Onderzoekers hebben een prototype ontwikkeld om een ​​heel zonneveld in één nacht te kalibreren, maanden besparen op het huidige kalibratiesysteem voor grote torencentrales met geconcentreerde zonne-energie (CSP).

In toren-CSP's, een omringend zonneveld van duizenden heliostaten (gespecialiseerde spiegels) moet continu en nauwkeurig geconcentreerd zonlicht reflecteren op een torenontvanger op afstanden tot 1, 600 meter terwijl de zon langs de hemel trekt. De nieuwe innovatie die door de onderzoekers wordt gerapporteerd, is het toepassen van kunstmatige visuele digitale systemen om het doelwit nauwkeurig te zien met pixelpuntnauwkeurigheid via digitale camera's die in elk van de heliostaten zijn geïntegreerd, waardoor het mogelijk is om in slechts enkele uren een heel zonneveld te kalibreren.

"Met ons visuele kalibratiesysteem, we kunnen de nauwkeurigheid van de tracking garanderen gedurende de levensduur van de plant, omdat we elke nacht kunnen kalibreren, " zei Marcelino Sánchez, die leiding geeft aan de afdeling thermische zonne-energie van het Spaanse Centro Nacional de Energías Renovables (CENER). Sanchez presenteerde de innovatie op de 23e jaarlijkse SolarPACES-conferentie in Chili in een presentatie met de titel Scalable Heliostat Calibration System.

Van hardware naar software

Alle CSP-fabrieken gebruiken geautomatiseerde systemen om elk van de duizenden individuele heliostaten in een zonneveld te vertellen hoe ze moeten bewegen, met behulp van servomotoren die hun beweging nauwkeurig regelen. Elke heliostaat houdt zijn eigen zonnereflectie gericht op de torenontvanger terwijl de zon door de lucht beweegt en naarmate het seizoen verandert.

Echter, in echte wereldomstandigheden, individuele heliostaten kunnen enigszins verkeerd uitgelijnd raken als het omliggende terrein bezinkt als gevolg van omgevingsomstandigheden of verre aardbevingen. Omdat heliostaten nauwkeurig op milliradiaal (mrad) niveau moeten blijven om de exacte zonnestroom te leveren die nodig is, om het doel te raken zonder de ontvanger te oververhitten, er is veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van de nauwkeurigheid van de kalibratie.

Een review in 2009 vat eerder onderzoek samen. Op SolarPACES2017, de onderzoeksfaciliteiten die papers presenteren over heliostaatkalibratie inbegrepen, onder andere, PSA-CIEMAT, NREL, DLR, en Cyprus Instituut. Het gebruik van camera's is niet ongebruikelijk. Bijvoorbeeld, BrightSource Energy gebruikt pinhole-camera's bij de ontvanger om de heliostaten goed te kunnen richten.

"In principe, heliostaten hoeven niet opnieuw te worden gekalibreerd; je kalibreert ze tijdens de installatie, "zei Sanchez. "Maar ondanks al deze kleine afwijkingen die kunnen optreden tijdens de levensduur van de plant, het is een duidelijk voordeel als je snel en op elk gewenst moment de precieze positionering kunt controleren." het is mogelijk om niet alleen de positie, maar ook het precieze kinematische model van elke heliostaat onder reële werkomstandigheden vast te stellen.

Kosten voor zonne-energie verlagen

"Een doel voor ons was om te proberen de kosten van het volgsysteem, dat tegenwoordig het duurste onderdeel van het heliostaatsysteem is, te verlagen. " legde Sanchez uit. "Dus het idee hier is om te proberen de kosten per vierkante meter te verlagen. Dus hebben we de kosten verplaatst van de hardware naar het softwaresysteem." Heliostaten zouden niet zo stevig en duur hoeven te zijn.

Met nachtelijke herkalibratie mogelijk door kleine, massa geproduceerde elektronica, heliostaten kunnen goedkoper worden. Cristóbal Villasante, die aan het hoofd staat van onderzoek naar hernieuwbare energie op het gebied van intelligente robotica en mechatronische systemen bij IK4-Tekniker, werkte samen met Sanchez aan de ontwikkeling van het systeem.

"Er zijn twee belangrijke voordelen van ons systeem, " Villasante vatte het samen." Een daarvan is dat we het systeem op een automatische manier kunnen kalibreren, zodat we de inbedrijfstellingstijd en installatiekosten kunnen verminderen. En twee:als je heel vaak kunt kalibreren, kun je de vereisten voor stabiliteit op de lange termijn verminderen, zodat je niet zulke sterke systemen nodig hebt. die veel goedkoper kan zijn en toch dezelfde nauwkeurigheid kan bereiken, zodat we goedkopere heliostaten kunnen gebruiken."

De ontwikkeling maakt gebruik van een vorm van kunstmatige visie voor CSP-zonneveldkalibratie. Kleine infrarood lampjes zijn op verschillende punten rond het zonneveld geplaatst, en de camera oriënteert de positie van zijn heliostaat ten opzichte van de lichten. Deze procedure levert de informatie die nodig is voor het berekenen van het echte kinematische model van elke heliostaat.

"De sensoren in de gewone zichtbare camera's zijn gevoelig voor het nabij-infrarood. We gebruiken een filter en verwijderen het zichtbare deel van het spectrum, " zei Sánchez, die eraan toevoegt dat ze de positie kunnen detecteren met een foutenpercentage van 0,22 mrad. Eén mrad is 0,057° van een graad. "Door het licht aan en uit te zetten, is het heel gemakkelijk om te zien in welke pixel we het hebben."

Via de camera, het systeem kan precies bepalen waar de heliostaat is gericht. Het proces bespaart rekentijd en middelen, waardoor de identificatie van het lichtdoel snel en gemakkelijk is. "Door de posities van de heliostaatmotoren te kennen en de vastgelegde beelden te verwerken, de exacte configuratie van de heliostaat, of wat we het 'kinematische model' noemen, kan worden berekend. Bijgevolg, de heliostaat is opnieuw geprogrammeerd om eventuele fouten te corrigeren en ervoor te zorgen dat de zon nauwkeurig wordt gereflecteerd."