Espectrofotómetro para caracterización de receptores de colectores solares.

Espectrofotómetro para caracterización de receptores (1, 2) de colectores solares para determinar propiedades ópticas (transmitancia y reflectancia).

El equipo permite evaluar un tubo receptor en tiempo real y en cualquier condición lumínica, tanto en interior como en exterior. El equipo también permite detectar la excentricidad entre el tubo exterior e interior, lo que influye directamente sobre la fiabilidad de la medida. El equipo tiene un sistema mecánico para permitir un giro del equipo en torno al tubo para encontrar la posición óptima de medida y fijarse al tubo.

ESPECTROFOTÓMETRO PARA CARACTERIZACiÓN DE RECEPTORES DE COLECTORES SOLARES

Sector técnico de la invención La invención se encuadra dentro de la tecnología de equipos o in5tnlmento Opticos de medida. Más concretamente se refiere a un equipo portátil para la caracterización espectral y en campo de los coeficientes de reflexión o reflectancia y coeficiente de tranmisión o transmitancia de los tubos receptores utilizados en la tecnologia termosolar de colector cilindro parabólico. El equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar dicha medida, adaptación mecánica al tubo, emisión y detección de señales, procesado de las mismas, visualización de resultados en pantalla y almacenamiento en unidad de memoria.

Antecedentes de la invención La captación de la energía solar, en su vertiente de captación térmica, cada vez está lomando mas importancia lecnológica y económica lanto desde el punlo de visla de producción de agua caliente, calefacción o refrigeración a nivel doméstico, como para la producción de energla eléctrica en centrales termoeléctricas solares. Estos sistemas requieren un máximo de absorción de la energia solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, en los colectores cilindroparabólicos, los receptores están configurados por dos tubos concéntricos: un primer tubo exterior de vidrio dentro del cual se sitúa un tubo interior metálico absorbedor generalmente de acero, existiendo entre ellos condiciones de vacío que disminuyen las pérdidas por conducción y convección. El tubo interior posee un recubrimiento o coating 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 energia 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 dispositivo y de un método adecuado de caracterización en campo de las caracterlsticas 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 ademas conveniente que la medida pueda realizarse de forma rápida y sencilla. Dadas las caracteristicas 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 de la longitud de onda de la luz en que se evalúan, es indispensable realizar una caracterización espectral de los mismos. Un equipo que rE!aliza 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. 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 espec:1rofotómetros en los que se utiliza como fuente de luz una colección de fuentes de diferentes longitudes de onda. En 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 US4286327, donde sí se realiza una medida secuencial a distintas longitudes de onda (, en el infrarrojo) , pero en este caso los LEOs utilizados son idénticos y la selección e~;pectral se realiza mediante filtros fijos de distinta longitud de onda central. Tampocc) 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 !~imilares cumplen los requisitos necesarios para la medida en campo de los tubos absl:lrbentes para colectores solares, ya sea por rango, sensibilidad y/o configuración mecánica.

Es de especial atención WO 2011 /104401. A continuación se set"lalan las principales diferencias entre WO 2011 /104401 y la invención.

1) El dispositivo reivindicado en WO 2011 /104401 requiere de un canal óptico

diferente para cada longitud de onda en que se mida, tanto en reflexión como en

transmisión. mientras que el equipo de la invención precisa de un único canal

óptico en el que discurre una radiación que comprende las longitudes de onda de

interés para la medida.

2) WO 2011 /104401 tampoco recoge ningún sistema de alineamiento que permita

detectar la no concentricidad del tubo interno y externo del receptor.

3) WO 2011/104401 tampoco presenta una interfaz visual integrada en el propio

dispositivo, si no que se comunica con IJn ordenador por red inalámbrica.

4) WO 2011 /104401 no presenta adaptación mecánica del equipo al tubo receptor.

5) WO 2011 /104401 no tiene unidad de almacenamiento de datos.

6) El equipo de WO 2011 /104401 realiza la medida espectral en base a un conjunto

de LEOs dispuestos en línea situados en el equipo a lo largo del tubo receptor, de

manera que se constituye un canal óptico por cada LEO implementado. Cada

canal óptico de medida está formado por un LEO, un detector de referencia y un

detector de medida, lo que hace que el número de detectores usados en el equipo

sea alto, lo que aumenta la complejk:tad del equipo. Esta configuración óptica

determina el tamat"lo del equipo en fun (;ión del número de LEOs, a mayor número

de LEDs mayor será el tamaño del equipo.

7) Tanto el sistema de WO 2011 /104401 como el de la invención son afectados por

las variaciones de temperatura, ya que la intensidad de la radiación emitida por un

LEO. y la forma de su haz, pueden variar con la temperatura. Sin embargo, esta

indeseada interferencia de la temperatura en el funcionamiento del sistema de WO

2011 /104401 , no puede ser compensada ni corregida porque el sistema de

detección y referencia no está configurado para detectar la alteración en la medida

provocada por la temperatura.

Esto es debido a que en el sistema de WO 2011 /104401 el detector de referencia

no recibe toda la luz emitida por el LEO, puesto que el detector de referencia se

encuentra situado al lado del LEO y no ve la superfiCie completa del LEO (tiene

una visión sesgada de él) y por tanto tampoco el haz completo de radiación

emitido por éste.

Por esta razón , con el dispositivo de WO 2011 /104401 , no se asegura medir la

misma luz radiada en referencia que en medida, existiendo una menor fiabilidad

en la medida de la reflectividad y la transmisividad que en el dispositivo de la invención, debido a las posibles variaciones en el haz con la temperatura no detectadas por el detector de referencia.

S) Además el sistema de WO 2011/104401 no tiene una uniformidad de los haces de medida ya que emplea directamente la radiación de los LEOs. Por esta razón, el sistema no cuenta con sensibilidad frente a cambios de posición de los tubos, es decir, el sistema tiene lo que se denominará en la descripción una falta de tolerancia geométrica ..

9) La presente invención puede comprender esferas integradoras, lo que permite, además de optimizar el espacio y el número de componentes usados, homogeneizar el haz de luz emitido mejorando así la calidad de la señal.

La invención resuelve los problemas descritos anteriormente mediante un equipo portátil ligero, totalmente autónomo, adaptable mecánicamente al tubo, que permite una ejecución y procesado de medidas rápidos, y con una sensibilidad y precisión adecuadas.

Descripción de la invención La invención se...

1. Espectrofotómetro para caracterización de receptores (1 , 2) de colectores solares, comprendiendo dichos receptores un tubo interior (2) y un tubo exterior (1) , estando el espectrofotómetro caracterizado porque comprende:

S (1a) un módulo de medida (31, 32, 6, 7) configurado para tomar una medida de un coeficiente de reflexión y de un coeficiente de transmisión del receptor (1 , 2) ; (1 b) un módulo de detección de concentricidad (8, 9) configurado para detectar una concentricidad/no concentricidad entre el tubo interior (2) y el tubo exterior (1) .

2. Espectrofotómetro según la reivindic81ción 1 caracterizado porque comprende: medios de posicionamiento (14, 10) configurados para: (2a) permitir una orientación del espectrofotómetro mediante un giro del

espectrofotómetro en torno a un eje longitudinal del tubo exterior (1) ; (2b) colocar y fijar el espectrofotómetro en la posición óptima de medida del lS coeficiente de reflexión y del coeficie!nte de transmisión.

3. Espectrofotómetro según la reivindicación 1 caracterizado porque: (3a) el coeficiente de transmisión a medir es un coeficiente de transmisión del tubo exterior (1) ;

(3b) el módulo de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7) , configurado para medir el coeficiente de transmisión del tubo exterior (1 ) , comprendiendo el dispositivo ele la transmitancia (32, 7) :

(3b1) una fuente emisora, donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) :

(3b1 a) configurada para emitir una primera radiación (T) ; (3b1 b) orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la primera radiación (T) sin interceptar el tubo interior (2) produciendo una primera radiación transmitida (1') ;

(3b2) un detector de luz para la medida de la transmitancia (7) configurado 30 para recibir la primera radiación transmitida (1') que ha atravesado el tubo exterior (1) ,

4. Espectrofotómetro según la reivindicación 3 caracterizado porque comprende:

(4a) medios de cálculo del coeficiente de transmisión del tubo exterior (1) a partir de la 3S primera radiación (T) y de la primera radiación transmitida (r)

5. Espectrofotómetro según la reivindicación 1 caracterizado porque: (5a) el coeficiente de reflexión a medir es un coeficiente de reflexión del tubo interior (2) ; (5b) el módulo de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la reflectancia (31, 6) configurado para medir el coeficiente de reflexión del tubo interior (2) , comprendiendo el dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6) ;

(5b1) una fuente emisora , donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) : (5b1 a) configurada para emitir una segunda radiación (R) , emitida hacia el tubo interior (2) ; (5b1b) orientada de manera que el tubo interior (2) es interceptado por la segunda radiación (R) produciendo una radiación reflejada (R' ) ;

(5b2) un detector de luz para la medida de la reflectancia (6) configurado para recibir la radiación reflejada (R') en el tubo interior (2) .

6. Espectrofotómetro según la reivindicación 5 caracterizado porque comprende: (6a) medios de cálculo del coeficiente de reflexión del tubo interior (2) a partir de la segunda radiación (R) y de la radiación reflejada (R') en el tubo interior (2) .

7. Espectrofotómetro según la reivindicación 1 caracterizado porque el módulo de concentricidad (8, 9) comprende: (7a) una fuente emisora, donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para

detectar una concentricidad/no concentricidad (8) : (7a1) configurada para emitir una tercera radiación (CO) ; (7a2) orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la tercera

radiación (CO) sin interceptar e~1 tubo interior (2) produciendo una segunda radiación transmitida (CO') ; (7b) un array de detectores (9) configurado para recibir la segunda radiación transmitida (CO') .

8. Espectrofotómetro según la reivindicación 5 caracterizado porque el dispositivo de medida de la reflectancia (31, 6) comprende: (Sa) una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia, emisora de radiación infrarroja (31IR) ;

(Sb) un detector de luz para la medida de I, a reflectancia de radiación infrarroja (6IR) ;

para cubrir un espectro infrarrojo;

(Sc) una fuente emisora de luz para lal medida de la reflectancia, emisora de radiación visible y ultravioleta (31UV) ; (Sd) un detector de luz para la medida de la reflectancia de radiación visible y ultravioleta (6UV) ; para cubrir un espectro visible y ultravioleta.

9. Espectrofotómetro según la reivindicación 3 caracterizado porque el dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7) comprende: (9a) una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación infrarroja (32IR) ; (9b) un detector de luz para la medida de la transmitancia de radiación infrarroja (7IR) ; para cubrir un espectro infrarrojo; (9c) una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación visible y ultravioleta (32UV) ; (9d) un detector de luz para la medida ¡::le la transmitancia de radiación visible y ultravioleta (lUV) ; para cubrir un espectro visible y ultravioleta.

10. Espectrofotómetro según la reivindicación 3 caracterizado porque el módulo de medida de la transmitancia (32, 7) se dispone dentro del espectrofotómetro de tal manera que durante la medición 10a) la fuente emisora de luz para la meclida de la transmitancia (32) está alineada oon una cuerda (C) del receptor (1 , 2) Y , enfocada a un primer extremo (e1) de la cuerda (e) situado el primero extremo (e1) en el tubo exterior (1) ; y 10b) el detector de luz para la medida de! la transmitancia (7) está alineado con la cuerda (C) y enfocado a un segundo extremo (C2) de la cuerda (C) situado el segundo extremo (e2) en el tubo exterior (1 ) y opuesto al primer extremo (e1 ) .

. Espectrofotómetro según la reivindicación 5 caracterizado porque el módulo de medida de la reflectancia (31 , 6) se dispone se dispone dentro del espectrofotómetro de tal manera que durante la medición:

S 11a) la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) está contenida en un plano longitudinal (PL) del receptor (1, 2) y enfocada hacia una generatriz (G1) en el tubo exterior (1) ; 11 b) el detector de luz para la medida de la reflectancia (6) está contenida en el plano longitudinal (PL) y enfocado a la generatriz (G1) en el tubo exterior (1) .

10 12. Espectrofotómetro según las reivindicaciones 3 y 5 caracterizado porque la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) y la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) están en un mismo sector (S) del receptor (1, 2) .

13. Espectrofotómetro según cualquiera de las reivindicaciones 3, 5 o 7 caracterizado porque la fuente emisora (31, 32, 8) comprende una esfera integradora (3) .

15 14. Espectrofotómetro según cualquiera de las reivindicaciones 3, 5 o 7 caracterizado porque la fuente emisora (31 , 32, 8) comprende un LED (4) .

20 15. Espectrofotómetro según las reivindica.ciones 3, 5 caracterizado porque lafuente emisora seleccionada entre la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) , la fuente emisora de luz para la medkja de la transmitancia (32) y combinaciones de las mismas comprende una pluralidad de LEOs.

25 16. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente un circuito digital, que realiza las funciones de adquisición y conversión analógico/digital de las señalE~ de interés.

30 17. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una tarjeta de procesado digital, para extraer la señal del posible fondo de ruido óptico y eléctrico ambiental. 18. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una interfaz consistente en pantalla y teclado.

35 19. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado comprende adicionalmente un sistema GPS de localización geográfica. porque

20. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una unidad de memoria externa para almacenar toda la información del equipo y los valores medidos.

21. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una unidad central de control y procesado, que controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando todas las

comunicaciones.

22. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una carcasa (1 t ) .