ES2597982B1

ES2597982B1 - Sistema y método de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiación lumínica y del ángulo de incidencia de dicha radiación

Info

Publication number: ES2597982B1
Application number: ES201530010A
Authority: ES
Inventors: Guillermo ESPINOSA RUEDA; Noelia Martinez Sanz; Carlos Heras Vila; Iñigo Salinas Ariz; Rafael Alonso Esteban; David Izquierdo Nuñez; Marta OSTA LOMBARDO; Adrian PEÑA LAPUENTE
Original assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Current assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2035-01-05
Also published as: ES2597982R1; ES2597982A2

Abstract

Sistema y método de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiación lumínica, y del ángulo de incidencia de dicha radiación.#La presente invención se refiere a un sistema y a un método de medición óptica basados en el uso de una guía de luz de caras perpendiculares a su eje y un módulo de medida de radiación lumínica que comprende un equipo de detección de la radiación lumínica de salida en un plano de detección. La invención permite realizar, para una o varias fuentes de radiación lumínica incidente, medidas del ángulo de incidencia de dicha radiación lumínica, medidas de la irradiancia asociada a dichas fuentes, y el cálculo de su irradiancia en incidencia normal, todo ello en tiempo real y en un sistema fijo, sin necesidad de partes móviles ni de componentes de seguimiento de la fuente de radiación incidente.

Description

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DESCRIPCION

SISTEMA Y METODO DE MEDIDA DE LA IRRADIANCIA ASOCIADA A UNA FUENTE DE RADIACION LUMINICA Y DEL ANGULO DE INCIDENCIA DE DICHA RADIACION

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invencion se enmarca dentro del campo tecnico correspondiente a sistemas o instrumentos opticos de medida. Mas concretamente, la invencion se refiere a un sistema y a un metodo para medir, en tiempo real, el angulo de incidencia asociado a una o mas fuentes de radiacion lumfnica, el valor de su irradiancia directa para dicho angulo y el valor de su irradiancia normal.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los instrumentos radiometricos conocidos para la medida de la radiacion lumfnica o solar registran, con caracter general, el valor de la irradiancia (potencia incidente por unidad de superficie, W/m2) asociada a las fuentes de dicha radiacion. Estos instrumentos incluyen, de forma inherente a la propia medida, una dependencia coseno debida al angulo solido que subtiende la fuente de radiacion, asf como la superficie de captacion de la radiacion. De este modo, la irradiancia medida es maxima cuando la fuente luminosa se ubica en la normal de la superficie de medida, y disminuye segun la relacion coseno del angulo que forma la radiacion incidente con dicha normal a la superficie de incidencia. Tradicionalmente, se considera el “error coseno” de un instrumento de medida como la desviacion entre la respuesta angular real del equipo y la respuesta angular ideal dada por la relacion coseno, habiendose hecho numerosos esfuerzos en este campo tecnico para conseguir una dependencia angular ideal en diferentes tecnologfas de radiometros.

Asf, los piranometros son ejemplos de dispositivos fijos que miden la irradiancia global sobre un plano de superficie, con una respuesta ideal coseno. Estos sistemas, sin embargo, no son capaces de determinar el angulo de incidencia de la radiacion, y miden la radiacion incidente en cualquier angulo, pesada con el coseno de dicho angulo de incidencia. Ademas, no son capaces de diferenciar entre radiacion incidente directa (aquella que no ha sufrido desviacion en su trayectoria desde la fuente lumfnica) y radiacion difusa (radiacion dispersada en su camino y que no llega por tanto con una trayectoria directa desde la fuente).

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Por su parte, los dispositivos conocidos como pirheliometros realizan la medida de haces directos de irradiancia. Llevan a cabo, por tanto, una medida en incidencia normal y, en consecuencia no estan disenados para medir radiacion incidente en angulos diferentes al angulo normal. Estos sistemas son validos, pues, unicamente para medir una fuente de radiacion que se encuentra en la direccion de apuntamiento del equipo. De esta forma, en el caso de medidas de la radiacion lumfnica del sol, los equipos de pirheliometros han de verse complementados por sistemas de seguimiento/apuntamiento solar, de manera que la incidencia de la radiacion sea siempre en la direccion normal a la superficie del detector.

Ninguno de los sistemas anteriores cumplen, por tanto, los requisitos necesarios para determinar el angulo de incidencia de la radiacion, el valor de irradiancia y el valor de la irradiancia correspondiente en incidencia normal, para una o mas fuentes de radiacion y en tiempo real, sin el uso de sistemas moviles de seguimiento de las fuentes de radiacion.

Adicionalmente a los equipos mencionados, son tambien conocidos otros sistemas para medir la irradiancia normal (eliminando el efecto coseno) de luz incidente en un arco de ±90°, basados en gufas de onda opticas equipadas con puntas de deteccion, configuradas para recibir dicha luz incidente y transportarla hasta un detector de luz (un ejemplo de estos sistemas es el aparato descrito en la patente estadounidense US 4,703,173). No obstante, es muy complicado conseguir una independencia completa del factor coseno y al mismo tiempo una medida precisa del valor absoluto de la irradiancia. Ademas, estos sistemas no proporcionan informacion alguna sobre el angulo de incidencia de la radiacion. Ello hace que, en la practica, no sea posible la eventual aplicacion de los citados sistemas a la medicion de la irradiancia angular y normal de fuentes de radiacion incidente, segun el objeto de la presente invencion.

De este modo, la presente invencion propone una solucion a los problemas tecnicos antes citados, a traves de un novedoso sistema optico de medida y de un metodo asociado al mismo, que permiten superar las limitaciones de los sistemas conocidos del estado de la tecnica.

DESCRIPCION BREVE DE LA INVENCION

Un objeto de la presente invencion es, pues, un sistema de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiacion lumfnica, y del angulo de incidencia de dicha radiacion, que comprende, preferentemente:

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- una gufa de luz que, en sus extremos longitudinales, dispone de una cara de entrada de radiacion y de una cara de salida de dicha radiacion; siendo dichas caras plano- paralelas y preferentemente perpendiculares al eje de la gufa, y definiendo un espacio a traves del cual la radiacion lumfnica de entrada es guiada tras sufrir una pluralidad de reflexiones internas en la gufa, hasta atravesar la cara de salida de la gufa con un angulo de salida identico al angulo de incidencia de la radiacion en la cara de entrada; y

- un modulo de medida de la radiacion lumfnica que comprende un equipo de deteccion de la radiacion lumfnica de salida en un plano de deteccion.

Se consigue con ello un sistema que permite medir eficazmente la radiacion de fuentes lumfnicas para cualquier angulo de incidencia en un arco frontal de ±90°, es decir, el sistema cuenta con un angulo de aceptancia de 90°, determinando en dicho arco la irradiancia asociada a las citadas fuentes. Preferentemente, la respuesta angular del modulo de medida de la invencion es tal que, en el plano de deteccion, se subtiende un angulo maximo de salida de radiacion de al menos 30°. Mas preferentemente, el angulo de salida maximo del haz de radiacion subtendido por el plano de deteccion es de al menos 70°.

En una realizacion preferente de la invencion, la gufa de luz consiste en una varilla que posee simetrfa cilfndrica con relacion a un eje longitudinal, o una seccion transversal poligonal.

En otra realizacion preferente de la invencion, la gufa de luz consiste en una varilla de cuarzo y/o vidrio. Asimismo y opcionalmente, la gufa de luz puede consistir en una o un haz de fibras opticas.

En otra realizacion preferente de la invencion, el modulo de medida del sistema comprende una CCD lineal, una matriz CCD y/o una distribucion lineal de fotodiodos para la deteccion de la radiacion lumfnica de salida en el plano de deteccion. Dichos elementos permiten una medida adecuada de la intensidad en el plano de deteccion de la radiacion. Mas preferentemente, la CCD o la disposicion de fotodiodos comprende una relacion variable de ganancias (por ejemplo, en tiempos de exposicion para la matriz CCD o en los valores de ganancia de los fotodiodos). Con ello se consigue obtener una medida con alto rango dinamico, que permita cubrir las diferentes situaciones de intensidad incidente.

En una realizacion opcional de la invencion, el sistema de medida comprende un filtro optico de absorcion variable espacialmente, dispuesto entre la cara de salida de la gufa y el plano

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de deteccion. La presencia y adecuada configuracion de dicho filtro permite compensar posibles diferencias de atenuacion de la luz en la gufa de luz en funcion del angulo de incidencia.

En una realizacion preferente adicional de la invencion, el modulo de medida del sistema comprende un subsistema electronico de adquisicion de datos de medida, y/o un subsistema de tratamiento electronico de dichos datos y de control del sistema de medida. Se consigue con ello disponer de medios eficaces para el adecuado registro de los datos de medida y para la operacion del sistema descrito.

Otro aspecto de la invencion se refiere a un metodo de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiacion lumfnica, y del angulo de incidencia de dicha radiacion, que comprende el uso de un sistema segun cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. Dicho metodo permite registrar, mediante el modulo de medida del sistema, la irradiancia de la radiacion lumfnica de salida y su angulo de salida, derivando de estos el angulo de entrada y la radiacion lumfnica de entrada.

En una realizacion preferente del metodo de la invencion, el modulo de medida se dispone a una distancia de la gufa tal que, en el plano de deteccion, el haz de salida de radiacion lumfnica forma un anillo de luz, cuyo diametro viene determinado por dicha distancia al plano de deteccion y por el angulo de salida del haz, y donde el grosor del anillo viene determinado por el diametro de la gufa. La regulacion de dicha distancia permite modificar la sensibilidad angular de la medida, consiguiendo con ello un metodo versatil para diferentes aplicaciones tecnicas de la invencion, adaptadas a diversos rangos angulares.

De forma complementaria, se puede realizar una calibracion del sistema de medida, mediante la cual se relaciona el angulo de incidencia de la radiacion lumfnica con el diametro del anillo sobre el plano de deteccion. Mas preferentemente, la calibracion comprende determinar la relacion entre la intensidad medida en el plano de deteccion y la intensidad de la radiacion a la entrada del dispositivo, en su angulo correspondiente.

Por medio del metodo de la invencion es posible, pues, estimar a partir de la medicion de la irradiancia de la radiacion lumfnica de salida en cada angulo de incidencia, el angulo de incidencia de la radiacion lumfnica de entrada, la irradiancia de la radiacion lumfnica de entrada, y la irradiancia normal de dicha radiacion a partir de una relacion proporcional al coseno del angulo de incidencia.

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Tal y como se ha descrito anteriormente, la ventaja principal de la invencion propuesta es que permite obtener, para una fuente de radiacion lummica orientada en un angulo cualquiera de incidencia, la medida de su irradiancia y la medida de su angulo de incidencia, asf como calcular la irradiancia que le corresponded en incidencia normal, esto es, descontando la dependencia con la relacion coseno debida al angulo solido que subtienden la fuente de radiacion y la superficie detectora. Ademas, el sistema y el metodo de la invencion permiten realizar estas medidas en tiempo real para una o mas fuentes de radiacion orientadas en diferentes angulos de incidencia, mejorando asf las soluciones tecnicas de los sistemas opticos de medida conocidos.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

La Figura 1 muestra un esquema con los elementos principales del sistema de medida de la invencion, segun una realizacion preferente de la misma.

La Figura 2 muestra, para una realizacion preferente de la invencion, el plano de deteccion y el anillo de luz formado sobre dicho plano, cuando el sistema de medicion se encuentra en funcionamiento y recibe luz de una fuente luminosa incidente.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Tal y como se ha descrito en parrafos precedentes, un objeto de la presente invencion se refiere a un sistema de medida para determinar simultaneamente el angulo de incidencia, el valor de la irradiancia y la irradiancia en incidencia normal de fuentes externas de radiacion lummica. De este modo, el sistema permite obtener, para una fuente de radiacion lummica orientada en un angulo cualquiera de incidencia a con respecto a la normal, la medida de su irradiancia (I) y la medida de su angulo de incidencia, y es capaz de calcular la irradiancia que le corresponded descontando la dependencia con la relacion coseno, debida al angulo solido que subtienden la fuente de radiacion y la superficie detectora. De esta manera, la irradiancia I sera igual a Imedida/k(a), donde Imedida es la irradiancia medida a la salida de la gufa y k(a) el coeficiente de atenuacion de la gufa de luz para un angulo a. La irradiancia normal Inormai sera entonces igual a I/cos(a). Ademas, el sistema puede realizar estas medidas en tiempo real, para una o mas fuentes de radiacion orientadas en diferentes angulos de incidencia.

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Para conseguir el fin propuesto, el sistema de medida de la invencion consta, preferentemente, de una gufa de luz (1) y de un modulo de medida, cuyos elementos principales se representan en la Figura 1 del presente documento. La gufa de luz (1) comprende, preferentemente, una varilla, por ejemplo, de simetrfa cilfndrica con propiedades opticas adecuadas para guiar la luz en el espacio comprendido entre su cara de entrada (2) y su cara de salida (3), a traves del cilindro que define un eje longitudinal (4). El guiado de la luz es tal que, dado un haz de luz incidente (5) que incide con un angulo de incidencia (6) definido en la entrada de la gufa, el haz de luz a la salida (8) de la gufa mantiene un angulo de salida (9) igual que el angulo de incidencia (6), con simetrfa de revolucion respecto al eje longitudinal de la gufa (4). La luz es guiada, de este modo, tras sufrir una pluralidad de reflexiones internas (7) en la varilla, hasta atravesar la cara de salida (3) de la varilla, dando asf lugar a un haz de luz de salida (8). Esta condicion de guiado se tiene para cualquier angulo de incidencia (6), incluso para varios haces de luz incidiendo al mismo tiempo y en angulos de incidencia (6) diferentes. La gufa de luz (1) puede ser, por ejemplo, una varilla de cuarzo o de vidrio, con las paredes laterales y las caras de entrada (2) y salida (3) plano- paralelas, preferentemente perpendiculares al eje longitudinal (4) de la varilla y terminadas, opcionalmente, en pulido optico.

El modulo de medida de la invencion comprende un detector (13) que mide la distribucion espacial de la luz a la salida de la gufa de luz, para determinar el angulo de salida (9) de la luz y su intensidad. El plano de deteccion (10) del detector (13) queda, preferentemente, separado por una distancia (12) conveniente de la gufa de luz (1), perpendicular al eje longitudinal (4) de dicha gufa (1) y alineado con la misma. En el plano de deteccion (10), el haz de salida (8) para un angulo de incidencia fijado, forma un anillo de luz (11). El diametro de este anillo de luz viene determinado por la distancia (12) del plano de deteccion (10) y el angulo de salida del haz (9), y el grosor del anillo viene determinado por el diametro de la gufa de luz (1). En la Figura 1 del presente documento se muestra un detalle del plano de deteccion (10) y del anillo (11) formado. En el caso de que la radiacion incidente provenga de una o varias fuentes luminosas e incida sobre el dispositivo en una gran variedad de angulos de incidencia, el resultado de la imagen obtenida en el detector es un cfrculo (14) representado en la Figura 2 (union de tantos anillos como angulos de incidencia).

En una realizacion preferente de la invencion, el modulo de deteccion comprende una CCD lineal. No obstante, el detector (13) puede comprender tambien una disposicion o “array” lineal de fotodiodos, enfrentado el detector (13) a la gufa de luz (1) y ligeramente separado

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del extremo de salida de la misma. Asf, a cada punto de medida del detector (13) le corresponde un angulo de incidencia (6) de la luz en la gufa (1).

En otra realizacion preferente de la invencion, el modulo de deteccion comprende una matriz CCD bidimensional. No obstante, el detector puede comprender tambien una disposicion o “array” bidimensional de fotodiodos, enfrentado con la gufa de luz y ligeramente separado del extremo de salida de la misma. Asf, a cada punto de medida del detector (13) le corresponde un angulo de incidencia (6) de la luz en la gufa (1) (en su caso, el diametro de la varilla).

En cuanto al proceso de medida de la invencion, se requiere una calibracion previa, que consta de dos partes: una que relaciona el angulo de incidencia (6) de la radiacion con el diametro del anillo (11) en el plano de deteccion (10); otra que relaciona la intensidad medida en cada punto del detector (13) y la intensidad de la radiacion incidente, en su angulo (6) correspondiente.

De este modo, a partir del cfrculo (14) correspondiente a la distribucion de la radiacion saliente en todos los angulos de incidencia (6), se puede determinar la irradiancia incidente para cada angulo (6). De la irradiancia incidente para cada angulo de entrada (6) se puede calcular la correspondiente irradiancia normal, descontando el efecto coseno.

Para compensar posibles efectos de atenuacion de la luz en la gufa de luz en funcion del angulo de incidencia, es posible tambien equipar al modulo de medida con un filtro optico (15) de absorcion, variable espacialmente. Este filtro (15) se situa preferentemente entre la salida (3) de la gufa de luz y el plano de deteccion (10), y su presencia se ha de tener en cuenta para la calibracion del sistema. Adicionalmente, si se utiliza una distribucion de fotodiodos, pueden elegirse las ganancias de los mismos para realizar esta misma compensacion.

Asimismo, para obtener una medida con alto rango dinamico, que permita cubrir las diferentes situaciones de intensidad incidente, es necesario que el detector (13) disponga de una relacion de ganancias variable, bien en tiempos de exposicion para la matriz CCD, o bien ganancias variables en los fotodiodos.

Otra de las caracterfsticas del sistema de la invencion es la posibilidad de tratamiento y exportacion de los datos de manera comoda y flexible, que puedan almacenarse de la forma

que se considere mas conveniente. Para ello, la presente invencion incorpora la existencia de un subsistema de adquisicion de datos capaz de comunicarse con un medio de tratamiento de datos y de control del sistema de medida. Dicho medio de tratamiento de datos y comunicacion puede ser un ordenador, y esta preferentemente configurado para 5 recibir la informacion que proviene de cada uno de los puntos de medida, incorporando dicha informacion a una base de datos y a un software de tratamiento de datos.

Una vez descrita la invencion propuesta por el solicitante, se incide de nuevo en su ventaja principal sobre los sistemas conocidos del estado de la tecnica, que consiste en la 10 capacidad de realizar, para una o varias fuentes de radiacion lumfnica incidente, una medida del angulo de incidencia de cada fuente de radiacion, una medida de su irradiancia y el calculo de su irradiancia normal, esto es, la irradiancia que le corresponded en incidencia normal, todo ello en tiempo real y en un sistema fijo, sin incluir partes moviles ni de seguimiento de la fuente de radiacion.

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REIVINDICACIONES

1Sistema de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiacion luminica, y del angulo de incidencia de dicha radiacion, caracterizado por que comprende:

- una gufa de luz (1) que, en sus extremos longitudinales, dispone de una cara de entrada (2) de radiacion y de una cara de salida (3) de dicha radiacion; siendo dichas caras (2,3) plano-paralelas y definiendo un espacio de guiado de radiacion luminica de entrada (5) entre dichas caras (2, 3);

- un modulo de medida de la radiacion luminica que comprende un equipo de deteccion (13) de la radiacion luminica de salida (8) en un plano de deteccion (10).
2. - Sistema segun la reivindicacion anterior, donde la gufa de luz (1) consiste en una varilla de guiado.
3. - Sistema segun la reivindicacion anterior, donde la varilla posee simetrfa cilfndrica con relacion a un eje longitudinal (4), o una seccion transversal poligonal.
4. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 2-3, donde las caras (2,3) de la varilla estan pulidas opticamente y son perpendiculares a su eje longitudinal.
5. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 2-4, donde la varilla es de cuarzo y/o vidrio.
6. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la gufa de luz (1) consiste en una o un haz de fibras opticas.
7. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el modulo de medida comprende un CCD y/o una disposicion de fotodiodos para la deteccion de la radiacion luminica de salida (8) en el plano de deteccion (10).
8. - Sistema segun la reivindicacion anterior, donde el CCD es un CCD lineal, una matriz CCD y/o los fotodiodos se disponen linealmente en el plano de deteccion (10),
9. - Sistema segun la reivindicacion anterior, donde el CCD y/o la disposicion de fotodiodos comprende una relacion variable de ganancias.

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10. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un filtro optico (15) de absorcion variable espacialmente, dispuesto entre la cara de salida (3) de la gufa de luz (1) y el plano de deteccion (10).
11. - Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el modulo de medida comprende un subsistema electronico de adquisicion de datos de medida, y/o un subsistema de tratamiento electronico de dichos datos y de control del sistema de medida.
12. - Metodo de medida de la irradiancia asociada a una fuente de radiacion lumfnica, y del angulo de incidencia de dicha radiacion, caracterizado por que comprende el uso de un sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores y donde se realizan, al menos, las siguientes etapas:

- se mide, mediante el modulo de medida del sistema, la irradiancia de la radiacion lumfnica de salida (8), y se calcula su angulo de salida (9) a partir de la posicion de deteccion de dicha radiacion en el plano de deteccion (13);

- se calcula, a partir de la medida del paso anterior y de las propiedades de reflexion interna de la gufa de luz (1) del sistema de medida, el angulo de entrada (6) y la irradiancia de la radiacion lumfnica de entrada (5).
13. - Metodo segun la reivindicacion anterior, donde el modulo de medida se dispone a una distancia (12) de la gufa de luz (1) tal que, en el plano de deteccion (10), el haz de salida (8) de radiacion lumfnica forma un anillo de luz (11), y donde se llevan a cabo las siguientes etapas:

- se relaciona el angulo de incidencia (6) de la radiacion con el diametro del anillo (11) en el plano de deteccion (10) a traves de calibracion del sistema; y

- se relaciona la intensidad medida en cada punto del detector (13) y la intensidad de la radiacion incidente, en su angulo (6) correspondiente; y

- se determina la irradiancia incidente para cada angulo (6), a partir del cfrculo (14) determinado por una pluralidad de anillos (11) correspondientes a la distribucion de la radiacion saliente en todos los angulos de incidencia (6).
14. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 12-13, donde se estima, a partir de medir la irradiancia de la radiacion lumfnica de salida (8) en cada angulo de incidencia (6) y de las propiedades de reflexion interna de la gufa de luz (1) del sistema de medida, el angulo de incidencia (6) de la radiacion lumfnica de entrada (5), y la irradiancia normal de

dicha radiacion (5) a partir de una relacion proporcional al coseno del angulo de incidencia (6) multiplicado por el coeficiente de atenuacion de la gufa de luz (1).