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Prüfmethoden für die geometrische Qualität von Solar-Konzentratoren Eckhard Lüpfert CSP Services GmbH 15. Kölner Sonnenkolloquium DLR Institut für Solarforschung Köln, 12. Juni 2012

Prüfmethoden für die geometrische Qualität von Solar ... · Geometrische Qualität – worauf kommt es an? • Ausrichtung der Spiegel-Elemente • Form der Spiegel • Eigengewicht,

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Prüfmethoden für die geometrische Qualität von Solar-Konzentratoren

Eckhard Lüpfert CSP Services GmbH

15. Kölner Sonnenkolloquium

DLR Institut für Solarforschung Köln, 12. Juni 2012

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Konzentrierende Solarkraftwerke

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Geometrische Qualität – worauf kommt es an?

• Ausrichtung der Spiegel-Elemente • Form der Spiegel • Eigengewicht, Durchbiegung • Geometrie der Unterstruktur • Geometrie von Verbindungselementen • Haltekräfte, Klebekräfte

• Steifigkeit, Formstabilität des Gesamtsystems

• Positionierung des Absorbers • Größe des Absorbers

• Nachführung • Reibung, Windlasten, Schwerpunkt

• Entfernung der Sonne, Geographie

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aber wie genau bitte?

Kriterien • kostengünstig

• treffgenau

– Trefferquote (Intercept-Faktor) 95-98% in 2-4-fachem Sonnendurchmesser (20-40 mrad)

– in allen Betriebspositionen

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Gesamt-Strahlaufweitung als Kriterium

– Spiegelkontur, Aufweitung, Absorber-Position, Nachführgenauigkeit – σ2

total = σ2sun + σ2

optical

θ

σσ

θφφλ

σσσσφλσσσ

φ

cos2

tan)tan2

1()(

)4)((4

,

2

2

222,

2,

2,

2,

2

sunshapelinesun

trackdisplspecycontouryspecxcontourxoptical

=

−=

+++++=

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Einflüsse Geometrie (Parabolrinne) quadratische Gewichtung Sigmatotal = 6-8 mrad

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41%

0%10%6%

3%6%

3%

31%

Spiegelform

Strahlaufweitung

Spiegelhalterung

Absorber Abweichung

Kollektortorsion (Lasten)

Nachführ-Justage

Nachführ-Regelung

Sonne

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Intercept-Faktor auf Target

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Ray-Tracing Parabolrinne - Akzeptanz-Funktion

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-40 -20 0 20 40

Angular deviation in mrad

Frac

tion

of A

bsor

bed

Ray

s Sigma totalAcceptanceAcceptance

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Intercept-Faktor hängt von Präzision und Konzentration ab

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Precision σtotal in mrad

Inte

rcep

t Fac

tor

γ

Ø80

Ø75

Ø70

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Qualitätskontrolle in der Modulfertigung QDec-M und QFoto-R, automatische Messung

Montage-Linie Parabolrinnen

Optical Measurement

Collector structure assembly

Mirror assembly

Quality inspection

Loading and transport to solar field

Turning and buffering

Buffer

Quelle: Solarmillennium

QFoto-R QDec-M (Defl.)

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Qualitätskontrolle mit Photogrammetrie in der Kollektormontage (Rinnen, Heliostate)

• Automatische Qualitätssicherung in der

Serienproduktion

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Projektor

Kamera

Spiegel

Projektions- wand

α

α

i

n

r

QDec Messprinzip für Spiegelform

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Deflektometrie an Heliostaten

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Anwendung bei Parabolrinnen-Spiegeln Qualitätskriterium: Spiegelform RP3

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Steigungsabweichung SDx = 1.4 mrad

Fokusabweichung FDx =5.8 mm

Intercept-Faktor 99.98% (Laser) 99.0% (Sonne)

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QDec: Formmessung von Konzentratorspiegeln

• Automatische Produktionskontrolle zur Sicherstellung der Spiegelform

• Hochauflösendes, optisches Messverfahren

• Auswertungs- und Bewertungssoftware zur Optimierung und Dokumentation der Produktionsqualität

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Deflektometrie: Flexibel einsetzbar

Dish

Einzelspiegel

Heliostate

Konzentratoren

Fresnel

Dish Parabolrinne Vortrag Sonnenkolloquium Köln 12. Juni 2012 16

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Deflektometrie Analyse der gesamten Kollektor-Geometrie

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Steigungsabweichung Parabolrinnenmodul Qualitätskennzahlen: SDx in mrad

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Ausrichtung der Spiegel SDx in mrad

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Intercept-Faktor Auswertung bei konkreten Annahmen für die Nachführung

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Intercept-Faktor 99 % („Laser“)

97-98 % (senkrechte Sonne)

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Einfluss der Qualität auf den Ertrag des Kraftwerks

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

82%

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

98%

100%

102%

104%

106%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

M€

inco

me

Inte

rcep

t Fac

tor

Focus Deviation FDx in mm

inner mirror

outer mirroroverall

annual electricity

annual income

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Zusammenfassung • Geometrische Qualität ist entscheidend für

– Wirkungsgrad und Produktion – Markterfolg der Qualität bei Konkurrenz

• Geometrische Qualität ist relevant bei

– Spiegel – Kollektorstruktur und Absorbergeometrie – Montage der Kollektoren – Nachführung

• Berührungslose optische Messverfahren haben sich aus DLR-Entwicklungen heraus

international etabliert – Fotogrammetrie – Deflektometrie

• Bewertungskriterium: Richtungsabweichung der reflektierten Strahlen

– SDx, FDx

• Standard-Messsysteme sind in der Praxis und Forschung erfolgreich etabliert – Qualitätszertifikate, Prüfberichte (QUARZ-Zentrum) – Produktionskontrolle, Qualitätskontrolle, Qualitätsspezifikationen

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