Messtechnik
Entscheidende Einflussfaktoren bei Experimenten mit konzentrierter Solarstrahlung sind die Gesamtleistung und die solare Leistungs-/Flussdichte in Kilowatt pro Quadratmeter (kW/m2) und ihre Verteilung. Die zuverlässige optische Messung dieser Werte ist daher eine zentrale Aufgabe während der Durchführung von Experimenten. Die Arbeitsgruppe der Großanlage Sonnenofen/Hochleistungsstrahler (SOF/HLS) am DLR-Standort Köln-Porz nutzt hierfür seit über 20 Jahren spezielle Instrumente und Computersoftware.
Das Anfang 2016 neu eingeführte, eigens entwickelte Messsystem FMAS (Flux Mapping Acquisition System) löst das bisherige Messsystem FATMES ab. FMAS ist ein portables Messsystem, das eine schnelle und unkomplizierte Bestimmung der Flussdichte sowohl im Sonnenofen und den beiden Hochleistungsstrahlern des Instituts als auch bei dezentralen Anwendungen ermöglicht. Seit 2017 wird diese Software auch in der Großanlage Synlight am Standort Jülich eingesetzt.
Im Vergleich zur Vorgängerversion bietet das neue FMAS dem Nutzer völlig neue Möglichkeiten zur digitalen Bildverarbeitung und nutzt leistungsfähige Hardware nach dem neusten Stand der Technik. Das neue System setzt moderne Kameras und Objektive mit verschiedenen Filterkombinationen ein. FMAS verfügt außerdem über neue Möglichkeiten zur Auswertung der Messdaten und ist einfacher zu bedienen als die Vorgängerversion.
Funktionsprinzip
Die hochkonzentrierte Solarstrahlung fällt auf eine diffus reflektierende Fläche (Target), welche von der Kamera erfasst wird. Mithilfe eines Radiometers rechnet FMAS die Grauwerte des Bildes in Werte für die Strahlungsflussdichte um (siehe oben Abbildung 1). Eine regelmäßige Überprüfung der Sensoren stellt die Messgenauigkeit sicher. Der aufgrund des Kamerastandorts entstehende projektive Fehler wird mittels 4-Punkt-Entzerrung korrigiert. Die Auswertung berücksichtigt außerdem den Einfluss von Dunkelstrom und inhomogener Schattierung des digitalen Kamerachips.
Die Bedienoberfläche von FMAS zeigt das standardmäßig monochrome Kamerabild auf Wunsch auch in einer Farbdarstellung (siehe Abbildung 2). Sämtliche für die Programmsteuerung erforderlichen Schaltflächen sind in nur einem Fenster bedienbar, relevante Bildinformationen wie das Histogramm oder der maximale Grauwert sind ständig verfügbar.
Im Sonnenofen und im Synlight kann die FMAS-Software außerdem ein Doppelfilterrad für die Messkamera im automatischen oder manuellen Modus steuern.
Im Fenster für die Ergebnisanzeige kann zwischen einer 3D-Darstellung und den Seitenansichten der Flussdichteverteilung gewechselt werden (siehe Abbildung 3). Gezeigt werden hier sowohl die Gesamtleistung (Total Power) als auch die Leistung auf einer frei wählbaren Fläche (Power on Aperture).
Das rote Kreuz in der rechten Darstellung markiert den Schwerpunkt (CoG – Center of Gravity) der Verteilung. Die Flussdichtewerte zwischen den Grafiken beschreiben die Isolinien bei verschiedenen Prozentwerten der maximalen Flussdichte (Peak Flux).