Reflectómetro portátil y método de caracterización de espejos colectores utilizados en centrales solares para la caracterización en campo de coeficientes de reflexión.

Este equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar esta medida, como son un módulo que realiza la medida del coeficiente de reflexión del espejo, un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos, un sistema de tratamiento de datos y control del equipo, un sistema de almacenamiento de los datos de interés, un sistema de interfaz de usuario, un sistema de comunicación entre los sistemas anteriores y una carcasa exterior.

El equipo permite caracterizar el coeficiente de reflexión especular de espejos que pueden ser planos o curvos de diferentes espesores, sin necesidad de ajustes en el equipo, minimizando la contribución de reflexión difusa en la medida.

REFLECTÓMETRO PORTÁTIL y MÉTODO DE CARACTERIZACiÓN DE ESPEJOS DE CENTRALES TERMOSOLARES

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 de espejos planos o con cierta curvatura, ya sean estos espejos helióstatos, discos Stirling, Fresnel. .. etc., todos ellos 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 a un ordenador para su almacenamiento. Antecedentes de la invención

Dentro de las energías renovables se encuentra la captación de energía solar térmica, de importancia tecnológica y económica en el sector doméstico e industrial. La energía solar termoeléctrica produce electricidad con un ciclo termoeléctrico convencional que precisa del calentamiento de un fluido a alta temperatura. En estos sistemas se requiere maximizar la concentración de energía solar en el punto o puntos de absorción de la misma, mediante el uso de espejos que pueden ser completamente planos, con cierta curvatura esférica, parabólicos o cilindro-parabólicos dependiendo de las tecnologías de las centrales termoeléctricas solares.

En consecuencia, el valor del coeficiente de reflectividad de los espejos instalados en estos sistemas juega un papel muy importante en el rendimiento de las plantas de generación de energía solar termoeléctrica. Además, el conocimiento de estos valores de reflectividad permite, junto a la información de las condiciones medioambientales de la zona y otros datos técnicos de las plantas, hacer una previsión de la potencia que será generada en un futuro cercano para gestionar correctamente los recursos energéticos por parte de las empresas.

Para la explotación y el mantenimiento de las instalaciones de producción de energía eléctrica, debido al gran número de espejos instalados, es conveniente contar con un equipo que permita realizar la caracterización de reflectividad de cada espejo de forma rápida, cómoda y sencilla. Un equipo que realiza una medida de este tipo se denomina reflectómetro.

Dadas las características ópticas de los elementos absorbedores de energía solar que se incluyen en estas plantas (máxima absorción de energía y mínimas pérdidas energéticas, lo que determina dependencias de los parámetros ópticos con la longitud de onda) , el equipo debe proporcionar medidas de los espejos en función de la longitud de onda.

Así mismo, el equipo debe proporcionar con precisión la medida de valores extremos de reflexión, cercanos a la unidad, generalmente en condiciones ambientales desfavorables ya que la luz ambiente será habitualmente de alta intensidad llegando incluso a superar, en algunos casos, la propia señal a medir. A esto se le añade el requisito de altísima precisión en las medidas, imprescindible en la tecnología termosolar para mantener la eficiencia en las plantas de producción de electricidad.

Por otro lado, la reflexión en los espejos puede ser de dos caracteres, difusa y especular. La reflexión difusa es omnidireccional, al contrario que la reflexión especular en la que el haz se refleja en un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia. Debido a la suciedad que se deposita sobre la superficie de los espejos en planta, la reflexión de la luz solar tendrá componentes difusa y especular, siendo únicamente útil desde el punto de vista de generación de energía la reflexión especular, por cuanto es la única que se concentrará sobre el elemento absorbedor. Por ello, el equipo debe minimizar la contribución de la reflexión difusa sobre la medida del coeficiente de reflexión de los espejos.

Finalmente, el equipo debe tener capacidad de medir correctamente el conjunto de tipos de espejos empleados habitualmente en las centrales. Concretamente, deberá ser capaz de medir correctamente espejos planos, con cierta curvatura esférica, parabólicos y cilindro-parabólicos de diferentes espesores sin necesidad de ajustes en el equipo.

En un reflectómetro clásico se utiliza una fuente de luz de espectro ancho y un elemento de filtrado variable que permita seleccionar secuencialmente distintas longitudes de onda, como puede ser una red de difracción móvil seguida de una rendija estrecha. 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. Por otro lado, los equipos clásicos no minimizan la contribución de reflexión difusa; de hecho, en algunos casos es de interés recoger toda la luz difusa y se implementan esferas integradoras en detección.

La patente US 5815254 describe un equipo espectrofotómetro que puede trabajar en modo de medida de transmisión y en modo de medida de reflexión. Utiliza una fuente de luz blanca, halógena o de Xe, fibras ópticas para llevar el haz de luz de iluminación de la muestra sobre la superficie de la muestra, y un análisis espectral basado en red de difracción y una línea de detectores.

La patente US 3862804 describe un equipo reflectó metro de doble haz con espejo conmutado para incluir en cada medida la corrección con la medida de un patrón, y esfera integradora para incluir en la medida de reflexión la luz difusa. El sistema utiliza luz blanca, monocromador para hacer la selección de longitudes de onda, iluminación con haces colimados y esfera integradora en la detección lo que significa que toda la luz difusa es recogida y medida en la detección.

La patente US 4687329 describe un equipo espectrofotómetro 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 US 2008/0144004 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.

Ninguno de los equipos citados ni otros similares cumplen los requisitos necesarios para la medida en campo de los espejos 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, para obtener un equipo portátil, robusto, de fácil manejo, con rapidez en la medida, sensibilidad y rango dinámico adecuados, con tolerancia suficiente en curvatura y espesor del espejo a medir y que minimice la contribución de la reflexión difusa en la medida.

El equipo realiza la medida del coeficiente de reflexión especular de espejos a diferentes longitudes de onda, determinadas éstas por diodos emisores de luz LED. Los espejos objeto de caracterización pueden ser planos o curvos, y pueden ser espejos de primera o de segunda cara con diferentes espesores.

Cada longitud de onda de medida constituye un canal óptico de medida de reflectancia en el equipo. Para cada canal óptico de medida de reflectancia, el equipo realiza dos medidas, una medida de referencia sobre un porcentaje de la luz emitida por el LEO y una medida directa de la luz reflejada especularmente por el espejo. El equipo realiza medición simultánea de referencia y directa en cada canal óptico de medida para corregir adecuadamente las variaciones en la potencia de emisión del LEO de dicho canal.

El número de canales ópticos puede ser variable, con al menos uno y cubriendo el rango espectral deseado con LEOs comerciales en el rango ultravioleta a infrarrojo cercano. Con los requisitos habituales para la caracterización espectral de una instalación de producción de energía termosolar, puede ser suficiente con disponer de alrededor de cinco longitudes de onda de medida.

Para...

1. Reflectómetro portátil para caracterización de espejos de colectores solares (1) caracterizado porque comprende al menos los siguientes elementos: -un módulo que realiza la medida del coeficiente de reflexión del espejo (13) con al menos un diodo emisor de luz (2) como fuente óptica y al menos dos fotodetectores (3, 4) ; -un diafragma (5) que limita, en tamaño y apertura, el haz de luz de salida del emisor e incidente sobre el espejo para asegurar el tamaño del área iluminada en la superficie espejada limitando así la contribución de reflexión difusa en la medida; -una lente (6) situada tras la reflexión especular del haz en el espejo, orientada según el eje óptico del sistema (7) , y que focal iza el haz de luz en el fotodetector (3) -un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de señales (12) que comprende una detección síncrona (16) analógica o digital, un conversor analógico/digital (17) más un generador de modulación electrónico (18) ; -un sistema de tratamiento de datos y control del equipo (14) ; -un sistema de almacenamiento de los datos de interés (15) ; -un sistema de interfaz de usuario (23) ; -un sistema de comunicación entre los sistemas anteriores (12, 13, 14, 15, 23) ; -una carcasa exterior.

2. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque los fotodetectores (3, 4) están seguidos de dos etapas de amplificación (19) .

3. Reflectómetro portátil según reivindicación 2 caracterizado porque al menos una de las dos etapas de amplificación tiene una ganancia que puede variarse en cualquier momento mediante comandos software.

4. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el número de diodos emisores de luz está comprendido entre 1 y 24 Y dentro del rango espectral entre 300 y 2500 nm correspondiente al espectro solar.

5. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque la disposición de los emisores se colocan en una configuración en línea.

6. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque la disposición de los emisores se colocan en una configuración en círculo.

7. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque cada emisor se coloca orientado de manera que la dirección de máxima emisión del haz de luz coincida con el eje óptico de incidencia del sistema sobre el espejo.

8. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque la lente (6) es de tamaño doble que el tamaño del haz en este punto.

9. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el generador de modulación (18) sea un oscilador local.

10. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque la conversión analógico/digital (17) se realice con una tarjeta de adquisición de datos DAQ o con un microcontrolador.

11. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el generador de modulación (18) sea cualquier sistema de procesado digital como un DSP (procesador digital de la señal) , una FPGA (Field Programmable Gate Array) , un microcontrolador con capacidad de procesado digital de señalo un ordenador.

12. Reflectómetro portátil según reivindicación 11 caracterizado porque el procesado de la señal sea realizado con cualquier sistema de procesado digital como un DSP (procesador digital de la señal) , una FPGA (Field Programmable Gate Array) , un microcontrolador con capacidad de procesado digital de señalo un ordenador.

13. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de procesado digital utilizado en la detección síncrona (16) y en el generador de modulación (18) sean el mismo.

14. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de tratamiento de datos y control del equipo (14) es un ordenador externo al reflectómetro portátil.

15. Reflectómetro portátil según reivindicación 14 caracterizado porque la comunicación entre el equipo y el ordenador externo se realiza vía inalámbrica o por cable.

16. Reflectómetro portátil según reivindicación 14 caracterizado porque el sistema de almacenamiento de los datos de interés (15) se ubica en el ordenador externo al reflectómetro portátil.

17. Reflectómetro portátil según reivindicación 14 caracterizado porque el sistema de interfaz de usuario (23) se ubica en el ordenador externo al reflectómetro portátil.

18. Reflectómetro portátil según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de tratamiento de datos y control del equipo (14) es un sistema integrado en el propio equipo.

19. Reflectómetro portátil según reivindicación 18 caracterizado porque el sistema integrado en el propio equipo sustituye a al menos uno de los componentes utilizados también en los procesos del sistema de detección y tratamiento de la señal (12) , siendo estos componentes el detector síncrono (16) , el conversor analógico/digital (17) Yel generador de modulación (18) , así como los del sistema de almacenamiento (15) y los del sistema de interfaz de usuario (23) .

20. Reflectómetro portátil según reivindicación 19 caracterizado porque el sistema integrado en el propio equipo sustituye al sistema de almacenamiento (15) y/o al sistema de interfaz de usuario (23) realizando sus funciones.

21. Método de caracterización de espejos de centrales termosolares haciendo uso del reflectómetro portátil de reivindicaciones anteriores caracterizado porque la medida del coeficiente de reflexión de los espejos comprende las siguientes etapas:

1. Posicionar el equipo de manera que apoye establemente sobre el espejo.

2. Encender los emisores del equipo.

3. Oe forma consecutiva, cada uno de los LEOs emisores es modulado a la frecuencia de medida.

4. Este haz de salida del LEO emisor en la dirección del espejo es limitado en

apertura numérica por un diafragma (5) para asegurar el tamaño del haz sobre la superficie espejada.

5. El haz generado por el emisor LEO (2) se refleja especularmente en la superficie espejada.

6. La reflexión especular del haz en el espejo es recogido por la lente (6) de tamaño doble que el tamaño del haz en este punto; esta lente (6) está orientada según el eje óptico del sistema y focaliza el haz de luz sobre el detector de medida de luz directa (3) .

7. Por otro lado, el sistema obtiene una señal de referencia a partir de la medida de parte de la luz emitida por el LEO en otra dirección diferente, mediante el detector (4) .

8. El dato obtenido en el detector de reflexión correspondiente al LEO modulado se normaliza con su señal de referencia, para eliminar la influencia de las variaciones en la intensidad de emisión de cada LEO.

9. Posteriormente, se obtiene el coeficiente de reflexión del espejo para cada longitud de onda de medida; este valor final del coeficiente se obtiene también por referencia a un patrón conocido.

10. Los valores correspondientes al patrón se almacenan en el equipo tras una calibración previa, que requiere la utilización de un espejo con coeficientes de reflexión conocidos; esta calibración se realiza siguiendo los tres primeros pasos de este mismo procedimiento.

11. Tratamiento posterior de la información adquirida, consistiendo básicamente en obtener los valores de coeficiente de reflexión para cada una de las longitudes de onda a partir de la relación entre señal directa y señal de referencia previa calibración mediante patrón.

12. Obtención de valores globales de reflectancia mediante ponderación de los valores obtenidos en cada longitud de onda con el peso correspondiente de dicha longitud de onda en el espectro solar.

y donde las medidas de señal de referencia y señal reflejada se miden simultáneamente para cada longitud de onda

22. Método de caracterización de espejos según reivindicación 27 caracterizado porque el haz de luz reflejado en el espejo es recogido directamente por el fotodetector (3) sin hacer uso de la lente (6) para obtener la señal de medida directa de la potencia reflejada.