Sonnenkraftwerke, wie dieses in der südkalifornischen Wüste, bündeln das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln auf einen thermischen Absorber. Das Nachführen der Spiegel entsprechend dem Sonnenlauf wird von GigE Vision Kameras überwacht.

GigE Vision Kameras von Prosilica, mit 1/3-Progressive-Scan-CMOS-Sensor, bringen die Sonne quasi auf den Brenn-Punkt.

CSP-Kraftwerke (Concentrated Solar Power) bündeln die Sonneneinstrahlung mittels Spiegeln auf einen thermischen Absorber, in dem Dampf erzeugt und in per Generator in Strom verwandelt wird. Nur muss man die Spiegel der wandernden Sonne nachführen – zum Beispiel via Kameras, die dem Nachführsystem mit dem Bild der reflektierten Sonne die Informationen dazu liefern.

eSolar mit Sitz in Pasadena, Kalifornien, ist eines der sechs jungen Unternehmen, die gegenwärtig solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Sonneneinstrahlung in der südkalifornischen Wüste aufbauen. 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. Das 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.

Die Sonne im Visier

Während andere solarthermische Kraftwerke eine relativ geringe Anzahl teurer und großer, gewölbter Spiegel zur Reflexion des Sonnenlichts verwenden, setzt eSolar tausende von kleinen Flachspiegeln ein. Mit einer Fläche von nur wenigen Quadratmetern werden die Heliostate von eSolar vormontiert, das heißt mit eingebauter Verdrahtung und den Motoren zur Verfolgung der Sonne geliefert und zugunsten einer schnellen und kostengünstigen Installation nahe am Boden installiert. Dank eines ausgereiften Nachführsystems bündeln die Spiegel ständig Sonnenlicht im Absorber. Es kann die Fertigungs- und Installationstoleranzen für jeden einzelnen Heliostat im Feld ausgleichen. Woraus niedrige Gesamtkosten resultieren, weil der Aufwand bei der Fertigung und für die individuelle Ausrichtung der Spiegel reduziert wird. Zentrales Element des Systems ist die Bildverarbeitung, die auf einer Reihe von um das Spiegelfeld aufgestellten Kameras basiert.

Intelligentes System

In der Anwendung von eSolar wird die ultrakompakte monochrome Prosilica GC750 von Rauscher GmbH, GigE Vision Kompetenzzentrum, Olching, mit einer Auflösung von 752 x 480 Pixeln verwendet. Diese GigE Vision Kamera besitzt einen leistungsfähigen 1/3-Progressive-Scan-CMOS-Sensor mit guten Anti-Blooming-Eigenschaften, wodurch „Überbelichtungen“ vermieden werden.

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 175 x 95 m große Unterfelder mit jeweils 6 090 Spiegeln unterteilt, die das Licht auf einen zentralen thermischen Absorber zwischen den Unterfeldern reflektieren.

Jede Kamera ist mit einem 20–100 mm Varifokal-Objektiv mit festem Fokus und während der Installation eingestelltem Zoom ausgestattet. Die Kameras befinden sich in belüfteten/beheizten 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 5 x 5 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 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. Stichprobenartig werden Daten von Spiegeln in allen vier Unterfeldern über den Tag erfasst.

Überwachte Funktion

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 eSolar-Ingenieursteam unter Verwendung von Prosilicas SDK für Windows in C#, C++ und Microsoft Visual Studio programmiert.

Rauscher, Olching www.rauscher.de