ESPECTROFOTÓMETRO PORTÁTIL Y MÉTODO DE CARACTERIZACIÓN DE TUBOS DE COLECTORES SOLARES.
Espectrofotómetro portátil y método de caracterización de tubos de colectores solares para la caracterización simultánea y en campo de coeficientes de reflexión y transmisión.
Este equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar esta medida, como son un módulo que realiza la medida del coeficiente de reflexión (R) del tubo interior (1'), un módulo que realiza la medida del coeficiente de transmisión (T) del tubo exterior (1''), un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (12), un ordenador externo (13) para el control del equipo y la exportación de los datos medidos (17) y un sistema de comunicación (15) entre el equipo y el ordenador (13).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201000230.
Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: VILLUENDAS YUSTE,FRANCISCO, ALONSO ESTEBAN,RAFAEL, HERAS VILA,CARLOS, MARTINEZ SANZ,NOELIA, SALINAS ARIZ,IÑIGO, IZQUIERDO NUÑEZ,David, GÓMEZ POLO,JESÚS, GIMENO MELENDO,ALBERTO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F24J2/14
- G01J3/02 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES. › G01J 3/00 Espectrometría; Espectrofotometría; Monocromadores; Medida del color. › Partes constitutivas.
- G01N21/25 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Color; Propiedades espectrales, es decir, comparación del efecto del material sobre la luz para varias longitudes de ondas o varias bandas de longitudes de ondas diferentes.
Fragmento de la descripción:
Espectrofotómetro portátil y método de caracterización de tubos de colectores solares.
Sector técnico de la invención
La presente invención se encuadra dentro de la tecnología de equipos o instrumentos ópticos de medida.
Más concretamente se refiere a un equipo portátil para la caracterización espectral y en campo de los coeficientes de reflexión y transmisión de los tubos utilizados en colectores para la obtención de energía termosolar. Este equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar esta medida, incluyendo el procesado de los datos y su envío mediante conexión inalámbrica a un ordenador para su almacenamiento.
Antecedentes de la invención
La captación de la energía solar, en su vertiente de captación térmica, cada vez está tomando más importancia tecnológica y económica tanto desde el punto de vista de producción de agua caliente, calefacción o refrigeración a nivel doméstico, como para producción de energía eléctrica en centrales termoeléctricas solares.
Estos sistemas requieren un máximo de absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, están configurados en forma de tubos de vacío o estructuras similares que disminuyen las pérdidas por conducción y convección y poseen recubrimientos con gran poder absorbente de la energía solar, así como características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano.
En consecuencia, tanto en la vertiente doméstica como en la de producción de energía eléctrica, los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial y de su adecuado funcionamiento depende en gran parte el rendimiento de este tipo de sistemas. Esto hace que sea de vital importancia el disponer de un método adecuado de caracterización en campo de las características ópticas de dichos recubrimientos. En el caso de las instalaciones de producción de energía eléctrica, debido al gran número de tubos absorbentes a caracterizar, es además conveniente que la medida pueda realizarse de forma rápida y sencilla.
Dadas las características ópticas de este tipo de tubos (máxima absorción de energía y mínimas pérdidas energéticas), el equipo deberá ser capaz de medir con precisión valores extremos de los coeficientes de reflexión y transmisión (cercanos a cero o a la unidad), generalmente en condiciones ambientales desfavorables ya que, lógicamente, la luz ambiente será casi siempre de alta intensidad.
Puesto que estos coeficientes de reflexión y transmisión dependen fuertemente de la longitud de onda de la luz utilizada, es indispensable realizar una caracterización espectral de los mismos. Un equipo que realiza una medida de este tipo se denomina espectrofotómetro.
En un espectrofotómetro clásico se utiliza una fuente de luz de espectro ancho y un elemento de filtrado variable, como puede ser una red de difracción móvil seguida de una rendija estrecha, que permita seleccionar secuencialmente distintas longitudes de onda. Esta opción permite variar la longitud de onda de manera prácticamente continua, pero a cambio resulta un sistema más complejo y delicado y con bajo rango dinámico de medida, ya que la potencia de luz de entrada que se consigue es muy baja.
La patente US4687329 describe un equipo que utiliza una fuente de espectro ancho, en este caso ultravioleta, y varios filtros en posiciones fijas para realizar una medida espectral en un determinado número de puntos discretos.
También existen antecedentes de espectrofotómetros en los que se utiliza como fuente de luz una colección de fuentes de diferentes longitudes de onda. En la patente US2008/0144004 se utilizan varios diodos emisores de luz (LED) simultáneamente para realizar una medida de transmisión para la detección de distintos analitos en sangre. Sin embargo, no se realiza una verdadera medida espectral, sino varias medidas simultáneas en unas pocas longitudes de onda distintas. Además, no existe ninguna protección contra la luz ambiente ni es posible realizar medidas de reflexión ni de referencia.
Algo similar ocurre en la invención de la patente US4286327, donde sí se realiza una medida secuencial a distintas longitudes de onda (en el infrarrojo), pero en este caso los LEDs utilizados son idénticos y la selección espectral se realiza mediante filtros fijos de distinta longitud de onda central. Tampoco existe ningún mecanismo de recuperación de la señal frente a luz ambiente, ni posibilidad de realizar medidas ni en reflexión ni de referencia.
Ninguno de los equipos citados ni otros similares cumplen los requisitos necesarios para la medida en campo de los tubos absorbentes para colectores solares, ya sea por rango, sensibilidad y/o configuración mecánica.
Descripción de la invención
La presente invención toma en consideración las características específicas del problema indicadas anteriormente, con un diseño que reúne requisitos como portabilidad, rapidez en la medida, sensibilidad y rango dinámico adecuados.
Para conseguir un sistema sencillo y robusto, la iluminación del vidrio se realizará mediante diodos emisores de luz (LED) que cubran el rango de longitudes de onda en el que se desea obtener la caracterización. Esto permite disponer de una fuente de luz barata y de gran durabilidad y estabilidad. La existencia de LEDs comerciales de gran cantidad de longitudes de onda en el rango de 300 a 2500 nm (ultravioleta a infrarrojo cercano) permite realizar la medida espectral con la resolución que se desee, sin más que seleccionar el número de LEDs adecuado en función de las características específicas de cada problema. Con los requisitos habituales para la caracterización espectral de una instalación de producción de energía termosolar, puede ser suficiente con disponer de alrededor de una decena de longitudes de onda de medida.
Con el objetivo de conseguir una medida suficientemente rápida, el equipo realiza de manera simultánea la medida de los coeficientes de transmisión y reflexión de cada tubo de vidrio, además de una medida de referencia que permite independizar la medida del valor instantáneo de potencia óptica emitida por las fuentes. Esto exige la instalación de cuatro fotodetectores y dos emisores LED por cada longitud de onda caracterizada, además de una configuración mecánica del equipo que permita realizar estas cuatro medidas sin necesidad de realizar ningún tipo de ajuste de posición.
Para obtener una medida con alta sensibilidad, que permita resolver con precisión valores de los coeficientes de reflexión y transmisión muy pequeños o muy cercanos a la unidad, es necesario que el sistema de adquisición disponga de una relación señal a ruido suficientemente grande. Dado que la señal óptica de fondo proviene principalmente de la luz solar ambiente, es decir, se trata de una señal de gran intensidad, es indispensable realizar algún tipo de tratamiento a dicha señal que permita lograr que la relación señal/ruido sea elevada. Lo más indicado en este caso es el procesamiento digital de la señal mediante la aplicación de algún algoritmo de extracción como la detección síncrona o lock-in. Para realizar un tratamiento de este tipo, es necesario que la señal a medir pueda distinguirse fácilmente del fondo de ruido, algo que habitualmente se consigue mediante la aplicación de algún tipo de modulación a la misma.
Otra de las características indispensables en un equipo de este tipo es la posibilidad de exportación de los datos de manera cómoda y flexible a un ordenador personal, donde puedan tratarse y almacenarse de la forma que se considere más conveniente. En el caso de la presente invención, esto se resuelve mediante comunicación inalámbrica con un protocolo de red convencional, algo que proporciona flexibilidad adicional al sistema.
El esquema general del dispositivo de medida es el siguiente:
Reivindicaciones:
1. Espectrofotómetro portátil para caracterización de tubos de colectores solares (1) de los formados por un tubo interior (1') y un tubo exterior (1'') caracterizado porque comprende:
2. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque cada uno de los módulos comprende diodos emisores de luz (4, 5) como fuentes ópticas y un conjunto de fotodetectores (6, 7) sensibles a las longitudes de onda adecuadas.
3. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 2 caracterizado porque el número de diodos emisores de luz instalados así como las longitudes de onda a las que realizan el barrido se eligen en función de la resolución y el rango requeridos para la caracterización de cada tubo absorbedor.
4. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 3, caracterizado porque el número de diodos emisores de luz está comprendido entre 6 y 24 y dentro del rango espectral entre 300 y 2500nm correspondiente al espectro solar.
5. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 2 caracterizado porque tras el emisor, ya sea de transmisión o de reflexión, midiendo una parte de la luz que emite, se obtiene una señal de referencia de la potencia de emisión.
6. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 2 caracterizado porque se utilizan dos emisores por cada longitud de onda a medir y se obtienen simultáneamente coeficientes de reflexión del tubo interior y de transmisión del tubo exterior.
7. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 2 caracterizado porque el sistema de adquisición de datos consta de dos etapas de amplificación para cada fotodetector.
8. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 7 caracterizado porque al menos una de las dos etapas de amplificación puede tener una ganancia que puede variarse en cualquier momento mediante comandos software.
9. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque se incluye una tarjeta tipo DSP con un sistema de procesado de señal tipo lock-in que permite realizar las medidas con una relación señal a ruido suficiente incluso en condiciones de luz ambiental intensa.
10. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 9 caracterizado porque el procesado lock-in de la señal y la señal que realiza el procesado para modular los LEDs que actúan como fuentes ópticas se implementa utilizando la misma tarjeta tipo DSP.
11. Espectrofotómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque tiene una carcasa que, además de proteger los componentes ópticos y electrónicos y posibilitar la portabilidad del sistema, permite acoplarlo con facilidad y rapidez a un tubo cilíndrico que se desea medir, de manera tal que la medida obtenida sea correcta y repetitiva.
12. Método de caracterización de tubos de colectores solares haciendo uso del espectrofotómetro portátil de reivindicaciones anteriores caracterizado porque la medida de los coeficientes de reflexión y transmisión de los tubos comprende las siguientes etapas:
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