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FVS-Jahrestagung 2007

Qualitätssicherungsmaßnahmen bei der Herstellung solarthermischer

Kraftwerkskomponenten

Eckhard Lüpfert, Klaus Pottler, Steffen Ulmer, Robert Pitz-Paal, DLR

Wolfgang Schiel, sbp GmbH

Werner Platzer, Anna Heimsath, Fraunhofer ISE

FVS Jahrestagung 26. September 2007Produktionstechnologien für die Solarenergie

Solarthermische Kraftwerke –Technologieentwicklung zur Komponentenherstellung

und Logistik der Montage


Technologien zur Solarthermischen StromerzeugungSolarturm Dish StirlingParabolrinnen

& Linear Fresnel


EuroTrough-Prototyp: 6 Module

Solarkraftwerk Andasol: 7488 Module

Qualitätssicherungerforderlich

50 MW Andasol Kraftwerk:7.488 Konzentratormodule210.000 Spiegelfacetten840.000

Spiegelmontagepunkte

Beispiel EuroTrough: vom Prototyp zur industriellen Serienfertigung


Qualitätssicherung Solarfeld-Fertigung– Solarkollektor-Fertigung:

Ungewöhnliche Genauigkeitsanforderungen

– Hohe Genauigkeit nötig für hohen Wirkungsgrad (95-98% Trefferquote)Empfindliche Verluste bei Abweichung

– Kombination konventioneller Prüfmethoden mit Digitalbild-Messungen

– Anwendbar auf • Montage Überwachung• Analyse von Prototypen und

Komponenten• Überprüfung des Solarfeld-Ertrages


Qualitätssicherung bei der Solarfeld-FertigungMontagehilfen

MontagevorrichtungPylone

MontageüberwachungStahlstrukturenModuleKollektorenLoops

KomponentenprüfungSpiegelfacettenReceiverrohre


Überprüfung der Montagevorrichtung (Site-Jig) geforderte Genauigkeit der Montagepunkte: < 0,5 mm

Montage-Vorrichtungen


Einrichtung

Befestigung

Positionierung

Pyloneinrichtung: AufbausequenzEinrichtung der Pylone: 8112 Stück


Tachymeter mit Zielverfolgung, Sensorkopf und Spezialsoftware

Pyloneinrichtung: Messkopf


Überwachung der Stahlstruktur (ohne Spiegel), 7488 Stück

112 Spiegelhalterungen

Montageüberwachung


mm

Höhenabweichung in mm

-3-2-10

123

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

lenght [mm]

rela

tive

heig

ht [m

m] structure 1

structure 2structure 3structure 4

Biegelinie

Stahlstruktur: Abweichung von den Sollhöhen


Auswertung

Mess-System

DokumentationKollektor-Struktur

Stahlstruktur:Stationäres Messsystem QFoto


Überprüfung komplettes Modul (mit Spiegeln)


schnelle Messung der Moduloptik durch Beobachtung des Receiverabbildes,Messung aus der FerneAbweichungen von Spiegelkrümmung und Receiverlage liefern integrales Ergebnis

X

Z

Modulvermessung: Absorber-Reflexionsmethode


mrad

Modulvermessung: Winkelabweichung Reflektor


Interceptmessung mit Kamera-Target-Methode


Fotogrammetrie Sekundärkonzentrator

Fresnel-Kollektor: Formanalyse Primär- und Sekundärkonzentrator

Deflektometrie und Fotogrammetrie: • Untersuchung der Spiegelform und

Justierung

• Berechnung und Messung der Strahlung in der Receiver-Ebene


7.000 Messpunkte auf einer Fläche von 2.800 mm x 1.600 mm

• Spiegelform• Verformungen • Winkelabweichungen

Spiegelform: Hochauflösende Fotogrammetrie


flächig aufgelöste Ergebnisse:

• Messung der Form, der Formabweichung

• Berechnung des Intercept-Faktors

• Überlagerung mehrerer Fehlereinflüssez.B. Nachführung

Bewertung der Spiegelform mitMessung und Raytracing


Bewertungsgrößen: Intercept-Faktor und Gesamt-Qualität (EuroTrough Kollektor)

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 2 4 6 8 10 12 14

σ total in mrad

Inte

rcep

t fac

tor

γ

σ2total = σ2

sun + σ2optical


Weitere Anwendungen Deflektometrie

Rinnen, Heliostate, DishesSpiegelfacetten


Untersuchung von Heliostaten im Solarfeld

Heliostat

Target

Projektor

Kamera

Turm

Messung vom Turm:

• automatischer Messablauf

• Ermittlung der Korrektur-Parameter


Form-Messung der Primärspiegel eines Fresnelkollektors

Vermessung unter Produktionsbedingungen

• Spiegelform entscheidend für optische Konzentration

• Produktionsprobleme müssen schnell erkannt werden

• Hohe Genauigkeit• geringer Platzbedarf• unabhängig von Lichtschwankungen

=> Kameravermessung mit Bildauswertung

Streifenreflektometrische Apparatur ZEBRA (Fraunhofer ISE)


Formtreue der Primärspiegel

Vermessung des FRESDEMO Kollektors

• Vermessung vor Ort inklusive Spiegeltransport ca. 30 Minuten

• Vermessung mit kalibriertem LCD-Bildschirm (aktive Sinusstreifenmustern – Ortsfrequenz)

• Auswertung in transversale Richtung (Spiegelkrümmung)

• Gradienten • Form durch Integration

=> Leichte Abweichung von Idealform schnell erkannt

Randbereich flacher als erwartet


Akzeptanz bei SekundärkonzentratorenWelche Strahlung aus welcher Richtung trifft den Absorber?

• Farbkodierung des Receiverrohres• Fotografie Receiver in Strahlrichtung • Auswertung der Vielfachreflexionen • Gewichtung Primärbild, Reflexion• Flächenanteil des Absorberrohres an

Apertur ergibt Akzeptanz

• Variation über Strahlrichtung ergibt Winkelabhängigkeit der Akzeptanz

• Vergleich mit Raytracing

Identifikation problematischer Einfallswinkel

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

-1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8x [m]

Acc

epta

nce

Measured dataRaytracing


Langzeitbeständigkeit von optischen Schichtsystemen

Spektralverhalten von Absorber- und Spiegelschichten

• Beeinflussung des Spektralverhalten durch Produktionsbedingungen (Tempern)

• Veränderung durch Umwelteinflüsse (Temperatur / Feuchte / Strahlung)

• Beschleunigte Alterung im Labor vs. Langzeiterfahrungen im realen Betrieb

Beschleunigte Belastungstests im Labor ermöglichen relative Vergleiche

Verschiebung der spektrale Reflexion bei temperaturbehandelten Absorbern resultiert in höherer Absorption und niedrigerer Emission

1 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

AM1,5 (direkt) spektrale Dichte 450°C

Ref

lexi

on

Wellenlänge µm

frisch α= 92%; ε (450°C)= 21%getempert α= 94%; ε (450°C)= 18%


ZusammenfassungSolarfeld-Fertigung: Ungewöhnlich hohe Genauigkeitsforderungen für hohen WirkungsgradMesstechnik verfügbar für

Geometrie: Fotogrammetrie, Absorber-Reflexionsmethode, Streifen-ReflexionIntercept: Kamera-Target-MethodeFlussdichte: Parascan, Ray-Tracing

Anwendbar auf Analyse von Prototypen und Komponenten MontageüberwachungÜberprüfung des Solarfeld-Ertrages nach Fertigstellung, Optimierung

Messung optischer Eigenschaften nach Alterungstests

Finanzielle Förderung: Bundesumweltministerium

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