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Abb. 31 HelioThrough-Kollektor-Testloop im Kraftwerk SEGS-V in Kalifornien
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Abb. 32 Der Reflex des Absorberrohres in den Spiegelfacetten eines Parabolrinnenmoduls verrät Steigungsfehler (Form) der Spiegel.
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Abb. 33 Auf einem Heliostat reflektiertes Streifenmuster.
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Abb. 34 Ein Quadrocopter misst deflektometrisch Parabolrinnen-Konzentratoren aus der Luft.
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Abb. 35 Steigungsabweichungen eines Parabolrinnenkollektors werden mit der Software QFly gemessen.
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Abb. 36 Photogrammetrische Messung: Der Kollektor wird aus verschiedenen Winkeln fotografiert.
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Tests und Qualitätssicherung

Die Qualität von Komponenten und Systemen in solarthermischen Kraftwerken ist ein entscheidendes Kriterium, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen und die Kosten zu senken. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von geeigneten Messmethoden und -geräten, um Schwachstellen sichtbar zu machen und diese anschließend zu verbessern.

Vor Einführung neuer Materialien und Komponenten in den Markt bis hin zum optimierten Betrieb von kompletten Anlagen ist eine Qualitätssicherung mit geeigneten Test und Qualifizierungsmethoden notwendig. Dabei handelt es sich um entsprechende Instrumente, Prüfstände und Messabläufe aber auch langfristige Aspekte, wie die Alterung der Komponenten, was unter realistischen Betriebsbedingungen abgedeckt werden muss. Mit Markteinführung solarthermischer Kraftwerke nimmt die Bedeutung dieses Bereichs weiter zu. Konzentratorspiegel spielen eine Schlüsselrolle beim effizienten Einsatz der Technik. Wichtige Messgröße ist der solar gewichtete, gerichtete Reflexionsgrad. Dieser gibt an, welcher Anteil der eintreffenden Strahlung innerhalb eines bestimmten Raumwinkels reflektiert wird und bestimmt damit, wie viel Strahlung auf den Receiver trifft. Der Reflexionsgrad wird mit dem tatsächlichen Sonnenspektrum gewichtet, um nur die nutzbaren Anteile des Lichts mit einzubeziehen.

Ziel ist, einen möglichst hohen Reflexionsgrad über eine möglichst lange Dauer zu erhalten. Es gibt verschiedene Typen von Spiegelmaterialien, von denen sich vor allem die Glasspiegel als tauglich erwiesen. Es gibt zurzeit zwei Gruppen von alternativen Materialien zu herkömmlichen Glasspiegeln: Aluminiumspiegel und Folien. Die ersten bestehen aus anodisierten Aluminiumblechen, auf denen reflexionserhöhende und schützende Schichten aufgebracht werden. Bei den Folien sind diese Schichten auf eine sehr dünne Polymerschicht aufgebracht. Beide Typen können möglicherweise kostengünstiger hergestellt, leichter installiert und flexibler eingesetzt werden.

Veränderungen im Aufbau und Neuentwicklungen von Konzentratoren zwingen dazu, dass deren Qualität für einen langjährigen Außeneinsatz getestet wird. Dafür werden neben lang andauernden Außenbewitterungstests auch beschleunigte Alterungstests durchgeführt. In der Regel werden dabei Umwelteinflüsse (z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Verschmutzung) verschärft, um die natürlich auftretende Degradation zu beschleunigen. Materialien müssen in einer festgelegten Dauer in diesen Tests widerstehen, ohne zu stark zu degradieren. Degradationsmechanismen sind Korrosionserscheinungen sowie Veränderungen an der Oberfläche (Abrasion, Verschmutzung).

Geprüfte Qualität

Da konzentrierende Solarkollektoren die einfallende Solarstrahlung auf einen Empfänger (Receiver) umlenken sollen, ist neben dem Anteil der reflektierten Strahlung (bestimmt durch den gerichteten Reflexionsgrad) auch die Richtung der reflektierten Strahlung von maßgeblicher Bedeutung. Letztere wird bestimmt durch die Einhaltung der idealen Spiegelform bzw. der Spiegelsteigung.

Zur präzisen Vermessung wird ein optisches Messverfahren verwendet, welches auf der Methode der Deflektometrie beruht. Dabei wird eine Serie von Streifenmustern auf ein ebenes Target projiziert, die vom Spiegel reflektierten und deformierten Muster mit einer Kamera aufgenommen und die Abweichungen zur idealen Spiegelsteigung berechnet. Das Verfahren erlaubt die Messung und Bewertung von Einzelspiegeln beliebiger Geometrie im Labor, in der Spiegelfertigung und später im Solarfeld.

Aktuelle Forschungsaktivitäten zielen auf die Standardisierung der Messrandbedingungen (z. B. Ausrichtung der Spiegel im Prüfaufbau, zu verwendende Haltestruktur), die Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf den eingebauten Zustand und die Einhaltung der Spiegelsollform in verschiedenen Betriebspunkten ab. Dazu werden Finite-Elemente-Modelle entwickelt und die einzelnen Einflussfaktoren untersucht.

Zur Sicherstellung der Qualität solarthermischer Kraftwerke ist neben der Qualitätsprüfung der einzelnen Komponenten auch eine Qualitätssicherung bei Montage der Kollektoren, des Solarfeldes und des gesamten Kraftwerks nötig. Hier sind in der Regel produktionsintegrierte Mess- und Qualifizierungsverfahren aufgrund der direkten und zeitnahen Möglichkeit der Einflussnahme auf die Produktionsparameter den Feldmessverfahren vorzuziehen. Aufgrund der Kollektorgröße lassen sich jedoch nicht alle Qualifizierungsmaßnahmen in der Fertigungshalle durchführen. Deshalb werden auch Messverfahren für bereits aufgebaute Solarfelder benötigt. Feldmessverfahren werden zudem für Abnahmemessungen bei Inbetriebnahme von Solarfeldern eingesetzt oder zur gezielten Durchführung von Instandhaltungsarbeiten nach einigen Betriebsjahren.

Je mehr Solarstrahlung auf den Receiver trifft, umso mehr Strahlungsenergie wird mit einem Kollektorsystem gesammelt. Wird diese Maximierung des sogenannten Interceptfaktors ohne eine Erhöhung des Materialeinsatzes erreicht, kann das Kraftwerk günstiger elektrischen Strom erzeugen.

Spiegelformen vermessen

Häufig werden gekrümmte Spiegelfacetten auf einer Tragestruktur zusammengesetzt, um daraus z. B. eine linearkonzentrierende Parabolrinnenanlage oder einen punktkonzentrierenden Heliostaten für Turmkraftwerke zu bilden. Bei der Prototypentwicklung und im Herstellungsprozess von Spiegelfacetten sollte die Spiegelform vermessen werden. Bei der späteren Montage der Spiegelfacetten muss sichergestellt werden, dass die Facetten richtig auf der Haltestruktur ausgerichtet werden. Zudem muss die Haltestruktur geometrischen Anforderungen gerecht werden. Zur Vermessung der Form bzw. auch der Verformung unter z. B. Gravitationseinfluss werden häufig photogrammetrische Messmethoden angewendet (Abb. 33). Dabei werden auf die zu untersuchende Kollektorstruktur Marker aufgebracht, und diese dann aus unterschiedlichen Winkeln abfotografiert. Aus diesen zweidimensionalen Digitalfotos kann eine Photogrammetrie-Software die dreidimensionale Geometrie rekonstruieren, und es kann überprüft werden, ob die Geometrie der Kollektorstruktur innerhalb ihrer Toleranz liegt.

Deflektometrische Messverfahren werden angewendet, um die Abweichung der Spiegelsteigung bzw. -form von ihrem Sollwert zu messen. Hierfür wird eine Serie von auf der Spiegeloberfläche reflektierten Streifenmustern (Abb. 35) mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. Bei einer solaren Turmanlage kann die Bildaufnahme von einem zentralen Punkt auf Turmhöhe gemacht werden. Bei einer Parabolrinnen-Anlage existiert kein zentraler Punkt, sondern eine Fokallänge, in der das Receiverrohr installiert wird. Der Reflex dieses Rohres kann auf den Spiegeln der Parabolrinne fotografiert und die Daten prozessiert werden. Die Kamera kann dabei ortsfest am Boden stehen oder mit Hilfe einer fliegenden Plattform über das Solarfeld bewegt werden (Infobox QFly). Bei dem Messsystem QFly werden photogrammetrische und deflektometrische Techniken im Zusammenspiel mit automatischer Bildverarbeitung und -auswertung benutzt.

Kollektorqualifizierung aus der Luft

Luftgestützte Messsysteme helfen, komplette Solarfelder optisch zu untersuchen. QFly (Abb. 34) nennt sich ein Messsystem, bestehend aus einer Flugdrohne, die wahlweise eine CCD-Kamera oder eine Infrarotkamera mit sich trägt. Je nach Einsatzzweck überfliegt QFly das Solarfeld in unterschiedlichen Routen und nimmt dabei Bilder im sichtbaren oder im Infrarotbereich des Spektrums auf. Aus den Bildern im sichtbaren Spektralbereich kann über deflektometrische Verfahren die Formtreue der Spiegeloberfläche bestimmt werden (Abb. 35). Ergänzend werden Ansätze aus der Photogrammetrie genutzt, um unter anderem Abweichungen des Absorberrohrs, von der Brennlinie zu detektieren. Damit lassen sich Verformungen der Struktur erkennen. Zudem kann mit diesen Daten der optische Wirkungsgrad der gesamten Anlage mittels Strahlverfolgung bestimmt werden. Aus den Infrarot-Bildern lässt sich die Oberflächentemperatur der Glashüllrohre der Absorber bestimmen. Selbst bei 400 °C Betriebstemperatur sind diese Hüllrohre im Idealfall nur „handwarm“, dank der selektiven Beschichtung und des Vakuums im Inneren. Bei defekten Absorbern steigt die Hüllrohrtemperatur, was sich wiederum in den IR-Bildern erkennen lässt.

Merkzettel

Service

BINE-Themeninfo II/2013
(PDF, 20 Seiten, 2,8 MB)

Infotipp

Sonnenenergie in der Erde speichern
BINE-Projektinfo 01/2013

Die Sonnenseiten des Sattdampfes
BINE-Projektinfo 11/2011

Solarthermische Kraftwerke werden Praxis
BINE-Projektinfo 07/2008

Thermische Solaranlagen
BINE-basisEnergie Nr. 4

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

0325046
0325048 A-B
0325086 A-D
0325119A
0325144 B-D
0325112 A-C
0325232