ES2375386A1 - Reflectómetro portátil y método de caracterización de espejos de centrales termosolares. - Google Patents
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Abstract
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.
Description
Reflectómetro portátil y método de
caracterización de espejos de centrales termosolares.
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.
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.
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
reflectómetro 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.
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
LED 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 LED de dicho
canal.
El número de canales ópticos puede ser variable,
con al menos uno y cubriendo el rango espectral deseado con LEDs
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 cada canal óptico, el ángulo de incidencia
del haz de luz procedente del LED y el ángulo de recogida del haz de
luz reflejado por el espejo es el mismo, para asegurar la medida de
reflexión especular. El tamaño del área iluminada sobre el espejo
determina la cantidad de luz difusa que puede introducirse en la
medida de reflectancia. Para minimizar esta cantidad de luz difusa
no deseada, el área iluminada sobre el espejo debe ser lo menor
posible. Para ello, se limita la apertura numérica de salida del
haz de iluminación procedente del LED, mediante un diafragma de
diámetro y longitud determinados colocado a la salida del LED y
orientado en el eje óptico del sistema para asegurar el ángulo de
incidencia del haz de luz requerido sobre el espejo.
El haz reflejado por el espejo en reflexión
especular es recogido por una lente, que focaliza el haz sobre un
detector para la medida directa de la luz reflejada especularmente
por el espejo. Este sistema de lente y detector están orientados en
el eje óptico del sistema para asegurar el ángulo de recogida del
haz de luz en reflexión especular. El tamaño de la lente en relación
al tamaño del haz en ese punto determina la tolerancia del sistema
frente a la curvatura del espejo y frente a la posición de la
superficie espejada respecto al equipo de medida determinado por el
espesor del vidrio que protege la cara espejada. Si el tamaño de la
lente no es mayor que el tamaño del haz en ese punto, las
condiciones de curvatura del espejo o de espesor del espejo para la
medida correcta serían únicas y variaciones de las mismas
provocarían que no todo el haz de luz reflejado especularmente por
el espejo fuese recogido por la lente y llegase al detector, dando
lugar a error de la medida de reflectancia. Con el objeto de tener
tolerancia suficiente en curvatura y espesores de los espejos
habituales en una instalación de producción de energía termosolar,
puede ser suficiente con un tamaño de lente que sea el doble que el
tamaño del haz en ese
punto.
punto.
La combinación de los parámetros ópticos de
apertura numérica del haz de iluminación, tamaño de la lente y focal
de la lente determinan las posiciones relativas del conjunto de LED,
espejo, lente y detector y por tanto el tamaño del equipo. Para
conseguir un equipo portátil manejable, es deseable lentes de focal
máxima de 15 mm y diámetro máximo de media pulgada.
Para obtener una medida con alta sensibilidad,
que permita resolver con precisión valores de los coeficientes de
reflexión 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 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 tratamiento y exportación
de los datos de manera cómoda y flexible, que puedan almacenarse de
la forma que se considere más conveniente. Esto puede resolverse
mediante comunicación inalámbrica con un protocolo de red
convencional, mediante conexión por cable tipo puerto USB
convencional o también mediante el uso en el equipo de memorias
extraíbles convencionales.
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 espejos. En una realización preferente se utilizaría un LED por cada longitud de onda.
- -
- Dos fotodetectores por cada LED utilizado, uno para obtener la señal de referencia y otro para obtener la señal directa.
- -
- Un circuito que realiza las funciones de modulación de las fuentes LED y de la detección y procesado de las señales de interés, que puede ser detección síncrona (lock-in) analógica o digital, para extraer la señal del posible fondo de ruido óptico y eléctrico ambiental.
- -
- Un sistema central de tratamiento de datos y control del equipo, que puede ser un ordenador externo o un sistema integrado en el propio equipo, como un microcontrolador. Este sistema controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando las comunicaciones internas y externas.
- -
- Un sistema de almacenamiento de los datos de interés en la forma que se considere más conveniente, que puede ser la memoria del propio ordenador externo en su caso o una memoria extraíble en el caso de sistema integrado.
- -
- Un sistema de Interfaz de usuario, que incluya una pantalla y los botones necesarios para el manejo del equipo.
- -
- Un sistema de comunicación entre el sistema de detección y procesado de señales, el sistema central de tratamiento de datos, el sistema de almacenamiento de los datos y el sistema de interfaz de usuario.
- -
- 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 espejos a medir.
- -
- El software a instalar en el equipo, necesario para llevar a cabo la comunicación con el mismo y el tratamiento posterior de la información adquirida, obteniendo 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. Igualmente el software proporciona valores globales de reflectancia mediante ponderación de los valores obtenidos con el peso correspondiente de las longitudes de onda en el espectro solar.
Una de las ventajas y avances que aporta la
invención es el hecho de que el sistema sea capaz de realizar
medidas de reflectancia de los espejos con luz ambiente y en campo,
sin necesidad de condiciones especiales de oscuridad o
protección.
Otra de las ventajas y avances que aporta la
invención es el hecho de que el sistema sea capaz de caracterizar
espejos de diferentes curvaturas y diferentes espesores con una
tolerancia alta en estos parámetros, sin necesidad de realizar
ningún ajuste en el equipo.
Otro avance muy importante es que minimiza la
contribución de luz reflejada difusa en la medida, punto de gran
interés en medidas en planta donde la suciedad de los espejos es
relevante.
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 1a representa un esquema del sistema
óptico correspondiente a una longitud de onda de medida, que incluye
el emisor, los dos detectores asociados y la lente de recogida del
haz reflejado, con su disposición espacial respecto al espejo a
medir, en las realizaciones preferentes primera y segunda.
La figura 1b representa un esquema del sistema
óptico correspondiente a una longitud de onda de medida, que incluye
el emisor y los dos detectores asociados, con su disposición
espacial respecto al espejo a medir, en las realizaciones
preferentes tercera y cuarta.
La figura 2 representa la vista superior de la
carcasa mecánica donde se colocan los componentes optoelectrónicos
del sistema según una configuración en línea, en las realizaciones
preferentes primera y tercera.
La figura 3 representa la vista inferior de la
carcasa mecánica, en las realizaciones preferentes primera y
tercera.
La figura 4 representa la vista superior de la
carcasa mecánica donde se colocan los componentes optoelectrónicos
del sistema según una configuración en círculo, en las
realizaciones preferentes segunda y cuarta.
La figura 5 representa la vista exterior de un
equipo según las realizaciones preferentes primera y tercera.
La figura 6 representa el esquema completo de
las realizaciones propuestas, incluyendo el sistema óptico y los
componentes electrónicos, así como la tarjeta de adquisición de
datos que realiza las funciones de conversión analógico/digital de
las señales y la comunicación con el PC.
La figura 7 representa el ejemplo concreto de
una medida de un espejo plano.
En cuanto a las referencias utilizadas en las
figuras:
- (1)
- Espejo a caracterizar.
- (1')
- superficie espejada.
- (1'')
- vidrio del espejo.
- (2)
- Emisor de haz de LED.
- (3)
- Detector de reflexión.
- (4)
- Detector de referencia de reflexión.
- (5)
- Diafragma que limita el tamaño del haz en la superficie del espejo.
- (6)
- Lente que recoge el haz reflejado por el espejo.
- (7)
- Línea que muestra el eje óptico del sistema.
- (8)
- Pieza que contiene los emisores LEDs y detectores de medida directa de reflexión.
- (9)
- Carcasa lateral que constituye también la pieza de apoyo del equipo sobre el espejo.
- (10)
- Junta tórica que asegura el correcto apoyo del equipo sobre el espejo sin dañar su superficie.
- (11)
- Placa de circuito impreso donde se alojan los detectores de medida de referencia.
- (12)
- Sistema de adquisición y tratamiento de la señal.
- (13)
- Módulo de medida del coeficiente de reflexión del espejo.
- (14)
- Sistema de tratamiento de datos y control del equipo.
- (15)
- Sistema de almacenamiento de datos.
- (16)
- Detección síncrona.
- (17)
- Conversor analógico/digital.
- (18)
- Generador de la modulación.
- (19)
- Amplificador de transimpedancia.
- (20)
- Control mediante salidas digitales.
- (21)
- Señales de modulación de los LEDs.
- (22)
- Señales eléctricas analógicas medidas .
- (23)
- Interfaz de usuario.
- (24)
- Comandos.
- (25)
- Datos.
- (26)
- Pantalla del equipo.
- (27)
- Botones o teclado del equipo.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se van a describir una serie de
realizaciones preferentes de la invención reivindicada.
Se propone una realización preferente basada en
un sistema óptico que contempla para cada canal óptico la
configuración que se muestra en la figura 1a. Los espejos (1) para
colectores solares son habitualmente espejos de segunda cara de
manera que sobre la superficie espejada se encuentra un vidrio de
espesor de entre 3 mm y 5 mm aproximadamente. Estos espejos pueden
ser planos, curvados esféricamente como en el caso de centrales de
concentración solar en un punto, o
cilindro-parabólicos, como en el caso de centrales
de concentración solar sobre tubos. El espejo debe poseer un
coeficiente de reflexión muy alto en el espectro solar.
La medida de reflexión se obtiene a partir de la
medida que realiza el detector de reflexión (3) después de que el
haz generado por el emisor LED (2) atraviese el vidrio exterior
(1''), se refleje especularmente en la superficie espejada (1') y
vuelva a atravesar el vidrio exterior (1'').
El diodo emisor LED (2) está orientado en el eje
óptico del sistema (7) con un ángulo de incidencia definido sobre
el espejo (1), de manera que coincida la dirección de máxima emisión
del LED con la orientación en la que se encuentra la superficie
espejada. En esta realización preferente el ángulo de incidencia es
de 15º. Este haz de salida del LED en la dirección del espejo es
limitado en apertura numérica por un diafragma (5) para asegurar el
tamaño del haz sobre la superficie espejada. Por otro lado, el
sistema obtiene una señal de referencia a partir de la medida de
parte de la luz emitida por el LED en otra dirección diferente,
mediante el detector (4).
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).
En las figuras 2 y 3 puede verse el aspecto
mecánico de la realización, sin incluir las carcasas superior y
frontales que sirven de protección de los componentes. Se incluyen
en las figuras las dos carcasas laterales (9) que constituyen en
esta realización las piezas de soporte del equipo sobre el espejo y
que permiten un posicionamiento repetitivo en altura del sistema
óptico sobre el espejo a caracterizar (1) de forma sencilla y
rápida. Puede distinguirse también la pieza (8) que contiene los
emisores, detectores, diafragmas y lentes para la medida en
reflexión.
En esta primera realización preferente la
disposición de los canales ópticos de medida de reflectancia es en
línea. En la cara superior de la pieza (8) se colocan los emisores
(2) y detectores de luz directa (3). En la cara inferior se colocan
las lentes (6) y los diafragmas (5) que en esta realización son
orificios realizados sobre la misma pieza que conectan hasta la
posición del LED. Unas juntas tóricas de goma (10) colocadas a lo
largo del perfil inferior de las piezas de soporte (9) aseguran el
correcto apoyo del equipo sobre el espejo sin dañar el mismo. Los
detectores de referencia (4) se colocan sobre los emisores LEDs (2)
para medir el haz de luz emitido por los mismos en esa dirección, y
se soportan sobre la misma placa de circuito impreso (11) que
contiene la electrónica del equipo.
En la figura 6 puede observarse el esquema
completo incluyendo el sistema de adquisición y tratamiento de datos
(12), el sistema de tratamiento de datos y control del equipo (14),
el sistema de almacenamiento de datos (15) y el sistema de interfaz
de usuario (23). Para lograr que la medida pueda realizarse sin
influencia de la luz ambiente, el sistema de adquisición y
tratamiento de datos (12) consta de una señal (21) de los emisores
que se modula variando sinusoidalmente la corriente de alimentación
de los LEDs (cada uno de ellos en un tiempo distinto). Esta
modulación permite extraer la señal de interés en los detectores (3,
4), filtrando todas las componentes frecuenciales salvo la
correspondiente al LED que se está midiendo en cada momento. Las
señales de modulación de los LED's (21) se. generan en el generador
de modulación (18) mediante un oscilador local.
En la forma preferente de realización se han
elegido 5 LED's con longitudes de onda de 435, 525, 650, 780, 949
que cubren la zona de interés del espectro más un LED que emite luz
blanca para una medida rápida integrada del espectro visible.
Los fotodetectores (3, 4) están seguidos de dos
etapas de amplificación (19) 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 digitales (20) del sistema de
conversión analógico/digital (17).
El filtrado frecuencial se realiza mediante
detección síncrona (lock-in) en el sistema de
detección y tratamiento de la señal (12). El sistema de detección
síncrona consiste en la amplificación de la señal exclusivamente a
la frecuencia de modulación, cuya frecuencia se obtiene a partir de
una señal eléctrica de referencia. La detección síncrona puede ser
analógica o digital.
En el caso de detección síncrona analógica, las
señales detectadas en los fotodetectores (3,4) son procesadas en un
circuito analógico de amplificación lock-in, cuya
salida (una señal continua) se dirige al conversor
analógico-digital (17). La conversión
analógico-digital se realiza con una tarjeta de
adquisición de datos DAQ que se encarga también del control mediante
salidas digitales (20) de la alimentación de las placas de emisores
(2) y detectores (3, 4), así como de la selección del canal óptico a
medir en cada momento.
En el caso de detección síncrona digital, el
primer paso es la digitalización de las señales de modulación (21) y
las provenientes de los fotodetectores (3, 4) mediante la DAQ, para
posteriormente introducirlas en un sistema de procesado digital de
la señal, como un DSP (procesador digital de la señal), una FPGA
(Field Programmable Gate Array), un microcontrolador con capacidad
de procesado digital de la señal o un ordenador, que ejecuta el
algoritmo de detección síncrona.
El sistema de detección y tratamiento de la
señal (12) se comunica con el sistema de tratamiento de datos y
control del equipo (14) que puede ser un ordenador externo
convencional.
Otra posibilidad es sustituir este ordenador de
control por un sistema integrado en el propio equipo, como un
microcontrolador, que puede utilizarse también para reemplazar al
conversor analógico-digital (17). En el caso de
realizar el procesado de forma digital, el mismo elemento utilizado
para realizar ese procesado síncrono (FPGA, DSP, microcontrolador
con capacidad de procesado digital de la señal) puede reemplazar
tanto a la DAQ como al ordenador de control (14). En este último
caso el elemento procesador puede sustituir también al oscilador
local utilizado en el generador de modulación (18), lo que elimina
la necesidad de adquirir la señal de modulación (21), ya que es
generada por el mismo sistema de procesado.
En la figura 5 se muestra el aspecto exterior
del equipo en una realización con todos los sistemas integrados en
el equipo.
Un programa instalado en el sistema de
tratamiento de datos y control de equipos permite utilizar los
comandos (24) programados en el sistema de detección y tratamiento
de la señal (12) para realizar todas las funciones necesarias en el
proceso de medida, entre ellos la selección del canal de medida para
la modulación del LED correspondiente y la lectura de los datos
obtenidos (25) para su posterior tratamiento y almacenaje. También
permite realizar el almacenamiento de los datos de interés en el
sistema de almacenamiento (15) y gestionar los datos y comandos con
el sistema de interfaz de usuario (23). Un ejemplo concreto de
medida correspondiente a un espejo plano se
\hbox{muestra en la figura 5.}
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 espejo.
- 2.
- Encender los emisores del equipo.
- 3.
- De forma consecutiva, cada uno de los LEDs emisores es modulado a la frecuencia de medida.
- 4.
- Este haz de salida del LED 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 LED (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 LED en otra dirección diferente, mediante el detector (4).
- 8.
- El dato obtenido en el detector de reflexión correspondiente al LED modulado se normaliza con su señal de referencia, para eliminar la influencia de las variaciones en la intensidad de emisión de cada LED.
- 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 ocho 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.
Se propone una segunda realización preferente
idéntica a la primera realización preferente salvo en la disposición
de los canales ópticos, que es en círculo según se muestra en la
figura 4 en lugar de ser en línea. De esta manera, el punto de
iluminación en la superficie espejada es el mismo para todos los
diodos LEDs y la medida de reflectancia de cada canal corresponde al
mismo punto del espejo.
Se propone una tercera realización preferente
idéntica a la primera realización preferente salvo que se elimina la
lente en cada canal de medida y en su lugar se coloca directamente
el detector, según la figura 1b. De esta manera, la reflexión
especular del haz en el espejo llega directamente al detector de
medida de luz directa (3).
Se propone una cuarta realización preferente
idéntica a la segunda realización preferente salvo que se elimina la
lente en cada canal de medida y en su lugar se coloca directamente
el detector, según la figura 1b. De esta manera, la reflexión
especular del haz en el espejo llega directamente al detector de
medida de luz directa (3).
Aunque la aplicación principal de esta invención
es el uso del equipo para el control in situ de las
características ópticas de espejos planos y
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 (40)
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);
- -
- un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de señales (12);
- -
- 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.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Reflectómetro portátil según reivindicación 1
caracterizado porque cada uno de los módulos (13) que
realizan la medida del coeficiente de reflexión del espejo comprende
al menos un diodo emisor de luz (2) como fuente óptica y dos
fotodetectores (3, 4) sensibles a las longitudes de onda
adecuadas.
3. Reflectómetro portátil según reivindicación 2
caracterizado porque los fotodetectores (3, 4) están seguidos
de dos etapas de amplificación (19) cuya ganancia depende del valor
de las resistencias que incluyen.
4. Reflectómetro portátil según reivindicación 3
caracterizado porque al menos una de las dos etapas de
amplificación puede tener una ganancia que puede variarse en
cualquier momento mediante comandos software.
5. Reflectómetro portátil según reivindicación 2
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.
6. Reflectómetro portátil según reivindicación 2
caracterizado porque la disposición de los emisores se
colocan en una configuración en línea.
7. Reflectómetro portátil según reivindicación 2
caracterizado porque la disposición de los emisores se
colocan en una configuración en círculo.
8. Reflectómetro portátil según reivindicación 2
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.
espejo.
9. Reflectómetro portátil según reivindicación 8
caracterizado porque el haz de luz de salida del emisor e
incidente sobre el espejo es limitado en tamaño y apertura por un
diafragma (5) para asegurar el tamaño del área iluminada en la
superficie espejada limitando así la contribución de reflexión
difusa en la medida.
10. Reflectómetro portátil según reivindicación
9 caracterizado porque se sitúa una lente (6) tras la
reflexión especular del haz en el espejo, orientada según el eje
óptico del sistema y de tamaño doble que el tamaño del haz en este
punto, que focaliza el haz de luz en el fotodetector (3) para
obtener la señal de medida directa de la potencia reflejada.
11. Reflectómetro portátil según reivindicación
1 caracterizado porque el sistema electrónico de adquisición
y tratamiento de señales (12) incluye: una detección síncrona (16)
que permite realizar las medidas con una relación señal a ruido
suficiente incluso en condiciones de luz ambiental intensa, un
conversor analógico/digital (17) y un generador de modulación
(18).
12. Reflectómetro portátil según reivindicación
11 caracterizado porque la detección síncrona (16) sea
analógica.
13. Reflectómetro portátil según reivindicación
12 caracterizado porque el generador de modulación (18) sea
un oscilador local.
14. Reflectómetro portátil según reivindicación
12 caracterizado porque la conversión analógico/digital (17)
se realice con una tarjeta de adquisición de datos DAQ o con un
microcontrolador.
15. Reflectómetro portátil según reivindicación
11 caracterizado porque la detección síncrona (16) sea
digital.
16. Reflectómetro portátil según reivindicación
15 caracterizado porque el generador de modulación (18) sea
un oscilador local.
17. Reflectómetro portátil según reivindicación
15 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 señal o un
ordenador.
18. 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
señal o un ordenador.
19. Reflectómetro portátil según reivindicación
11 caracterizado porque el sistema de procesado digital
utilizado en la detección síncrona (16) y en el generador de
modulación (18) sean el mismo.
20. 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.
21. Reflectómetro portátil según reivindicación
20 caracterizado porque la comunicación entre el equipo y el
ordenador externo se realiza vía inalámbrica o por cable.
22. Reflectómetro portátil según reivindicación
20 caracterizado porque el sistema de almacenamiento de los
datos de interés (15) se ubica en el ordenador externo al
reflectómetro portátil.
23. Reflectómetro portátil según reivindicación
20 caracterizado porque el sistema de interfaz de usuario
(23) se ubica en el ordenador externo al reflectómetro portátil.
24. 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.
25. Reflectómetro portátil según reivindicación
24 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) y el generador de modulación (18),
así como los del sistema de almacenamiento (15) y los del sistema de
interfaz de usuario
(23).
(23).
26. Reflectómetro portátil según reivindicación
24 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.
27. 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.
- De forma consecutiva, cada uno de los LEDs emisores es modulado a la frecuencia de medida.
- 4.
- Este haz de salida del LED 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 LED (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 LED en otra dirección diferente, mediante el detector (4).
- 8.
- El dato obtenido en el detector de reflexión correspondiente al LED modulado se normaliza con su señal de referencia, para eliminar la influencia de las variaciones en la intensidad de emisión de cada LED.
- 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.
\newpage
- 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.
\vskip1.000000\baselineskip
28. 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.
29. Método de caracterización de espejos según
reivindicación 27 caracterizado porque las medidas de señal
de referencia y señal reflejada se miden simultáneamente para cada
longitud de onda.
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