ES2372191A1 - Espectrofotómetro portátil y método de caracterización de tubos de colectores solares. - Google Patents
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Abstract
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).
Description
Espectrofotómetro portátil y método de
caracterización de tubos de colectores solares.
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.
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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.
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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:
- -
- Varios diodos emisores de luz o LEDs, que cubren el rango de longitudes de onda en que desean caracterizarse los tubos absorbentes, en una realización preferente se utilizaría una pareja de LEDs por cada longitud de onda.
- -
- Cuatro fotodetectores por cada pareja de LEDs utilizados, para obtener las señales de reflexión, transmisión y referencia para cada una de las longitudes de onda.
- -
- Un circuito digital, que realiza las funciones de adquisición y conversión analógico/digital de las señales de interés.
- -
- Una tarjeta de procesado digital, para extraer la señal del posible fondo de ruido óptico y eléctrico ambiental. Esta tarjeta puede encargarse también, en caso necesario, de aplicar la modulación elegida a las fuentes LED.
- -
- Un sistema de comunicación inalámbrica con cualquier ordenador personal que disponga del software de medida adecuado.
- -
- Una unidad central de proceso, que controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando las comunicaciones internas y externas.
- -
- Una carcasa que proporcione el aislamiento adecuado de los componentes electrónicos y ópticos del sistema, permita transportarlo con facilidad y acoplarlo de manera sencilla y repetitiva a los tubos a medir.
- -
- El software a instalar en el ordenador que va a utilizarse con el equipo, necesario para llevar a cabo la comunicación con el mismo y el tratamiento posterior de la información adquirida.
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Una de las ventajas y avances que aporta la
invención es el hecho de que el sistema sea capaz de realizar
medidas con luz ambiente y en campo, sin necesidad de condiciones
especiales de oscuridad o protección.
Otro avance muy importante respecto a lo
conocido en el estado de la técnica, consiste en que el sistema de
la presente invención sea capaz de realizar simultáneamente medidas
en transmisión y reflexión, sin ningún tipo de ajuste entre
ellas.
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Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de
las características de la invención, acompañan a esta memoria
descriptiva una serie de figuras donde, con carácter meramente
indicativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 representa un esquema del sistema
óptico correspondiente a una longitud de onda de medida, que incluye
los emisores para reflexión y transmisión, los cuatro detectores
asociados y su disposición espacial respecto al tubo a medir.
La figura 2 representa la carcasa mecánica donde
se incluyen los componentes optoelectrónicos del sistema y su ajuste
a un tubo para su caracterización.
La figura 3 representa el esquema completo de la
realización propuesta, incluyendo el sistema óptico y los
componentes electrónicos, así como la tarjeta de procesado digital
de señal (DSP) que realiza las funciones de modulación, control y
detección síncrona.
La figura 4 representa el ejemplo concreto de
una medida de un tubo absorbente de colector
cilíndrico-parabólico.
En cuanto a las referencias utilizadas en las
figuras:
- (1)
- Tubo a caracterizar.
- (1')
- Tubo interno.
- (1'')
- Tubo externo.
- (2)
- Pieza que contiene los emisores y detectores para la medida de reflexión.
- (3)
- Pieza que contiene los detectores para la medida de transmisión.
- (4)
- Emisor de haz de LED para la medida de transmisión.
- (5)
- Emisor de haz de LED para la medida de reflexión.
- (6)
- Detector de transmisión.
- (7)
- Detector de reflexión.
- (8)
- Detector de referencia de transmisión.
- (9)
- Detector de referencia de reflexión.
- (10)
- Lámina parcialmente reflejante.
- (11)
- Lámina parcialmente reflejante.
- (12)
- Sistema de adquisición y tratamiento de datos.
- (13)
- Ordenador.
- (14)
- Tarjeta de procesado digital de señal (DSP).
- (15)
- Enrutador inalámbrico.
- (16)
- Comandos.
- (17)
- Datos.
- (18)
- Señales de modulación de los LEDs.
- (19)
- Control mediante salidas digitales.
- (20)
- Señales eléctricas analógicas medidas.
- (21)
- Amplificadores.
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El sistema óptico es una sección clave del
equipo propuesto, pues debe posibilitar la realización de una medida
simultánea de los tubos en transmisión y reflexión, con la precisión
y comodidad requeridas. Para lograrlo, se propone una realización
preferente según la disposición de la figura 1, donde de cada uno de
los emisores se obtiene una señal de referencia gracias a un divisor
de haz.
Los tubos (1) para colectores
cilindro-parabólicos están compuestos habitualmente
de dos tubos concéntricos (1', 1''), también representados en la
figura 1. El tubo interno (1') debe poseer un coeficiente de
reflexión muy bajo en el espectro solar (alta absorbancia) y alto en
la zona espectral del infrarrojo térmico (baja emisividad), para que
la absorción de calor sea lo más alta posible. Por otra parte, el
tubo exterior (1'') debe dejar pasar la mayor cantidad de luz
posible, lo que equivale a un coeficiente de transmisión cercano a
la unidad.
La medida de transmisión se obtiene después de
que el haz de luz del emisor de transmisión de haz de LED (4)
atraviese dos veces el tubo externo (1''). La medida resultante y
correspondiente a la transmisión la realiza el detector de
transmisión (6).
Para el caso de la reflexión, el coeficiente de
reflexión se obtiene a partir de la medida que realiza el detector
de reflexión (7) después de que el haz generado por el emisor de
reflexión de LED (5), atraviese dos veces el tubo exterior (1'') y
se refleje en el tubo interno (1'). Para obtener la reflexión de
este tubo (1'), se descontará la medida de transmisión del tubo
externo (1'') obtenida previamente.
El sistema obtiene una señal de referencia, ya
sea para transmisión (RT) o para reflexión (RR), de la potencia
emitida por los LEDs, a partir de la medida de una parte de la luz
emitida por dichos LEDs obtenida por láminas parcialmente
reflejantes (10, 11), mediante los detectores (8, 9).
En la figura 2 puede verse el aspecto externo de
la realización, incluyendo la carcasa que sirve de protección de los
componentes y que también permite un anclaje repetitivo del sistema
óptico sobre el tubo a caracterizar (1). Puede distinguirse también
la pieza que contiene los emisores y detectores para la medida en
reflexión (2) y la pieza que contiene los detectores para la medida
de transmisión (3). En el lado opuesto del equipo se encuentran los
emisores para la medida de transmisión y los detectores para la
medida de referencia en transmisión. Las piezas de soporte están
diseñadas de manera que el equipo pueda colocarse y retirarse del
tubo con sencillez y rapidez, simplemente separando la mitad
inferior de la superior. El peso del equipo hace que el alineamiento
se realice simplemente por gravedad y se utilicen siempre los mismos
puntos de contacto, posibilitando que la medida se realice en
condiciones controladas.
En la figura 3 puede observarse el esquema
completo incluyendo el sistema de adquisición y tratamiento de datos
(12), tanto para el módulo de transmisión (T) como para el de
reflexión (R). Para lograr que la medida pueda realizarse sin
influencia de la luz ambiente, el sistema de adquisición y
tratamiento de datos consta de una señal de los emisores (4, 5) que
se modula variando sinusoidalmente la corriente de alimentación de
los LEDs (cada uno de ellos a una frecuencia diferente). Esta
modulación permite extraer la señal de interés en los detectores (6,
7), filtrando todas las componentes frecuenciales salvo la
correspondiente al LED que se quiere utilizar en cada caso. Este
filtrado se realiza mediante la programación de un algoritmo de
amplificación síncrona (lock-in) en una
tarjeta de procesado digital de señal (DSP) (14). Esa misma tarjeta
genera las señales de modulación de los LED's (18), lo que facilita
la realización del filtrado. También se encarga de la adquisición y
conversión digital de las señales eléctricas analógicas medidas (20)
que provienen de los fotodetectores (6, 7), así como del control
mediante salidas digitales (19) de la alimentación de las placas de
emisores (4, 5) y detectores (6, 7).
En la forma preferente de realización se han
elegido 12 LED's con longitudes de onda de 405, 470, 525, 588, 650,
780, 870, 1050, 1300, 1550, 1700 y 2300 nm, que cubren la zona de
interés del espectro.
Además, los fotodetectores (6, 7) están seguidos
de dos etapas de amplificación (21) cuya ganancia depende del valor
de las resistencias que incluyen. Una de esas resistencias puede ser
un potenciómetro digital cuyo valor se puede controlar vía software,
lo que permite ajustar la ganancia de cada canal en cualquier
momento utilizando las salidas de la tarjeta DSP (14).
El sistema se comunica con un ordenador (13)
externo convencional a través de una red inalámbrica. Esta red se
crea mediante un enrutador inalámbrico (15) o cualquier sistema
equivalente conectado al equipo. Un programa instalado en el
ordenador externo (13) permite utilizar los comandos (16)
programados en la tarjeta (14) para realizar todas las funciones
necesarias en el proceso de medida, entre ellos el de lectura de los
datos obtenidos (17) para su posterior tratamiento y almacenaje. Un
ejemplo concreto de medida correspondiente a un tubo absorbedor de
un colector cilíndrico-parabólico se muestra en la
figura 4.
\newpage
El método de funcionamiento del equipo comprende
las siguientes etapas para la obtención de los coeficientes de
reflexión y transmisión de los tubos:
- 1.
- Posicionar el equipo de manera que apoye establemente sobre el tubo.
- 2.
- Encender y apagar secuencialmente los distintos emisores (4, 5) del equipo, al tiempo que se mide la señal que reciben los detectores correspondientes (6, 7).
- 3.
- Los datos obtenidos en los detectores de reflexión (7) y transmisión (6) se normalizan con sus medidas de referencia respectivas, para eliminar la influencia de las variaciones en la intensidad producida por los emisores.
- 4.
- Posteriormente, se obtiene el coeficiente de transmisión del tubo exterior (1''), relacionando el valor de transmisión normalizada obtenido con el que se obtiene al medir un patrón conocido.
- 5.
- Para obtener el valor del coeficiente de reflexión de tubo interior (1') es necesario descontar el efecto de atravesar dos veces el tubo externo (1''), dividiendo por el cuadrado del coeficiente de transmisión calculado previamente (con la corrección de ángulo necesaria). El valor final del coeficiente se obtiene también por referencia a un patrón conocido.
- 6.
- Los valores correspondientes al patrón se almacenan en el equipo tras una calibración previa, que requiere la utilización de un tubo con coeficientes de reflexión conocidos (la transmisión se calibra al valor unidad del aire). Esta calibración se realiza siguiendo los tres primeros pasos de este mismo. procedimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
La aplicación principal de esta invención es el
uso del equipo para el control in situ de las características
ópticas de tubos absorbedores en colectores
cilindro-parabólicos de centrales termoeléctricas
solares, no se descarta su extensión a otros campos de la industria
que requieran un equipo de medida de características similares.
Claims (17)
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:
- -
- un módulo (R) que realiza la medida del coeficiente de reflexión del tubo interior (1');
- -
- un módulo (T) que realiza la medida del coeficiente de transmisión 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);
- -
- un sistema de comunicación entre el equipo y el ordenador (13).
\vskip1.000000\baselineskip
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:
- 1.
- Posicionar el equipo de manera que apoye establemente sobre el tubo.
- 2.
- Encender y apagar secuencialmente los distintos emisores del equipo, al tiempo que se mide la señal que reciben los detectores correspondientes.
- 3.
- Los datos obtenidos en los detectores de reflexión y transmisión se normalizan con sus medidas de referencia respectivas, para eliminar la influencia de las variaciones en la intensidad producida por los emisores.
- 4.
- Posteriormente, se obtiene el coeficiente de transmisión del tubo exterior, relacionando el valor de transmisión normalizada obtenido con el que se obtiene al medir un patrón conocido.
- 5.
- Para obtener el valor del coeficiente de reflexión de tubo inferior es necesario descontar el efecto de atravesar dos veces el tubo externo, dividiendo por el cuadrado del coeficiente de transmisión calculado previamente (con la corrección de ángulo necesaria). El valor final del coeficiente se obtiene también por referencia a un patrón conocido.
- 6.
- Los valores correspondientes al patrón se almacenan en el equipo tras una calibración previa, que requiere la utilización de un tubo con coeficientes de reflexión conocidos (la transmisión se calibra al valor unidad del aire). Esta calibración se realiza siguiendo los tres primeros pasos de este mismo procedimiento.
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