur mit Konzentratorspiegel Nach Vermessung der Struktur wurden je 13 Zielpunkte auf die Spiegel aufgebracht und diese an der Struktur befestigt. Das derartig ausgestattete Kollektormodul mit den montierten 28 Facetten ist in Abb. 7 dargestellt. Abb. 7: EuroTrough-Kollektorelement mit Zielpunkten auf den Konzentratorspiegeln Die Zielpunkte sind auf der Glassoberfläche aufgeklebt und befinden sich damit ungefähr 4 mm über der reflektierenden verspiegelten Rückseite. Da die Kollektorachse nicht (mit der nötigen Genauigkeit) gemessen werden konnte, wurde die Koordinatentransformation in ein Referenz-Koordinatensystem unter Zuhilfenahme der Solldaten für die Parabelform durchgeführt. Abb. 8 zeigt die Sollwertabweichungen der Oberflächenmesspunkte nach der Spiegelmontage.
6 Klaus Pottler, Eckhard Lüpfert, Birte Schrader Abb. 8: 60fach überhöht dargestellte Höhenabweichungen der Spiegeloberfläche eines EuroTrough-Kollektors Eine Aussage über die erreichte Konzentratorgenauigkeit wird möglich, indem man benachbarte Spiegelmesspunkte paarweise auf ihre Winkelabweichung von der idealen Parabelgeometrie betrachtet. Aufgrund der Geometrie interessieren hier insbesondere die Abweichungen in Richtung quer zur Symmetrie-Achse, die in Abb. 9 dargestellt sind. Abb. 9: Transversale Steigungsfehler zwischen benachbarten Messpunkten in mrad für den oben gezeigten Kollektor. Positive Werte markieren Flächen, an denen reflektierte Strahlen den Absorber oberhalb der Fokallinie passieren.
Nahbereichsphotogrammetrie zur Analyse von Parabolrinnen-Kollektoren für Solarkraftwerke 7 Die daraus ermittelte Standardabweichung aller Steigungsfehler von 1,8 mrad ist deutlich niedriger als der Maximalwert zum Erreichen des gewünschten Konzentrationsverhältnisses. Neben der Identifizierung einzelner Montagefehler konnte also vor allem nachgewiesen werden, dass das Montagekonzept die Genauigkeitsanforderungen an die Kollektormodule erfüllen konnte. 3.4 Oberflächen von Spiegelfacetten Um eine solide Datenbasis für Strahlverfolgungsrechungen zur Berechnung des optischen Wirkungsgrades zu erhalten, wurden am EuroTrough-Kollektor eingesetzte Spiegelfacetten detailliert mit großer Punktzahl und hoher Auflösung vermessen. Abb. 10 zeigt zwei Facetten mit Aperturen von 1,2 m x 1,7 m und 1,6 m x 1,7 m mit etwa 7000 Messpunkten auf den Facetten. Der Abstand der Messpunkte voneinander beträgt 30 mm. Da sich die Glasspiegel durch die Gewichtskraft verformen, wurden die Spiegel unter mehreren unterschiedlichen Neigungswinkeln vermessen. Abb. 10: Zwei nebeneinander montierte EuroTrough-Spiegelfacetten (halbe Konzentratorparabel) mit 7000 Messpunkten zur Untersuchung von Durchbiegungseffekten Aus den Messpunkten lassen sich die Flächen beschreiben, die sich für Strahlverfolgungsrechnungen und weitere Analysen der tatsächlichen Kollektorgeometrie eigenen. Abb. 11 zeigt die Abweichungen der beiden Spiegel von den Sollformen für drei Kollektorpositionen (Sonnenaufgang, Zenith, Sonnenuntergang).
8 Klaus Pottler, Eckhard Lüpfert, Birte Schrader Abb. 11: Durch Eigengewicht verursachte Formänderungen von Spiegelfacetten (Abweichungen von der Parabelgeometrie) 4 Zusammenfassung An Vorrichtungen und Kollektormodulen wurde die Montagegenauigkeit von großen Parabolrinnenkollektoren vermessen. Dabei konnte durch Einsatz geeigneter Messadapter eine Netzwerkgenauigkeit der Photogrammetrie unter den Messbedingungen im Solarfeld erreicht werden, die zu detaillierten Aussagen über die Produktqualität der Kollektoren führen. Derartige Methoden lassen sich zur Qualitätskontrolle in der Serienfertigung von Solarfeldern einsetzen. Die Vermessung von Konzentratoren mit einem engmaschigen Punktgitter dient als Grundlage für Strahlverfolgungsrechungen. Diese Rechnungen zeigen das Leistungspotential realer Kollektoren über deren Betriebsparameter und dienen der Optimierung dieser Systeme. Die Arbeiten wurden auf der Plataforma Solar de Almería mit finanzieller Unterstützung von EU (ERK6-CT1999-00018) und Bundesumweltministerium (Parasol/OPAL) durchgeführt.