Eine Anlage mit 149 Strahlern, die eine Lichtintensität von mindestens dem 10 000-fachen der natürlichen Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche erzeugen. Diese Ergebnisse des Hochleistungsstrahlers Synlight des Jülicher Instituts für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) an sich sind schon beeindruckend. Besonders ist aber auch die Technik, die dahinter steckt: Drei Embedded-PCs von Beckhoff mit insgesamt 447 Schrittmotorklemmen ermöglichen es, jeden Strahler einzeln anzusteuern. Dadurch ist eine sogenannte Multi-Fokus-Fähigkeit möglich. Das heißt, dass die Lichtstrahlung auch in Teilen exakt ausgerichtet und je nach Bedarf entweder für eine große Applikation oder für mehrere kleine Untersuchungselemente genutzt werden kann.
149 Xenon-Kurzbogenlampen erreichen zehn Mal so viel Strahlungsleistung wie herkömmliche Anlagen
Der Hochleistungsstrahler zeichnet sich durch ein neuartiges modulares Design aus: 149 individuell regelbare Xenon-Kurzbogenlampen – die ein dem Sonnenlicht sehr ähnliches Lichtspektrum abdecken – ermöglichen in drei separat nutzbaren Bestrahlungskammern Strahlungsleistungen von einmal bis zu 300 kW und zweimal bis zu 240 kW. Dort lässt sich jeweils eine maximale Flussdichte von über 11 MW pro m2 erreichen. „Damit erreicht die künstliche Sonne etwa die zehnfache Leistung herkömmlicher Laboranlagen“, erklärt der für Synlight zuständige Steuerungsspezialist des DLR-Instituts für Solarforschung, Dr. Dmitrij Laaber.
Zwei der drei Bestrahlungskammern wurden speziell für solarchemische Anwendungen konzipiert und bieten direkten Zugang zu Gaswaschanlagen und Neutralisatoren, um die Prozessqualifizierung für die solare Brennstoffproduktion zu ermöglichen. Mit Shutter-Größen von 4 m Weite und Höhe sowie Raumhöhen von 5 m können auch große Elemente wie beispielsweise Raumfahrtkomponenten bestrahlt werden.
Schrittmotorklemmen ermöglichen individuelle Steuerung der Strahler
Die innen verspiegelten Lampenschirme haben einen Durchmesser von 1 m und sind auf einer 14 m hohen und 16 m breiten Fläche wabenförmig angeordnet. Für die exakte Ausrichtung und Positionierung der einzelnen Spiegel, passend zum gewünschten Strahlungsfokus, sorgt die PC-basierte Steuerungstechnik des Verler Automatisierungsspezialisten. Dabei ist jeder Strahler einzeln steuerbar, wodurch verschiedene Anordnungen und Temperaturen im Fokalpunkt möglich sind – sogar bei drei parallel stattfindenden Versuchen. Die hierfür notwendigen zahlreichen Schrittmotoren werden von 447 kompakt bauenden, direkt in das modulare I/O-System eingebundenen Schrittmotorklemmen KL 2541/KL 2531 angesteuert. Diese sind wiederum über 50 Ethernet-TCP/IP-Buskoppler BK 9000 mit drei Embedded-PCs des Typs CX 5130 verbunden.
Die Schrittmotorklemmen KL 2541 mit Inkremental-Encoder sind mit 50 V DC und 5 A für den mittleren Leistungsbereich von Schrittmotoren konzipiert. Sie integrieren die für einen großen Spannungs- und Strombereich ausgelegten PWM-Endstufen sowie zwei Eingänge für Endlagenschalter kompakt im Formfaktor einer 24 mm breiten Busklemme. Die nur 12 mm breiten und für 24 V DC, 1,5 A ausgelegten Klemmen KL 2531 eignen sich für unterschiedliche kleine Schrittmotoren.
„Die Lösung mit anreihbaren Schrittmotorsteuerungen ist komfortabler und kompakter“
Der Vorteil im praktischen Einsatz wird laut Laaber allein aufgrund der großen Anzahl an Antriebssteuerungen schnell klar: „Bei der Umsetzung mit konventionellen Schrittmotorsteuerungen hätten die 447 notwendigen Einzelgeräte immens viel Platz erfordert. Zudem hätten wir jedes Gerät enorm aufwendig, umständlich und fehleranfällig mit einem eigenen Netzwerkkabel anschließen müssen. Die Lösung mit anreihbaren und systemintegrierten Schrittmotorsteuerungen in Form von Busklemmen ist hingegen wesentlich komfortabler und kompakter, zumal die Klemmen über fünf Etagen mit je zehn Klemmenkästen verteilt sind“, betont der DLR-Forscher.
Des Weiteren sei über die Ethernet-TCP/IP-Buskoppler BK 9000 sowohl die Vernetzung als auch die Steuerungsanbindung komfortabel und einfach möglich. „Ebenfalls profitiert haben wir von Twincat. Denn eine echte Automatisierungsumgebung wie Twincat ist gegenüber einer rein hochsprachenbasierten Lösung, wie sie von den Schrittmotorherstellern in der Regel angeboten wird, viel einfacher zu programmieren“, erläutert Laaber weiter.
Wie funktioniert die weltgrößte künstliche Sonne?
Der Einsatzschwerpunkt des Hochleistungsstrahlers Synlight des DLR liegt auf der Entwicklung von Herstellungsverfahren für solare, also per Sonnenenergie hergestellte Treibstoffe. Zudem finden Forscher und Industrieunternehmen aus der solarthermischen Kraftwerksbranche oder der Luft- und Raumfahrt ideale Bedingungen für Komponententests vor. Ein Anwendungsbeispiel ist die effiziente Produktion von Wasserstoff als CO2-neutraler Energieträger. Um hierfür Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, erhitzt der Sonnensimulator Metall auf 800 °C. Bei der Zugabe von Wasserdampf reagiert das Metall mit dem Sauerstoff und der Wasserstoff wird freigesetzt. Beim weiteren Erhitzen auf etwa 1400 °C wird der Sauerstoff anschließend wieder vom Metall getrennt.
Der Hochleistungsstrahler Synlight setzt sich aus 149 Xenon-Kurzbogenlampen zusammen – jede für sich erreicht die Lichtleistung eines Großkino-Projektors.
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