ES2273795T3 - Metodo y dispositivo para modificar la distribucion de irradiancia de una fuente de radiacion. - Google Patents
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Abstract
Método para modificar la distribución de irradiación de una fuente de radiación, en cuyo método - la fuente de radiación (1) se utiliza para dirigir la radiación a una superficie objetivo (6) esencialmente plana, caracterizado porque - entre la fuente de radiación (1) y la superficie objetivo (6), diversas placas (4), que son esencialmente no difusoras y que tienen una absorción menor del 75% de la radiación y que tienen espacios entre las mismas, se sitúan más cerca de la fuente de radiación (1) que de la superficie objetivo (6), a efectos de utilizar la reflexión y absorción de las placas (4) para atenuar la radiación a las áreas deseadas.
Description
Método y dispositivo para modificar la
distribución de irradiancia de una fuente de radiación.
La presente invención se refiere a un método
para modificar la distribución de irradiancia de una fuente de
radiación según el preámbulo de la reivindicación 1.
La invención también se refiere a un dispositivo
para modificar la distribución de irradiancia de una fuente de
radiación.
En especial una de las realizaciones preferentes
de la invención se refiere a uniformizar la distribución de
irradiancia de una fuente de radiación sobre una gran superficie
objetivo plana.
En muchas aplicaciones, especialmente en
aplicaciones de exposición fotográfica y de calefacción, la
iluminación uniforme de un gran plano es una característica
altamente deseable e incluso necesaria. Por ejemplo, la intensidad
de irradiación desde una fuente puntual isotrópica que incide sobre
una superficie plana responde a la fórmula
(1)I= I_{0}\
cos^{3}
(\theta)
en la que \theta es el ángulo de
incidencia de la iluminación con el plano e I_{0} la irradiancia
sobre el eje de simetría del patrón de iluminación circular
mientras que, para conseguir una desviación de intensidad de menos
de \pm5% sobre un área plana de 1,6 m de diámetro, la fuente
puntual debe estar situada a una distancia de 4,3 m. La fórmula
correspondiente para una fuente de luz de superficie lambertiana
es
(2)I= I_{0}\
cos^{4}
(\theta)
siendo la distancia para la misma
desviación de intensidad 5,0 m. En la práctica, la lámpara misma se
puede aproximar con la fórmula de fuente puntual y el reflector de
la lámpara con la fórmula de fuente de luz de superficie
lambertiana.
Tradicionalmente, se ha generado iluminación
uniforme, por ejemplo, por medio de una serie de fuentes de luz,
utilizando un reflector cuidadosamente diseñado situado detrás de la
fuente de luz (por ejemplo, las patentes US 3.763.348 y 4.027.151),
por medio de un sistema de lentes cuidadosamente diseñado entre la
fuente de luz y el plano (por ejemplo, la patente US 5.555.190) y
también escaneando el plano con la fuente de luz.
El documento DE 197 54 931 describe una lámpara
con un difusor. En este documento, las pérdidas de energía en el
difusor son esenciales.
En muchas aplicaciones, el uso de una serie de
fuentes de luz que incorporan sistemas de iluminación plano a plano
es demasiado voluminoso, caro y consume mucha energía. El defecto
principal de los reflectores traseros, incluso diseñados muy
cuidadosamente, es que la distribución de iluminación generada es
muy sensible a las dimensiones de la fuente de luz y del reflector,
y especialmente a la posición de la fuente de luz en relación al
reflector. Esto se aplica también al uso de sistemas de lentes
cuidadosamente diseñados, tales como sistemas de lentes que son,
además, demasiado caros en muchas aplicaciones. El método de escaneo
es adecuado únicamente para un limitado número de aplicaciones y se
necesita un complejo mecanismo para realizar la operación de
escaneo.
La presente invención está destinada a superar
los inconvenientes de las técnicas descritas anteriormente y a
conseguir un tipo de método y dispositivo completamente nuevos para
modificar la distribución de energía de una fuente de
radiación.
El objetivo de la invención se consigue
utilizando una combinación de placas no absorbentes y/o absorbentes
para atenuar la irradiación de las áreas cercanas al eje óptico
reflejando de nuevo y/o absorbiendo la radiación incidente en esa
región y, adicionalmente, para utilizar una placa difusora opcional
para difundir la luz incidente desde la fuente de luz y redirigir
la luz reflejada de nuevo desde la pila de placas hacia el difusor
en una distribución angular más
amplia.
amplia.
Más específicamente, el método según la
invención está caracterizado por lo que se ha expuesto en la parte
caracterizante de la reivindicación 1 y el dispositivo por lo que se
ha expuesto en la parte caracterizante de la reivindicación 7.
La invención ofrece beneficios
significativos.
En comparación con la técnica anterior, la
invención permite una reducción sustancial de la distancia entre la
fuente de luz y el plano a iluminar. Esta característica permite, en
particular, dispositivos de pruebas de paneles solares más pequeños
que producen ahorros considerables en utilización de espacio.
Especialmente cuando se utilizan elementos principalmente
transparentes para igualar el patrón de luz, las pérdidas de energía
luminosa son mínimas. Además, la distancia más corta entre la
fuente de luz y el área objetivo permite el uso de fuentes de luz
de más baja energía.
A continuación, la invención se examinará con
mayor detalle ejemplificando realizaciones, con referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista lateral en sección
transversal de un dispositivo según la invención;
la figura 2 es un gráfico que muestra la
distribución de irradiación según una realización de la invención,
en el que se muestra la irradiancia relativa desde la fuente de luz
sin elementos absorbentes y utilizando tres elementos
absorbentes.
La figura 3 es un gráfico que muestra la
distribución de irradiación según una segunda realización de la
invención.
A continuación, la explicación de la idea básica
de la invención utiliza un modelo teórico de una fuente puntual,
sin reflector tras la fuente. Se realizan comentarios adicionales en
relación a los aspectos a considerar e incluir, cuando se diseña un
sistema práctico.
La presente invención utiliza una combinación
adecuada de placas puramente reflectantes y placas parcialmente
absorbentes situadas entre la fuente de luz y el plano. Estas placas
se dimensionan para reflejar de nuevo y/o atenuar desde la
combinación fuente de luz/difusor de manera selectiva como una
función de la dirección. Por ejemplo, el vidrio de sosa libre de
hierro y el policarbonato son materiales adecuados para fabricar
estas placas. En aire, una única placa de vidrio reflejará el 8% de
la luz que le llega y una placa de policarbonato el 10%. Cuando se
utiliza una fuente puntual, las placas deben ser de forma circular y
deben estar situadas central y perpendicularmente sobre el mismo
eje, que proviene de la fuente de luz. Las placas se pueden situar
a cualquier distancia entre ellas para modificar la irradiancia
pero, dado que se puede conseguir el mismo objetivo ajustando el
diámetro y grosor de las placas, en la práctica se sitúan cerca unas
de otras. Para asegurar la reflexión en cada superficie, se debe
dejar un pequeño espacio de aire entre las placas. Si se utilizan
placas de grosor no uniforme, la distancia de la pila de placas y el
diámetro máximo de la placa mayor se determina por el hecho de que
la luz con un elevado ángulo de incidencia no debe ser reflejada
totalmente. En el caso de vidrio y policarbonato, el ángulo en el
que tiene lugar la reflexión total es en torno a 45º. Las placas,
por ejemplo, pueden ser curvadas en los bordes para disminuir el
ángulo de incidencia.
El número total y los diámetros de las placas se
determinan considerando los requisitos para una irradiación
uniforme del lugar y la necesidad de atenuar la densidad de
irradiación dada por las fórmulas (1) y (2). Utilizando la
aproximación teórica de fuente puntual y las placas de vidrio, habrá
un escalón del 8% en la intensidad de irradiación en la superficie
plana debido al borde de una única placa. En un sistema real, la
fuente de luz es de tamaño finito, lo que se debe tener en cuenta
aparte. Una consecuencia de esto es que los escalones de intensidad
se suavizan, debido al hecho de que la fuente de luz se vuelve
"visible" gradualmente por detrás de los bordes de las placas.
Por ejemplo, cuando se utiliza una fuente puntual, la irradiación
sobre un plano, en un ángulo de incidencia de 45º, es sólo el 35%
de la intensidad a un ángulo de 0º. Doce placas de vidrio con
diámetros definidos utilizando la fórmula (1) suavizarán la
variación mínima de la iluminación plana por debajo del 9%. Si se
utilizan placas de policarbonato, se puede conseguir una variación
de iluminación mínima del 10% con nueve placas.
La figura 1 muestra un dispositivo típico según
la invención que comprende una fuente de luz, en este caso un tubo
de descarga circular (1), detrás del que se sitúa un reflector (2).
En la figura, la intensidad de la fuente de luz se dirige, por lo
tanto, a la derecha, hacia el plano (6) objetivo, que es en este
caso un panel solar (6). Los difusores (3) se sitúan lo más cerca
posible del tubo de descarga (1) y están destinados a igualar la
intensidad del tubo de descarga (1) en el campo cercano. Un tubo
difusor (5) rodea los difusores (3). El uso de difusores es
opcional en relación a esta invención. La radiación que atraviesa el
difusor (3) final (el situado más a la derecha) avanza hacia las
placas reflectantes (4), transparentes y absorbentes, que se
encuentran separadas entre sí para asegurar la reflexión desde cada
superficie separadamente. La forma de las placas reflectantes (4)
(vistas, por ejemplo, desde el plano objetivo -6-) depende de la
forma de la fuente de luz. En el caso de una fuente puntual teórica
de luz, las placas (4) serían circulares. En el caso de una fuente
alargada, por ejemplo, las placas serían ovaladas, con la forma
exacta determinada por la geometría específica de la
disposición.
Los difusores (3) pueden ser necesarios,
especialmente en el caso de una fuente de luz que no posee simetría
rotacional. La geometría del reflector (2) puede incluso obviar la
necesidad de difusores (3) para convertir una distribución no
rotacionalmente simétrica desde la unidad tubo de descarga
(1)/reflector (2) a una distribución rotacionalmente simétrica.
Una distribución de irradiancia rotacionalmente
simétrica puede ser modificada de cualquier manera deseada con la
ayuda de las placas (4) apiladas en forma cónica. En este caso, el
término forma cónica se refiere a la forma de la sección
transversal de la pila de placas (4). De acuerdo con la figura 1, la
mayor placa de esta pila es la más cercana a la fuente (1), pero,
según la invención, el orden mutuo de las placas en la pila se
puede elegir libremente según exigencias ópticas o constructivas.
También, en principio, la pila de elementos absorbentes se puede
sustituir por una única placa absorbente de grosor variable.
Las dimensiones relacionales en una realización
de la invención son las siguientes:
- a:
- diámetro del reflector (2)
- b:
- diámetro de la fuente de luz (1)
- c:
- distancia entre la fuente (1) y el último difusor (3)
- d:
- distancia entre la fuente (1) y la primera placa (4)
- e:
- distancia ente la fuente (1) y el objetivo (6)
- f:
- diámetro del difusor (3)
- g:
- diámetro de la placa mayor (4)
- -
- c esencialmente menor que a
- -
- d menor que el 50% de e, típicamente el 5-20% de e, más típicamente en torno al 10% de e
- -
- f mayor que b, típicamente menor que 2a
- -
- g mayor que b, típicamente menor que 2a
Lo mostrado a continuación es una descripción de
una implementación de la invención, que es una versión ligeramente
modificada de la solución de la figura 1. Este ejemplo difiere de la
figura 1 en que existen únicamente dos difusores.
El diámetro del reflector (2) es de 150 mm. El
tubo circular (1) tiene un diámetro exterior de 70 mm y un grosor
(diámetro de tubo) de 10 mm, siendo la distancia entre el tubo de
descarga (1) y el reflector (2) de 20 mm. El tubo del difusor (5)
tiene un diámetro interno de 150 mm y una superficie interna blanca
mate. La distancia entre el tubo de descarga (1) y el difusor (3)
más cercano es de 30 mm, siendo la distancia entre el segundo
difusor más cercano (3) y el tubo de descarga (1) de 50 mm
(únicamente dos difusores). El tubo difusor (5) termina en el
segundo difusor (difiriendo de esta manera de la solución de la
figura 1). La distancia entre el tubo de descarga (1) y las placas
absorbentes (4) es de 220 mm. El material para las placas (4) es
Schott NG12 pero se puede utilizar cualquier material de absorción
adecuada. Las placas (4) tienen las siguientes dimensiones (la
primera placa es la más cercana al tubo de descarga -1-):
- 1ª
- placa: diámetro 150 mm, grosor 1,5 mm
- 2ª
- placa: diámetro 100 mm, grosor 2,0 mm
- 3ª
- placa: diámetro 70 mm, grosor 3,0 mm
El espacio entre las placas (4) es
aproximadamente 0,5 mm.
En una medición experimental, el sistema
especificado anteriormente se situó para crear una distancia de 240
cm entre el tubo de descarga (1) y el área objetivo (6). Se estudió
una región circular de diámetro 180 cm en el área objetivo. El
dispositivo crea un patrón circular simétrico con la mayor
irradiancia en el centro. Sin las placas (4) reflectantes y
absorbentes, la diferencia en iluminación entre el área central y el
área de los bordes del círculo de prueba era de aproximadamente el
35%, pero se redujo al 6% cuando se utilizaron las placas (4)
reflectantes y absorbentes.
Obviamente el dimensionamiento del dispositivo,
y particularmente de las placas (4), depende mayormente de la
geometría del tubo de descarga (1). Como norma general, sin embargo,
la pila de placas (4) debe situarse de manera que el tubo de
descarga (1) se encuentra lo más cerca posible del plano objetivo
(6), la absorción más intensa se debe utilizar para los rayos que
se desplazan cerca del eje óptico, para atenuar la luz en las áreas
que reciben las mayores intensidades mediante las leyes de la física
(fórmulas 1 y 2).
En esta aplicación, la fuente de la fuente de
radiación puede ser de cualquier tipo, tal como un disparador de
destellos, una bombilla o una fuente de infrarrojos. No obstante, se
encontraron soluciones especialmente ventajosas en relación con los
disparadores de destellos creados para probar paneles solares. La
fuente de radiación puede emitir radiación tanto continua como
pulsada.
En relación con la presente invención la pila de
placas (4) puede absorber la radiación hasta un 75% de la radiación
total, sin embargo, la máxima absorción típica de la pila es del
5-40% de la radiación incidente.
En relación con la presente invención el término
transparente indica cualquier material que sea esencialmente no
difusor y que tenga una absorción menor que el 75%.
En la figura 2 se muestra un gráfico en el que
sobre el eje horizontal se muestra la distancia (en metros) desde
el centro del plano objetivo y sobre el eje vertical se muestra la
atenuación de la radiación sobre el plano objetivo. En la figura 2
la línea (10) representa una simulación por ordenador sin elementos
absorbentes, la línea (11) una simulación con placas absorbentes
con diámetros/grosores de 70 mm/3 mm, 100 mm/2 mm y 150 mm/1,5 mm.
La línea (12) representa las mediciones correspondientes a la línea
(10) y la línea (13) las mediciones correspondientes a la línea
(11) respectivamente. Se aprecia de manera evidente de la figura de
las curvas de irradiancia simulada, en comparación con las de
medición, que la acción de la invención está representada de manera
precisa mediante modelos físicos simples relacionados con la
distribución angular de radiación difundida por medio de las placas
difusoras.
Según la invención, el orden mutuo de las placas
(4) se puede elegir libremente. También se puede cambiar la
distancia de las placas (4) desde la fuente (1), así como sus
diámetros.
En la figura 3 se muestra un gráfico en el que
sobre el eje horizontal se muestra la distancia (en metros) desde
el centro del plano objetivo (6) y sobre el eje vertical se muestra
la atenuación de la radiación sobre el plano objetivo. En la figura
3 se utilizan tres placas adicionales a la realización de la figura
2, cuyas placas son las siguientes (diámetro/grosor): 100 mm/1 mm,
120 mm/3 mm, 150 mm/6 mm. La línea (14) representa una simulación
sin utilizar ningún elementos absorbentes, la línea (15) una
simulación con placas absorbentes de diámetro/grosor de 100/1 mm,
120/3 mm, 150/6 mm.
Tal como se puede observar a partir de la
figura, el uso de elementos absorbentes más gruesos suaviza ahora
la irradiancia hasta un rango +/-2% en la región de
0-900 mm desde el eje. Sin embargo, según las
propiedades generales de la invención, virtualmente cualquier tipo
de distribución de irradiancia se puede sintetizar utilizando las
combinaciones adecuadas de diámetros y grosores de placa. En
particular se debe observar que la atenuación deseada como función
de la dirección se puede conseguir utilizando una combinación
adecuada de placas completamente transparentes y/o parcialmente
absorbentes, ya que cada superficie por separado atenúa la
radiación a través de la reflexión sin tener en cuenta si el
material de la placa absorbe luz o no.
También se debe observar que variando la forma
de las placas en la pila es posible conseguir cualesquiera
propiedades de simetría deseadas de la distribución de
irradiancia.
Claims (12)
1. Método para modificar la distribución de
irradiación de una fuente de radiación, en cuyo método
- la fuente de radiación (1) se utiliza para
dirigir la radiación a una superficie objetivo (6) esencialmente
plana,
caracterizado porque
- entre la fuente de radiación (1) y la
superficie objetivo (6), diversas placas (4), que son esencialmente
no difusoras y que tienen una absorción menor del 75% de la
radiación y que tienen espacios entre las mismas, se sitúan más
cerca de la fuente de radiación (1) que de la superficie objetivo
(6), a efectos de utilizar la reflexión y absorción de las placas
(4) para atenuar la radiación a las áreas deseadas.
2. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque las placas se sitúan esencialmente
paralelas a la superficie objetivo (6).
3. Método, según las reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque por lo menos un difusor (3) se sitúa
entre la fuente de radiación y las placas.
4. Método, según las reivindicaciones 1, 2 ó 3,
caracterizado porque se utiliza un tubo de destellos (1)
como fuente de radiación y la superficie objetivo (6) es un panel
solar.
5. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las placas
(4) se disponen en una pila que tiene una forma cónica en sección
transversal, entre la fuente de radiación (1) y el plano objetivo
(6).
6. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la placa
(4) más cercana a la fuente (1) se sitúa desde la fuente (1) a una
distancia (d) del 5-20%, típicamente a una distancia
(d) del 10% de la distancia (e) entre la fuente (1) y el objetivo
(6).
7. Dispositivo para modificar la distribución de
irradiación de una fuente de radiación, cuyo dispositivo
comprende
- una fuente de radiación (1) por medio de la
cual se puede dirigir la radiación a una superficie objetivo (6)
esencialmente plana, caracterizado porque
- entre la fuente de radiación (1) y la
superficie objetivo (6), diversas placas (4), que son esencialmente
no difusoras y que tienen una absorción menor del 75% de la
radiación y que tienen espacios entre ellas, se sitúan más cerca de
la fuente de radiación (1) que de la superficie objetivo (6), a
efectos de utilizar la reflexión y absorción de las placas (4) para
atenuar la radiación a las áreas deseadas.
8. Dispositivo, según la reivindicación 7,
caracterizado porque las placas se sitúan esencialmente
paralelas a la superficie objetivo (6).
9. Dispositivo, según las reivindicaciones 7 u
8, caracterizado porque por lo menos un difusor (3) se sitúa
entre la fuente de radiación y las placas.
10. Dispositivo, según las reivindicaciones 7, 8
ó 9, caracterizado porque se utiliza un tubo de destellos
(1) como fuente de radiación y la superficie objetivo (6) es un
panel solar.
11. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las placas
(4) se disponen en una pila cónica entre la fuente de radiación (1)
y el plano objetivo (6).
12. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la placa
(4) más cercana a la fuente (1) se sitúa desde la fuente (1) a una
distancia (d) del 5-20%, típicamente a una distancia
(d) del 10% de la distancia (e) entre la fuente (1) y el objetivo
(6).
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