Solarkraftwerk mit Wärmebildkameras

Fachartikel aus PROTECTOR 6/2010, S. 24 bis 25

Sicher auch ohne Sonne

Eines der wichtigsten Solarkraftwerke in Spanien ist der Abertura Solar Park. Er stellt ein Investment von mehr als 225 Million Euro dar. Insgesamt 27 Wärmebildkameras beschützen diese Investition bei Tag und Nacht – ein Gebiet von mehr als neun Quadratkilometern Größe.

Bild: Flir CVS
Das Solarkraftwerk Abertura Solar Park in Spanien aus der Luft. (Bild: Flir CVS)

„Das Solarkraftwerk erzeugt – abhängig von den klimatischen Bedingungen – jedes Jahr Strom im Wert von rund 25 Millionen Euro“, erklärt Borja Escalada, geschäfts- führender Partner der Vector Cuatro Grup- pe, die das Abertura Solarkraftwerk betreibt. „Es ist klar, dass eine Investition von 225 Million Euro Schutz benötigt. Photovoltaik-Module sind teuer. Außerdem verfügen wir über ein riesiges Netzwerk aus hochwertigen Kupferkabeln. Aber die Anlage muss nicht nur gegen Diebstahl geschützt werden. Wir müssen potentielle Eindringlinge oder Diebe auch gegen sich selbst schützen. Abertura verfügt über einige Hochspannungsbereiche. Personen, die sich unautorisierten Zugang verschafft haben, könnten sich schwer verletzten oder sogar im schlimmsten Fall zu Tode kommen”, fügt Escalada hinzu.

Beleuchtung sehr teuer

„Die Sicherung eines Grundstücks von neun Quadratkilometern ist keinesfalls einfach”, erklärt Escalada. „Tagsüber haben wir da weniger Bedenken, denn unser vier- bis fünfköpfiges Instandhaltungsteam ist eigentlich ständig in der Anlage unterwegs. Nachts sieht es da schon anders aus.”

„Wir haben verschiedene Optionen genau geprüft. Herkömmliche Überwachungskameras mit zusätzlicher Beleuchtung (oder aktiven Infrarotstrahlern), Patrouillen, passive Infrarot-Barrieren und Wärmebildkameras. Wir haben die Vor- und Nachteile jeder Lösung sorgfältig gegeneinander abgewogen und uns schließlich aus vielen Gründen für eine Lösung mit Wärmebildkameras entschieden. Das gesamte Gelände kann nicht komplett ausgeleuchtet werden. Das wäre einerseits unter Naturschutzaspekten nicht angemessen. Außerdem wären Installation und Instandhaltung eines solchen Systems ebenso teuer wie sein hoher Stromverbrauch. Auch Infrarotstrahler sind teuer. Daneben bietet eine aktive Infrarotausleuchtung bei weitem nicht dieselbe Reichweite wie Wärmebildkameras. Das bedeutet: Mehr Kameras müssten montiert werden, weitere Bau- und Befestigungsarbeiten würden notwendig.

Obwohl wir einen Zaun um den gesamten Perimeter gezogen haben, ist das auch nicht die beste Lösung. Der Zaun stellt ein relativ schwaches Hindernis dar, denn wir müssen ihn oft mit größeren Löchern unterbrechen, um den Wildtieren einen Weg anzubieten. Aber selbst bei einem durchgängigen Zaun würden wir zusätzlich Detektoren und Sensoren montieren müssen. Und um dann zu erkennen, ob es sich um einen Fehlalarm handelt, würden wir doch am Ende ein CCTV-Kamerasystem mit Beleuchtung oder Infrarotstrahlern benötigen.

Am Ende haben wir uns Patrouillen angesehen. Aber außer der Tatsache, dass Wachpersonal ziemlich teuer ist, stießen wir auf ein unerwartetes Problem. Abertura liegt in einem sandigen Gebiet, in dem ein Patrouillen-Fahrzeug viel Staub aufwirbeln würde. Das mag unwichtig erscheinen, aber damit die Solarmodule so effizient wie möglich arbeiten, müssen wir diesen Staub von ihnen entfernen. Das machen wir zurzeit zweimal pro Jahr – zu Kosten von etwa 100.000 Euro. Mit Patrouillen würde schätzungsweise eine Reinigung pro Jahr zusätzlich zu Buche schlagen.“

Gründliche Kalkulation

Bild: Flir
27 Wärmebildkameras beschützen das Solarkraftwerk Abertura. (Bild: Flir)

Nach einer gründlichen Kalkulation der Installationskosten und – noch wichtiger – der Gesamtkosten durch den dauerhaften Betrieb der Anlage, hat sich Borja Escalada für eine Lösung mit Wärmebildkameras entschieden. „Wir haben insgesamt 27 Wärmebildkameras von Flir Systems montiert: zwei VSR-6, sechs SR-19, fünf SR-35 und zwölf SR-50 erzeugen einen lückenlosen ‚Wärmebild-Zaun‘ rund um das Solarkraftwerk. Zwei Flir SR-100 Wärmebildkameras wurden zusätzlich auf einem Schwenk-/Neigekopf montiert und ergänzen das System. Der Betreiber Vector Cuatro hat daneben zwei Ersatzkameras bestellt, die dann schnell montiert werden können, wenn eine der Kameras ausfallen sollte. Bisher haben wir sie nicht gebraucht”, erklärt der lokale Flir-Vertriebspartner.

„Wir haben uns nicht nur für Wärmebildkameras von Flir entscheiden – auch viele weitere Komponenten kommen von Flir: Mini Server, Eingabe/Ausgabe-Module, Videoverarbeitungssysteme und digitale Video-Netzwerkrecorder. Die Software, mit der das gesamte System gesteuert wird, ist der Flir Sensors Manager.”

Der “Wärmezaun”

Das Prinzip des “Wärmezauns” ist einfach. Alle Wärmebildkameras werden entlang des Geländes installiert. Über die Software Flir Sensors Manager definieren wir mit einem Videoanalyse-Algorithmus bestimmte, virtuelle “Stolperdrähte“. Wenn jemand diese virtuelle Linie übertritt, wird umgehend ein Alarm ausgelöst – optisch und akustisch. Der Anwender sieht sofort das Bild derjenigen Wärmebildkamera auf seinem Monitor, die den Alarm ausgelöst hat. Er kann dann entscheiden, ob es sich um einen Fehlalarm handelt (ausgelöst zum Beispiel von einem Tier) oder nicht. Sollte es sich um einen echten Alarm handeln und sollte der Eindringling wird nicht bereits vom Licht und dem akustischen Alarm vertrieben werden, ruft der Anwender die Polizei, die innerhalb von Minuten vor Ort ist.

Montage des Wärmezauns

Entlang des Perimeters wurden 25 Beobachtungsposten installiert. Jeder einzelne besteht aus einer festinstallierten Wärmebildkamera von Flir Systems, die einen bestimmten Teil des Geländes abdeckt, einer Alarmeinheit mit Warnlicht und Lautsprecher und in einigen Fällen einer herkömmlichen Überwachungskamera, die gelegentlich bei Tageslicht eingesetzt werden kann.

An jedem Beobachtungsposten ist ein Schaltschrank installiert. Videobild und die Daten der Wärmebildkamera und der Überwachungskamera werden von dort zu einem Flir Mini-Server transferiert. Die Alarmeinheit ist ebenfalls über eine Flir I/O-Box (Ein-/Ausgabe-Box) mit dem Mini-Server verbunden. Alle Signale werden vom Mini-Server in TCP/IP-Signale umgewandelt. Dank eines Ethernet/Glasfaser-Konverters können alle Signale über lange Entfernungen in den Kontrollraum übertragen werden. In diesem Kontrollraum werden die Daten wieder über einen Ethernet/Glasfaser-Konverter an ein TCP/IP-Netzwerk übergeben.

Auf demselben LAN (Local Area Network) befindet sich ein Computer, auf dem die Software Flir Sensors Manager läuft und die Bilder der Wärmebildkamera ausgegeben werden. Hier werden auch die notwendigen Alarmvoreinstellungen eingegeben. Diese Einstellungen werden an die Videoverarbeitungseinheiten übertragen, von denen die Wärmebilder der Kameras ständig analysiert werden. Wenn sie irgendeine Anomalie entdecken, senden sie ein Signal an den Beobachtungsposten, von dem der Alarm ausgeht. Der Mini Server wiederum gibt ein Signal an die I/O-Box aus. Ein Kontakt wird geschlossen, und dadurch wird ein Alarm (optisch/akustisch) ausgelöst. Gleichzeitig erhält der Anwender das Bild der Kamera, die den Alarm ausgelöst hat, auf seinem Bildschirm angezeigt, so dass er die notwendigen Schritte einleiten kann.

Im Kontrollraum schließlich sind die digitalen Videorecorder (nDVRs) von Flir Systems mit dem LAN verbunden. Sie nehmen ständig alle Bilddaten der Wärmebildkameras auf. Dabei haben sie eine Speicherkapazität von 15 Tagen. Danach werden die Daten überschrieben.

Bild: Flir
Kombiniert mit Videoanalyse: Wärmebildkameras liefern dem Videoanalysesystem wesentlich mehr Daten als herkömmliche Überwachungskameras. (Bild: Flir)

Die Kombination der Wärmebildkameras und der in der Software verwalteten Videoanalyse funktioniert perfekt. Nachts ist der thermische Kontrast zwischen der (kühlen) Umgebung und einem potentiellen Eindringling am größten. Das bedeutet, dass wir nur zwei oder drei Pixel benötigen, um schon etwas zu entdecken – und das wiederum heißt: Wir können extrem weit sehen. Tatsächlich liefern Wärmebildkameras dem Videoanalysesystem so wesentlich mehr Daten als herkömmliche Überwachungskameras.

Wärmebildkameras als beste Lösung

“Wir sind sehr glücklich mit unserem Wärmebildkamera-Zaun.”, sagt Escalada. “Es ist nicht nur eine kostengünstige Lösung, da wir keine großen Baumaßnahmen beauftragen mussten. Und da wir auch nicht viel Energie benötigen, ist es auch eine sehr effiziente Lösung. Wenn ich das mit anderen Sicherheitssystemen in weiteren Kraftwerken, die wir betreiben, vergleiche, kann ich nur sagen: Wärmebildkameras schlagen alle anderen Systeme. Wir haben praktisch Null Fehlalarme und können das gesamte Gebiet von einem einzigen Mitarbeiter überwachen lassen. Daher werden wir auch für zukünftige Solarkraftwerke definitiv dieselbe Lösung wählen. Und wenn das Sicherheitssystem in einem unserer anderen Solarkraftwerke ausgetauscht werden muss, werden wir es durch eine Wärmebildlösung ersetzten”, schließt Escalada.

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FLIR Wärmebildkameras – neue Anwendungen durch sinkende Preise

Wärmebildkameras des Herstellers FLIR
FLIR Wärmebildkameras

Funktionsweise und Anwendungsgebiete von Wärmebildkameras

Funktionsweise und Anwendungsgebiete von Wärmebildkameras

„Jetzt Energie sparen!“, wirbt die Volksbank Osnabrück und bietet zum Vorzugspreis von 100 Euro an, mit ihrer Wärmebildkamera Schwachstellen an Wohnhäusern zu identifizieren. Neben dieser Bauthermografie haben sich in den vergangenen Jahren zahlreiche neue Anwendungsgebiete dieser eigentlich für den militärischen Bereich entwickelten Technologie aufgetan: In der Industrie werden Wärmebildkameras bei der Prüfung elektrischer Anlagen verwendet, in der Medizin zur Lokalisierung örtlicher Entzündungsherde. Die Feuerwehr spürt mit ihrer Hilfe Glutnester und Personen in verrauchten Gebäuden auf, und Autohersteller erweitern ihre Fahrassistenzsysteme mit dieser Technologie, um für mehr Sicherheit bei Nacht zu sorgen. Das thermografische Verfahren basiert bei allen Anwendungen auf dem identischen Prinzip: Die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung eines Körpers oder Objektes wird sichtbar gemacht. Die erfassten, unterschiedlichen Temperaturverteilungen liegen zuerst in Graustufen vor, bevor sie von der Wärmebildkamera mittels Falschfarbendarstellung eingefärbt werden, um für den Betrachter unterscheidbar zu werden. Dabei werden meist die hellsten und damit wärmsten Teile eines Bildes weiß, die mittleren Temperaturen gelb und rot und die dunklen und damit kältesten Bildteile in Blautönen dargestellt. Auch wenn dieses Verfahren in allen Wärmebildkameras zur Anwendung kommt, unterscheiden sich die Produkte für Sicherheitsanwendungen natürlich erheblich, zum Beispiel von einer Wärmebildkamera für die Gebäudethermografie, da sie wesentlich leistungsfähiger sein müssen. Unterschieden wird in Thermografiekameras mit gekühlten und ungekühlten Detektoren.

Insbesondere bei der Flächenüberwachung leisten Wärmebildkameras wertvolle Dienste.

Gekühlte und ungekühlte Thermografiekameras
Gekühlte Infrarotdetektoren sind in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt, d.h. dass die Arbeitstemperatur sehr niedrig sein muss; typischerweise liegt sie zwischen 4 Kelvin und 110 Kelvin, also zwischen -270° Celsius und -160° Celsius. Durch diese kryogenischen Temperaturen sind die Detektoren sehr viel kälter als die zu beobachtenden Objekte. Dadurch erhöht sich die thermische Empfindlichkeit des Systems und somit die Temperaturauflösung. Detektoren ungekühlter Wärmebildkameras arbeiten hingegen bei Umgebungstemperatur. Bei Aufheizung des Detektors durch Infrarotstrahlung werden Änderungen von Spannung, Widerstand oder Stromstärke gemessen und anschließend mit den Werten der Betriebstemperatur verglichen. Anhand dieser Werte werden die aufgenommene Strahlungsmenge und damit die Temperatur ermittelt. Bei welchen Anwendungen lohnt der Einsatz eines gekühlten Systems, wann ist eine ungekühlte Wärmebildkamera ausreichend? Denn die Kosten für Anschaffung und Wartung einer gekühlten liegen beträchtlich über denen einer ungekühlten Kamera. So muss zum Beispiel der Kryokühler, der für die extrem niedrigen Temperaturen sorgt, alle 8.000 bis 10.000 Betriebsstunden vollständig instand gesetzt werden. Bei einem Ausfall des Kryokühlers ist die Kamera nicht mehr betriebsbereit. Der Vorteil gekühlter Systeme ist die extreme Sensitivität, mit der sich auch kleinste Temperaturunterschiede zwischen Objekten erkennen lassen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen Objekte auch über weite Entfernungen erkannt werden sollen. Dies ist zwar prinzipiell auch mit ungekühlten Wärmebildkameras möglich; allerdings nehmen die Kosten für das verwendete Objektiv bei ungekühlten Systemen mit höheren Brennweiten stetig zu, so dass ab einer erforderlichen Brennweite von 350mm der Einsatz einer gekühlten Kamera effizienter ist.

Reichweiten bei Nacht und Nebel
Die Frage nach der Reichweite einer Wärmebildkamera wird wohl am häufigsten gestellt – und sie ist auch eine der Wichtigsten. Schließlich muss man sich auf die Leistung der eingesetzten Kamera verlassen können, wenn man zuverlässig Bedrohungen erkennen will. Bei der Bestimmung der potenziellen Reichweite sind zahlreiche Variablen zu berücksichtigen. Neben der eingesetzten Kamera, dem Objektiv und den Wetterverhältnissen ist vor allem entscheidend, welches Ziel ich mit dem „Sehen“ eines Objektes oder einer Person verfolge. Will ich ein Objekt lediglich entdecken, ohne wissen zu müssen, was sich dahinter verbirgt? Oder will ich auch erkennen, ob es sich um eine Person oder ein Auto handelt? Und zu guter Letzt: Will ich auch identifizieren, welche potenzielle Handlung von der Person oder dem Objekt ausgeht, kurz, ob es sich um „Freund oder Feind“ handelt? So lässt sich zum Beispiel ein Fahrzeug in einer Größe von 2,3 Metern mit einem 140mm Objektiv bereits in 5,8 Kilometern Entfernung entdecken, in 1,6 Kilometern erkennen, aber erst in 800 Metern identifizieren. Verwendet man eine 19mm Optik ändern sich die Entfernungen drastisch: 880 Meter entdecken, 230 Meter erkennen, 110 Meter identifizieren, lauten dann die Werte. Welche Auswirkungen haben Nebel oder starker Regen auf die Entfernungen? Prinzipiell können Wärmebildkameras durch Nebel und Regen sehen, aber die Entfernung wird durch die Wetterbedingungen nachhaltig beeinflusst. Denn je weiter ein Signal bis zur Kamera zurücklegen muss, um so mehr kann durch ungünstige Wetterverhältnisse verloren gehen, da die Wassertropfen im Nebel und Regen das Licht zerstreuen. Bei Nebel der Kategorien I und II nach der Klassifizierung der International Civil Aviation Organization (ICAO) mit einer Sichtweite von 1.220 bzw. 610 Metern liefern Wärmebildkameras bessere Ergebnisse als herkömmliche Kameras. Bei einem Nebel der Kategorie IIIa (Sichtweite 305 Meter) bw. IIIc (92 Meter) gibt es in der Leistungsfähigkeit keinen Unterschied mehr.

Welches Ziel wird mit dem „Sehen“ eines Objektes oder einer Person verfolgt: identifizieren – erkennen – oder lediglich entdecken?

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