Bestimmung der Nachführgenauigkeit an einem linearen Fresnel ...

Bestimmung der Nachführgenauigkeit an einem linearen Fresnel-Kollektor Seite 1
SENCE Forschungsprojekt SS2011 – B. Eng. Paul Lais
Projektthema:
Bestimmung der Nachführgenauigkeit an einem linearen Fresnel-
Kollektor, Industrial Solar GmbH
Aufgabenstellung:
Diese Projektarbeit entstand im Rahmen einer achtwöchigen Praktikumstätigkeit, welche im
Masterstudiengang Sustainable Energy Competence, von kooperierenden Hochschulen in
Baden-Württemberg, einen wesentlichen Bestandteil des Studiums darstellt. Sie wurde bei
der noch jungen und innovativen Firma Industrial Solar GmbH in Freiburg durchgeführt, die
sich seit Jahren mit der Weiterentwicklung eines von der Firma entwickelten linearen Fresnel-Kollektors
beschäftigt.
Die Aufgabenstellung dieser Projektarbeit lag darin, die Nachführgenauigkeit der Spiegelreihen
des Kollektors zu bestimmen. Dazu sollten sowohl vorhandene Messdaten eines früheren
Kollektors ausgewertet, als auch Messungen am aktuellen Kollektor vorgenommen werden.
Die Hauptaufgabe, die in der beschriebenen Praktikumstätigkeit zu erledigen war, lag
darin, ein Programm zu schreiben, welches die vorhandenen Messdaten automatisch auswerten
kann.
Mit diesen Daten sollen Entwicklungs- und Marketingabteilung entweder die Bestätigung für
eine makellose und vorbildliche Nachführung, oder Hinweise auf noch unbekannte Schwierigkeiten,
erhalten.
Der lineare Fresnel-Kollektor von Industrial Solar
Der lineare Fresnel-Kollektor von Industrial Solar ist ein konzentrierender, linienfokussierender
Solarkollektor für industrielle Prozesswärme von bis zu 400°C. Elf Spiegelreihen mit einer
Gesamtbreite von 7,5 m bündeln die Energie der Sonne auf einem in vier Meter Höhe
liegenden Absorberrohr um die Oberfläche des wärmeführenden Mediums klein und damit
die Wärmeverluste gering zu halten. Während das Absorberrohr im Receiverkasten fest
montiert ist, werden die Spiegelreihen einachsig einzeln der Sonne nachgeführt. Pro Spiegelreihe
ist damit je ein Motor notwendig um die Reihen unabhängig voneinander zu bewegen.
Der über der Mitte der Spiegelreihen platzierte Receiverkasten enthält neben dem
Absorberrohr auch einen Sekundärreflektor, welcher dem Absorberrohr ungenau reflektierte
Strahlen mit einem geringen Verlust des Wirkungsgrades zuführt. Der Kollektor ist in 4 m
lange Module aufgeteilt, wodurch er sich für verschiedene Leistungsklassen schnell und
günstig anpassen lässt. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung.
Abbildung 1

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Kleine Fresnel-Kollektoren werden derzeit vorwiegend für den Betrieb von Absorptionskältemaschinen
und folglich für die solare Kühlung von Gebäuden in Gebieten mit hohem Direktstrahlungsanteil
der Sonne genutzt.
Bestehende Messdaten
Zu den alten Messdaten gehören insgesamt 8379 Fotoaufnahmen, die sich folgendermaßen
zusammensetzen:
03.11.2008: 2175 Bilder
13.11.2008: 737 Bilder
14.11.2008: 5467 Bilder
Messdaten in Form von herkömmlichen Digitalfotos, wie sie hier vorliegen, wirken im ersten
Moment eher ungeeignet, da sie die Position der Brennflecken nicht direkt durch Zahlen darstellen,
welche sich einfach auswerten ließen. JPEG-Bilder sind komprimierte Bildinformationen,
mit denen zunächst nicht viel anzufangen ist. Sie lassen sich jedoch relativ einfach in
andere Dateiformate wie z. B. *.pic oder *.txt wandeln, welche zwar deutlich mehr Speicherplatz
benötigen, dafür aber jedem der sechs Millionen Pixel eine genaue Farbe zuweisen.
Wandelt man diese Bildinformationen zusätzlich noch in ein Schwarz-Weiß-Bild, so lassen
sich helle Brennflecken auf dunklem Hintergrund erkennen. Die Brennflecken entstehen
durch Abkleben des Großteils der Spiegel. Sie sind notwendig um Ausrichtungsdifferenzen
zwischen zwei Spiegeln heraus rechnen zu können, was bei vollständigen Brennlinien nicht
möglich
wäre.
Die Brennflecken bestehen jedoch nicht aus einem einzelnen weißen Punkt, sondern aus
zehntausenden Bildpunkten verschiedener Helligkeitsstufen. Aus diesem Grund muss ein
Schwerpunkt für jeden Brennfleck gefunden werden.
Messdaten Auswerten
Um tausende Bilder einer Messreihe zuverlässig auswerten zu können, muss ein Skript geschrieben
werden, welches jedes Bild einzeln erfassen und in brauchbare Koordinaten wandeln
kann. In diesem Projekt wurde dazu ein Programm entwickelt, welches diese Aufgabe
den Anforderungen entsprechend erfüllen kann.
Im Programm werden die Bilder automatisch nacheinander eingelesen, optisch für die Auswertung
aufgewertet und anschließend ausgewertet. Da Bildverarbeitung hohe Rechenleistung
voraussetzt, liegt eine der Herausforderungen darin, das Programm so ablaufen zu lassen,
dass die Rechenzeit nicht auf mehrere Tage ansteigt. Die Ergebnisse, welche aus bis
zu 15 Informationen pro Bild bestehen, werden zunächst in einer Textdatei gesammelt und
können nach vollständigem Durchlauf des Programms in Excel importiert werden. Für eine
brauchbare Analyse werden in Excel einige Formeln eingebaut, welche diese Messdaten
dann weiterverarbeiten und in Diagrammen darstellen.
Abbildung 2

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Neue Messung
Da die vorhandenen Daten am alten Kollektor aufgenommen wurden, sollten als Nächstes
Messungen am neuen bzw. weiterentwickelten Kollektor vorgenommen werden, um sie anschließend
mit dem zuvor erstellten Programm auszuwerten. Wegen der begrenzten Zeit
wurde beschlossen die Messung ähnlich aufzubauen, wie sie schon beim alten Kollektor
durchgeführt wurde (siehe Abbildung 3). Lediglich bis zu diesem Zeitpunkt erkannte Defizite
sollten so weit möglich ausgebessert oder vermieden werden. Dazu gehören Größe des
Targets und der Brennflecken, Abstand zwischen Brennflecken, Material und Koordinatensystem
auf dem Target.
Abbildung 3
Während der ersten Messungen sind verschiedene Probleme aufgetreten, die entweder sofort
oder bei der nächsten Messung ausgebessert werden mussten. Dies sind z. B.
Verschattungen oder Vereisungen der Spiegel, wie Abbildung 4 zeigt.
Abbildung 4

Bestimmung der Nachführgenauigkeit an einem linearen Fresnel-Kollektor Seite 4
Messergebnisse
An insgesamt acht Tagen konnten Nachführungsmessungen vorgenommen werden. Während
einige Messungen aufgrund von Bewölkung nur wenige Stunden Messmaterial liefern
konnten, wurden zwei Spiegelreihen an drei Tagen über jeweils ca. 10 Stunden genau unter
die Lupe genommen. Alle Messungen über 2-4 Stunden zeigen die kurzfristige Nachführung,
also bei wie viel Grad Abweichung die jeweilige Spiegelreihe nachgeführt wird. Zudem wurden
Trends über den Tagesverlauf deutlich. Die besten Messungen mit Diagrammen von
über 10 Stunden Dauer zeigen neben der kurzfristigen Nachführgenauigkeit und groben
Trends auch einen sehr genauen Verlauf über den gesamten Tag.
Zusammenfassung & Ausblick
Die Hauptaufgabe des Projekts lag darin ein Programm zu schreiben, was die bereits vorhandenen,
sowie zukünftige Messbilder auswerten kann. Im Rahmen dieses Projektes wurde
das gewünschte Programm entwickelt, welches zusammen mit einer Excel Vorlage, die
Nachführgenauigkeit der gemessenen Spiegelreihe in Grad darstellen kann.
Im weiteren Projektverlauf wurde eine neue Messung am Fresnel-Kollektor in Freiburg-
Hochdorf geplant, aufgenommen und mit der Software zur Auswertung der Messbilder ausgewertet.
Durch das außergewöhnlich gute Wetter während der Messungen konnten teils
über zehn Stunden Nachführung an einem Stück dokumentiert werden.
Beide Messreihen wurden für die Firma zur weiteren Untersuchung ausgewertet. Im Folgenden
werden diese Daten durch Umrechnung mit weiteren Parametern vom Betreuer weiter
aufgewertet. Mit Hilfe dieser Daten können die beiden Kollektortypen verglichen, Fehler aufgedeckt
und wenn möglich beseitigt werden. Sollten Fehler mit der Ausrichtung der Anlage
zusammenhängen, könnten die erstellten Diagramme im besten Fall auch dabei helfen diese
zu beheben.
Bereits jetzt sind aufgrund der bisherigen Ergebnisse weitere Messungen für den Herbst
dieses Jahres geplant. Zur Auswertung wird vermutlich erneut das hier erstellte Skript verwendet.
Sollten in Zukunft weitere Nachführungsmessungen stattfinden, wird empfohlen einige im
Projektbericht aufgeführte Verbesserungen an der Software vorzunehmen. Hierdurch kann
zusätzlich Zeit gespart werden.
Nebenbei konnten während der Messung verschiedene Phänomene festgehalten werden,
welche durch die aufmerksame Protokollierung ins Auge gefallen sind. Diese wurden zur
weiteren Beobachtung innerhalb der Firma vertraulich weiter gegeben.
Die Nachführgenauigkeit an beiden Fresnel-Kollektoren konnte mit Hilfe dieses Projektes
erfolgreich bestimmt werden.