ESPECTROFOTÓMETRO PARA CARACTERIZACIÓN ÓPTICA AUTOMATIZADA DE TUBOS COLECTORES SOLARES Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO.

Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares y método de funcionamiento,

que mide los coeficientes de transmisión del tubo de vidrio (13) y de reflexión del tubo metálico (15). Este equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar esta medida, como son el banco óptico (1) donde se soporta el tubo (2), el estándar o patrón (3) y los módulos ópticos del equipo, un módulo principal (5) que genera los haces de luz, un módulo de medida (4) que realiza la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior de vidrio (13) y del coeficiente de reflexión del tubo interior metálico (15), un sistema mecánico de giro del tubo (9), un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6), un ordenador externo (7) para el control del equipo y el tratamiento de los datos medidos y un sistema de comunicación (8) entre el equipo y el ordenador (7).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201001348.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: VILLUENDAS YUSTE,FRANCISCO, ALONSO ESTEBAN,RAFAEL, MARTINEZ SANZ,NOELIA, SALINAS ARIZ,IÑIGO, HERAS VILA,Carlos David, IZQUIERDO NUÑEZ,David, FORCADA PARDO,Santiago.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F24J2/05
  • G01J3/42 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. › Espectrometría de absorción; Espectrometría de doble haz; Espectrometría por centelleo; Espectrometría por reflexión (disposiciones para la conmutación de haces G01J 3/08).
  • G01N21/31 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). › investigando el efecto relativo del material para las longitudes de ondas características de elementos o de moléculas específicas, p. ej. espectrometría de absorción atómica.
ESPECTROFOTÓMETRO PARA CARACTERIZACIÓN ÓPTICA AUTOMATIZADA DE TUBOS COLECTORES SOLARES Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO.

Fragmento de la descripción:

Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares y método de funcionamiento.

Sector técnico de la invención La invención se encuadra dentro del sector de los aparatos de medida, más concretamente, en los aparatos o instrumentos de medida de parámetros ópticos, como son coeficientes de reflexión y transmisión en superficies cilíndricas.

Las superficies a caracterizar son los tubos absorbedores que se instalan en los colectores solares, normalmente compuestos por dos tubos concéntricos: un tubo interior metálico del que interesa conocer su coeficiente de reflexión y un tubo exterior de vidrio, del que interesa conocer su coeficiente de transmisión.

Este equipo incluye todos los componentes necesarios para hacer la medida, como son el banco sobre el que se soporta el tubo permitiendo el giro del mismo y el desplazamiento del cabezal óptico de medida, el cabezal óptico que realiza las medidas de reflexión y de transmisión, el módulo que genera los haces ópticos de medida de transmisión y reflexión, el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos, un ordenador externo para el control del equipo y la exportación de datos medidos y un sistema de comunicación entre el equipo y el ordenador.

Antecedentes de la invención Las energías renovables por captación de energía solar térmica son de relevante importancia tecnológica y económica en el sector doméstico e industrial. Entre las tecnologías destacadas se encuentran las centrales termoeléctricas solares de concentración de energía solar por espejos cilindro-parabólicos sobre tubos de captación solar.

Estos sistemas requieren un máximo de absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, están configurados en 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 y características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano, en los que los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial en el rendimiento del sistema.

Por todo ello, se hace relevante disponer de un sistema adecuado de caracterización de los tubos absorbentes que permita medir con resolución espectral sus coeficientes de transmisión y de reflexión (máxima absorción de energía y mínimas pérdidas energéticas) y que también permita asegurar la uniformidad de estos valores en todos los puntos del tubo. Para ello el equipo deberá ser capaz de medir con precisión valores extremos de los coeficientes de reflexión y transmisión (cercanos a cerooala unidad) , con precisión espectral (entorno a los 10 nm) , en las longitudes de onda exigidas por las diferentes normativas de referencia, y de forma automatizada a lo largo de diferentes puntos del tubo.

Un equipo que realiza una medida espectral de este tipo se denomina espectrofotómetro.

La patente US4669873, 2 de junio de 1987, describe un espectrofotómetro para medir luz transmitida, reflejada o radiada en al menos un objeto o capa. La luz es llevada por cable de fibra de vidrio formado por una matriz de fibras desde el punto de medido hasta el espectrofotómetro. El objeto de la patente es permitir un número elevado de puntos de medida mutuamente independientes o de varios objetos a partir de una sola medida y un solo sistema de análisis, manteniendo precisión de la medida. El sistema utiliza su dispersor espectroscópico de luz, de manera que la luz de cada fibra es dispersada en sus longitudes de onda sobre diferentes puntos donde hay por ejemplo una CCD (chargecoupled device, dispositivo de carga acoplada) , y para cada fibra hay un ángulo distinto y por tanto una CCD distinta. Se tiene así en la detección un array de fibras, cada una con su CCD, para espectroscopia individual y simultánea de los distintos puntos de muestra recogidos por las distintas fibras utilizadas.

La patente US4921351 de mayo de 1990 describe un espectrofotómetro para medida de reflectancia de un objeto usando como fuente de luz una lámpara de Xe de tubo pulsada, para emitir varios flashes dentro del tiempo de medida y poder filtrar mediante filtro paso alto la luz ambiente.

La patente US5815254 septiembre 1998 describe un aparato con dos modos de medida, uno para transmitancia y otro para reflectancia. El aparato consta de dos canales ópticos, con un detector en cada canal óptico, para la medida de luz directa y medida de luz de referencia. La ventaja de usar sólo dos canales es que nos permite tener un equipo compacto para campo. Los canales ópticos están formados preferentemente por fibras ópticas, pudiendo también estar formados por lentes y espejos. En la medida de transmitancia, sólo se inyecta luz desde una fibra. En la medida de reflectancia, el objeto se ilumina desde varias fibras todas posicionadas en circunferencia e incidiendo a 45º, de manera que la reflexión de todas las fibras se recoge en una única fibra para llevar la señal al detector.

La patente US6559941 de mayo de 2003 describe un espectrofotómetro UV-VIS con una fuente de luz pulsada Xe y detectores de estado sólido. El rango dinámico en los detectores se reduce modificando la potencia emitida en los pulsos de la fuente de luz y la anchura de la rendija a la entrada del monocromador. En esta patente se habla de la no uniformidad espacial de los pulsos generados en la lámpara, que deben considerarse en el diseño de la detección para colocar detectores de estado sólido en vez de fotomultiplicadores.

La patente US2009/0213371A1, de agosto de 2009, describe un espectrofotómetro con dos detectores que solapan sus rangos espectrales diferentes, para cubrir un rango espectral mayor que el de cada uno de ellos individualmente. Describe un módulo principal donde está la electrónica y la óptica de generación de luz y detección de luz y un módulo de medida o prueba, conectados ambos por dos fibras ópticas. El módulo principal se puede conectar por USB a unPC. El módulo de medida se fabrica a medida para cada diferente geometría del objeto, y se intercambian. Únicamente proyecta la luz sobre la muestra y recoge la luz reflejada, que por la fibra vuelve al módulo principal para su detección. Utiliza haz de fibras. La red de difracción está colocada en la parte de detección del módulo principal, de manera que los detectores están colocados en distintas posiciones para recoger el espectro que corresponde con el ángulo de salida de la red de difracción. Esto es, se usan dos detectores pero no se divide el haz de luz (para no perder potencia) sino que se separan espacialmente los espectros con el ángulo de salida de la red de difracción.

Ninguno de los equipos citados ni otros similares cumplen los requisitos necesarios para la caracterización automatizada de los tubos absorbedores para colectores solares, ya sea por rango, sensibilidad y/o configuración mecánica.

Descripción de la invención Banco, espectrofotómetro y método de caracterización de tubos absorbedores de colectores solares para la caracterización simultánea y automatizada de coeficientes de reflexión y transmisión en cualquier punto del tubo.

La presente invención toma en consideración las características específicas para un diseño que reúna requisitos como automatización, precisión, rapidez en la medida, sensibilidad y rango dinámico adecuados.

El equipo realiza la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior de vidrio y del coeficiente de reflexión del tubo interior metálico. El equipo realiza las medidas para diferentes longitudes de onda determinadas por un monocromador que filtra espectralmente el haz de luz obtenido de una lámpara de luz blanca. Las medidas pueden realizarse automáticamente en cualquier punto del tubo.

Para automatizar el proceso de caracterizar cualquier punto del tubo, el equipo incorpora un sistema de rotación del tubo que permite el giro del mismo en al menos ±180º y un sistema de desplazamiento lineal que permite desplazar el módulo de medida a lo largo de toda la longitud del tubo y más allá de la longitud del mismo para permitir también la calibración del espectrofotómetro en base a un patrón.

Para realizar la medida de transmisión y de reflexión de forma simultánea e independiente, en el equipo se generan dos haces de luz, uno para transmisión y el otro para reflexión, obtenidos desde la misma fuente de luz y marcados a diferente frecuencia...

 


Reivindicaciones:

1. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) de los formados por un tubo interior metálico (15) y un tubo exterior de vidrio (13) caracterizado porque el espectofotómetro se sitúa en un banco de medida (1) donde se coloca el tubo (2) a caracterizar y comprende:

- un módulo principal (5) que genera los haces de luz para la medida de transmisión del tubo de vidrio exterior (13) y para la medida de reflexión del tubo metálico interior (15) ;

- un módulo de medida (4) que se desplaza de forma automatizada a lo largo de la longitud del tubo (2) y realiza en cada punto la medida del coeficiente de reflexión del tubo interior (15) y la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior (13) ;

- un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos con conversor analógico/digital (6) ;

- un ordenador externo (7) para el control del equipo y el tratamiento de los datos medidos (48) ;

- un sistema de comunicación (8) entre el equipo y el ordenador (7) y el resto del equipo.

2. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el banco de medida (1) comprende un sistema mecánico (9) para el giro del tubo (2) y una unidad lineal de desplazamiento (10) para el desplazamiento del módulo de medida (4) a lo largo de la longitud del tubo (2) .

3. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el módulo principal (5) comprende una fuente de luz blanca (17) , un conjunto de filtros (11) a la salida de la fuente (17) que conmutan asegurando la eliminación de armónicos en el rango espectral de medida, un monocromador (16) a la salida de los filtros que selecciona la longitud de onda deseada sobre la señal de luz, dos fibras ópticas multimodo a la salida del monocromador (16) para generar dos canales ópticos (12, 14) y un sistema de modulación por chopper (18) de la señal óptica de los dos canales (12, 14) .

4. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el módulo principal (5) y el módulo de medida (4) se conectan mediante dos fibras ópticas multimodo de área grande colocadas en una cadena portacables (19) .

5. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 4 caracterizado porque tanto para la medida de transmisión o transmitancia como para la de reflexión o reflectancia, el módulo de medida (4) realiza simultáneamente dos medidas: una la medida de la señal directa, bien transmitida por el tubo exterior de vidrio (13) o bien reflejada por el tubo interior metálico (15) y una segunda, la medida de la señal de referencia.

6. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 5 caracterizado porque en la medida de transmitancia (12) , tras la salida de la fibra óptica multimodo, se instala una lente óptica (20) en el rango de frecuencias de trabajo para colimar el haz de luz a la salida de la fibra óptica multimodo y que actúa como diafragma del sistema, a continuación se instala un divisor de haz (21) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia.

7. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 6 caracterizado porque para la medida directa se instala una segunda lente (22) de diámetro mayor que el diafragma del sistema (20) que captura toda la luz del haz tras atravesar el vidrio curvado del tubo (13) y tras la lente (22) se instala un divisor de haz (25) que divide y focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (23) y (24) .

8. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 6 caracterizado porque para la medida de referencia se instala una lente (26) de diámetro mayor que el diafragma del sistema que focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (28, 29) , tras pasar por un divisor de haz (27) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores (28, 29) .

9. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 5 caracterizado porque en la medida de reflectancia, tras la salida de la fibra óptica multimodo, se coloca un diafragma (50) , de manera que se asegura una medida de reflectancia estable y a continuación se instala un divisor de haz (49) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia.

10. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 9 caracterizado porque para la medida directa se instala una lente óptica (30) que focaliza el haz de luz sobre la superficie del tubo metálico (15) , y tras ella se coloca una segunda lente (31) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto y esta segunda lente (31) focaliza el haz óptico sobre dos detectores de área grande (33, 34) , tras pasar por un divisor de haz (32) donde es dividido y encaminado hacia dichos detectores.

11. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 9 caracterizado porque para la medida de referencia se instala una lente (35) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto que focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (37, 38) , tras pasar por un divisor de haz (36) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores (37, 38) .

12. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según cualquiera de las reivindicaciones 7, 8, 10, 11 caracterizado porque los detectores empleados (23-24.

2. 29.

3. 34.

3. 38) tienen espectro de respuesta que se solapa, de manera que el conjunto cubre un rango espectral de medida mayor que el cubierto por cada uno de los detectores individualmente.

13. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 12 caracterizado porque cada pareja de detectores son uno de Si y otro de InGaAs, para cubrir el rango de frecuencias ópticas desde 300 nm hasta 2500 nm.

14. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 12 caracterizado porque los fotodetectores están seguidos de dos etapas de amplificación a base de resistencias.

15. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 14 caracterizado porque las resistencias puede ser un potenciómetro digital cuyo valor se puede controlar vía software.

16. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema óptico de la medida de reflectancia está colocado sobre el banco de reflexión

(42) que es una base en forma de cuña.

17. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 16 caracterizado porque la cuña es tal que el ángulo de incidencia del haz de luz sobre el tubo metálico es de 15º.

18. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 16 caracterizado porque en un lado del banco de reflexión (42) se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de focalización del haz de luz de reflexión sobre la superficie del tubo metálico junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la reflexión y en el otro lado del banco (42) se colocan los elementos ópticos de recogida y focalización en los detectores del haz de luz reflejado por el tubo metálico y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la reflexión.

19. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema óptico de la medida de transmitancia está colocado sobre el banco de transmisión (43) que es una base plana.

20. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 19 caracterizado porque en un lado del banco de transmisión (43) se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de colimación del haz de luz de transmisión a través del tubo de vidrio junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la transmisión y en el otro lado se colocan los elementos ópticos de recogida y focalización en los detectores del haz de luz que atraviesa el tubo de vidrio y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la transmisión.

21. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicaciones 16 y 19 caracterizado porque en medio de estos dos sistemas ópticos queda colocado el tubo a medir (2) y una ventana (44) que permite el paso del haz óptico de reflexión incidente y reflejado por el tubo metálico.

22. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 21 caracterizado porque el sistema óptico de transmitancia está colocado de manera que su eje óptico de incidencia (45) es transversal al eje del tubo (2) y debajo de él se encuentre el sistema óptico de reflectancia colocado de manera que su eje óptico de incidencia (46) es longitudinal al eje del tubo.

23. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6) cuenta con un conversor analógico/digital que recibe las señales eléctricas analógicas detectadas (40) en el módulo de medida (4) y las lleva hasta el ordenador (7) para su procesamiento.

24. Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el ordenador externo (7) para el control del equipo de tratamiento de los datos medidos tiene un programa instalado que permite utilizar los comandos (47) programados en el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6) para realizar todas las funciones necesarias en el proceso de medida y la lectura de los datos obtenidos (48) para su posterior tratamiento y almacenaje.

25. Método de funcionamiento del espectrofotómetro descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas para la obtención de los coeficientes de reflexión y transmisión de los tubos:

1. Posicionar el tubo (2) en el banco (1) .

2. Encender la fuente de luz blanca (17) del equipo.

3. Seleccionar en el sistema los puntos de medida del tubo (2) y las longitudes de onda de medida.

4. El equipo posicionará secuencialmente la rotación del tubo y la posición del módulo de medida (4) en cada uno de los puntos de medida configurados; en cada uno de estos puntos, el monocromador (16) realiza el barrido espectral seleccionado; para cada longitud de onda, el dato obtenido en los detectores de transmisión y de reflexión se normaliza con su medida de referencia; en función de la longitud de onda, en el equipo se posiciona un filtro óptico para la eliminación de armónicos y unas ganancias en los detectores para adecuar el nivel de señal recibida en cada uno al rango de medida de cada detector.

5. Posteriormente, se obtiene el coeficiente de transmisión y de reflexión de los tubos para cada longitud de onda de medida; este valor final de los coeficientes se obtiene también por referencia a un patrón conocido.

6. Los valores correspondientes al patrón están almacenados en el equipo y se han obtenido previamente tras un proceso de calibración, que requiere la utilización de un tubo (3) con coeficientes de transmisión y de reflexión conocidos; esta calibración se realiza siguiendo los pasos2a4de este mismo procedimiento.


 

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