Here Comes the Sun

Solarkraftwerk von eSolar in der kalifornischen Wüste nutzt Prosilica GigE Vision Kameras, um Spiegel optimal zu lenken.

 

eSolar mit Sitz in Pasadena, Kalifornien, ist eines der sechs jungen Unternehmen, die gegenwärtig solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Sonneneinstrahlung – sogenannte CSP-Kraftwerke (Concentrated Solar Power) – in der südkalifornischen Wüste aufbauen.

Gebündelte Sonneneinstrahlung
eSolar entwickelt CSP-Kraftwerke auf der Grundlage massengefertigter und kostengünstiger Komponenten, die für raschen Aufbau, Modularität und unbegrenzte Skalierbarkeit ausgelegt sind, um erschwingliche Solarenergie zu liefern. Eine wichtige Komponente der Lösung von eSolar sind die klein dimensionierten Heliostate. Heliostate sind Spiegel, die sich ständig neu ausrichten, um das Sonnenlicht in die Öffnung eines thermischen Absorbers auf einem Turm zu reflektieren. Mithilfe dieses konzentrierten Lichts wird Wasser im Absorber so erhitzt, dass Dampf entsteht. Der Dampf wird in eine Turbine geleitet und treibt einen Generator an. Danach wird der Dampf wieder zu Wasser abgekühlt, und der Prozess beginnt von Neuem.

Das Bedürfnis nach Bildverabeitung: Sonnenstrahlen gezielt umlenken

Während andere solarthermische Kraftwerke eine relativ geringe Anzahl von teuren und großen gewölbten Spiegeln zur Reflexion des Sonnenlichts verwenden, setzt eSolar tausende von kleinen Flachspiegeln ein. Mit einer Fläche von nur wenigen Quadratmetern – im Gegensatz zu den üblicherweise in der Branche verwendeten Spiegeln mit einer Fläche von Hunderten von Quadratmetern – werden die Heliostate von eSolar mit eingebauter Verdrahtung und den Motoren zur Verfolgung der Sonne vormontiert geliefert. Spiegelfelder werden zugunsten einer schnellen und kostengünstigen Installation nahe am Boden installiert. Dank eines ausgereiften Justiersystem bündeln die Spiegel ständig Sonnenlicht im Absorber. Das Justiersystem kann die Fertigungs- und Installationstoleranzen für jeden einzelnen Heliostat im Feld ausgleichen. Zentrales Element des Systems ist die Bildverarbeitung, die auf einer Anzahl von Kameras basiert, die um das Spiegelfeld aufgestellt sind. Indem die Toleranzen der Heliostaten korrigiert werden, erzielt eSolar niedrigere Gesamtkosten, da der Aufwand bei der Fertigung und für die individuelle Ausrichtung der Spiegel reduziert wird.

Die Lösung: Acht Prosilica GC750 GigE Vision Kameras
In der Anwendung von eSolar wird die ultrakompakte monochrome Prosilica GC750 mit einer Auflösung von 752x480 Pixeln verwendet. Diese GigE Vision Kamera besitzt einen leistungsfähigen 1/3“-Progressive-Scan-CMOS-Sensor mit guten Anti-Blooming-Eigenschaften. Die kommerzielle Demonstrationsanlage von eSolar mit einer Leistung von 5 MW in Südkalifornien verwendet acht Kameras, die im Umkreis des Feldes angeordnet und auf einzelne Türme montiert sind. Die Anlage besteht aus zwei benachbarten Modulen mit insgesamt 24.360 Heliostaten. Jedes Modul ist in zwei 175x95 m große Unterfelder mit jeweils 6.090 Spiegeln unterteilt, die das Licht auf einen zentralen thermischen Absorber reflektieren.Jede Kamera ist mit einem Edmund Optics 20-100mm Varifokal-Objektiv mit festem Fokus und während der Installation eingestelltem Zoom ausgestattet. Die Kameras befinden sich in Pelco-Gehäusen mit einem Sonnenschutz zur Wärmekontrolle und werden auf 27 m hohen Türmen an den Ecken der Felder montiert. Jede Kamera ist auf eines der vier 5x5 m großen weiß angestrichenen Stahlziele gerichtet, auf die die Spiegel das Licht projizieren. Die Ziele befinden sich in einer Entfernung von etwa 150 m von den Kameras und sind in einer Höhe von 36 m über dem Boden auf dem zentralen thermischen Absorber in jedem Feld montiert.Die vier Kameras im ersten Feld sind mit einem GigE-Switch verbunden, der an ein Fiberoptikkabel angeschlossen ist, das 200 m um die Anlage zu einem anderen GigE-Switch führt, an den die vier Kameras des angrenzenden Feldes angeschlossen sind. Weitere 300 m Fiberoptikkabel verbinden die Installation mit dem Steuerungsraum. Die erfassten Bilddaten werden gespeichert und anschließend über eine Hochgeschwindigkeits-Internet-Verbindung zur Analyse an ein 90 km entferntes Labor übertragen.

Einsatz in der Praxis: Funktionsweise

Die Spiegel sind so programmiert, dass sie die Sonne verfolgen und deren Licht auf das Zentrum eines Ziels fokussieren. Stichprobenartig werden Daten von Spiegeln in allen vier Unterfeldern über den Tag erfasst. Einzelne Frames werden in Intervallen von 30 Sekunden erfasst, wenn die verschiedenen Spiegel sich auf das Ziel ausrichten. Die Bilderfassung ist softwaregesteuert. Sobald das System die Bestätigung erhalten hat, dass ein Spiegel auf das Ziel zeigt, wird ein Bild aufgenommen. Hardware- und Sensorauslöser sind hierbei nicht notwendig. Nach Erfassung eines Bildes wird der Hintergrund automatisch entfernt, um das Abbild der Spiegelreflexion zu erhalten. Die Basisanalyse besteht aus dem Vergleich des Schwerpunkts des reflektierten Sonnenlichts mit dem Zentrum des Ziels. Ein perfekt ausgerichteter Spiegel wird während des Tages beständig das Sonnenlicht auf das Zentrum des Ziels reflektieren. Wird eine Abweichung erkannt, aktualisieren die Ingenieure von eSolar die proprietären Algorithmen zur Sonnennachführung, um die Spiegelausrichtung zu korrigieren. Die softwaregesteuerten Kamerafunktionen umfassen Auslösung, Belichtung und Verstärkung. Alle diese Funktionen werden so eingestellt, dass das bestmögliche Abbild der reflektierten Sonne erzielt wird. Die Anwendungssoftware wurde vom Ingenieursteam von eSolar unter Verwendung von Prosilicas SDK für Windows entwickelt. Die Programmierung erfolgte in C#, C++ und Microsoft Visual Studio.

Zukunftsperspektive

eSolar betreibt gegenwärtig eine kommerzielle Demonstrationsanlage mit einer Leistung von 5 MW und arbeitet an Entwicklung und Bau einer Projektpipeline von über 1 GW an solarthermischen Kraftwerken im Südwesten der USA und weltweit.