ES2890455A1 - RADIOMETRY DEVICE AND PROCEDURE FOR THE MEASUREMENT OF SOLAR IRRADIANCE (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2890455A1 ES202030682A ES202030682A ES2890455A1 ES 2890455 A1 ES2890455 A1 ES 2890455A1 ES 202030682 A ES202030682 A ES 202030682A ES 202030682 A ES202030682 A ES 202030682A ES 2890455 A1 ES2890455 A1 ES 2890455A1
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Rincón Alejandro Carballar
Garrido Roberto Rodríguez
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Abstract

Radiometry device and procedure for measuring solar irradiance. In which the device (1) comprises an optical fiber (3), with a core (11) and a cover (12), and in which a beam of sunlight (2) falls on one end; an optical power meter module (4); and a signal processing module (5). The procedure comprises the steps of obtaining one or more measurements of optical power, {IMAGE-01}, obtaining the gross solar irradiance, {IMAGE-02} as a ratio between the optical power, {IMAGE-03} and the area of the surface of the core (11) of the optical fiber (3) exposed to the beam of sunlight (2), calculation of a correction factor, {IMAGE-04} and obtaining a measurement of solar irradiance, as the product between gross solar irradiance and correction factor. {IMAGE-05} (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE RADIOMETRÍA PARA LA MEDIDA DE RADIOMETRY DEVICE AND PROCEDURE FOR THE MEASUREMENT OF

IRRADIANCIA SOLARSOLAR IRRADIANCE

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

El objeto de la invención se encuadra en el sector de la Instrumentación de Test y Medida utilizada en radiometría para la caracterización de la radiación solar, y en particular en la medida de la irradiancia solar, siendo ésta la magnitud que representa la potencia óptica solar incidente en una superficie de área determinada.The object of the invention falls within the Test and Measurement Instrumentation sector used in radiometry for the characterization of solar radiation, and in particular in the measurement of solar irradiance, this being the magnitude that represents the incident solar optical power on a given surface area.

Concretamente, el objeto de la invención es un dispositivo y procedimiento consistentes en la generalización del concepto de pirheliómetro, el cual proporciona la medida de la irradiancia solar o flujo óptico de un haz de luz solar definido por un cono de aceptancia, que incide perpendicularmente en una superficie de área determinada.Specifically, the object of the invention is a device and procedure consisting of the generalization of the pyrheliometer concept, which provides the measurement of the solar irradiance or optical flow of a beam of sunlight defined by an acceptance cone, which falls perpendicularly on a surface of a certain area.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

La radiación solar es un recurso de energía inagotable para el planeta Tierra. Los diferentes niveles de irradiancia solar que inciden sobre la superficie terrestre son de especial importancia en los sectores de la meteorología, astronomía, agricultura, y de extrema importancia en el sector de la energía solar (tanto fotovoltaica como termosolar) para la optimización, en términos de rendimiento y eficiencia, del proceso de producción de energía.Solar radiation is an inexhaustible energy resource for planet Earth. The different levels of solar irradiance that affect the earth's surface are of special importance in the sectors of meteorology, astronomy, agriculture, and of extreme importance in the solar energy sector (both photovoltaic and solar thermal) for optimization, in terms of performance and efficiency of the energy production process.

De forma genérica, la radiación solar que incide en la superficie de la atmósfera está caracterizada por su densidad espectral de flujo óptico o irradiancia espectral, E(A), con unidades de W • m_2 • Hz_1 (ó W • m_2 • nm"1), que se distribuye en un rango espectral que va desde los 300 nm hasta los 4000 nm, aproximadamente. A partir de E(A) se define la irradiancia solar, E, con unidades de W ■ m~2, como la integral de la irradiancia espectral a lo largo de todo el espectro, y por tanto caracteriza la intensidad de radiación solar por unidad de área. La irradiancia solar que llega a la superficie de la atmósfera toma valores de 1367 W • m~2 según la WRC (World Radiation Centre), 1373 W -m ~ 2 según la WMO (World MeteorológicaI Organizaron) y 1353 W ■ m~2 según la NASA (National Aeronautics and Space Administraron). In general, the solar radiation that falls on the surface of the atmosphere is characterized by its spectral density of optical flux or spectral irradiance, E ( A), with units of W • m_2 • Hz_1 (or W • m_2 • nm"1 ), which is distributed in a spectral range that goes from 300 nm to 4000 nm, approximately From E ( A) the solar irradiance, E, with units of W ■ m~2, is defined as the integral of the spectral irradiance throughout the entire spectrum, and therefore characterizes the intensity of solar radiation per unit area.The solar irradiance that reaches the surface of the atmosphere takes values of 1367 W • m~2 according to the WRC ( World Radiation Center ), 1373 W -m ~ 2 according to the WMO ( World Meteorological Organization ) and 1353 W ■ m ~ 2 according to NASA ( National Aeronautics and Space Administration).

Sin embargo, la intensidad de radiación solar que incide en la superficie terrestre es menor fruto de los procesos de absorción y esparcimiento ( scatteríng) que sufre un haz de luz solar al atravesar la atmósfera. En este sentido, la irradiancia solar que incide en cada punto de la superficie terrestre depende tanto de su localización geográfica como del instante temporal de la medida, debido a múltiples factores como son: la distancia de la Tierra al Sol que varía a lo largo de todo el año; los diferentes agentes atmosféricos, como por ejemplo las nubes, que producen una dispersión del haz de luz solar; el porcentaje de humedad atmosférica que determina una serie de bandas de absorción en el espectro solar; y, la polución del aire; entre otros; que de forma conjunta se traduce en una modificación de la irradiancia espectral particular para cualquier ubicación de la superficie terrestre y hora del día.However, the intensity of solar radiation that falls on the earth's surface is less as a result of the absorption and scattering processes that a beam of sunlight undergoes when passing through the atmosphere. In this sense, the solar irradiance that falls on each point on the earth's surface depends both on its geographical location and on the time instant of measurement, due to multiple factors such as: the distance from the Earth to the Sun, which varies along all year; the different atmospheric agents, such as clouds, which produce a dispersion of the beam of sunlight; the percentage of atmospheric humidity that determines a series of absorption bands in the solar spectrum; and, air pollution; among others; which together translates into a modification of the particular spectral irradiance for any location on the earth's surface and time of day.

Por tanto, la irradiancia solar que incide en cualquier punto de la superficie terrestre varía a lo largo del tiempo y se denota por E(t). En función del origen y procedencia del haz de luz solar incidente en el punto de medida, se definen tres tipos de medida para la irradiancia solar:Therefore, the solar irradiance incident on any point on the earth's surface varies over time and is denoted by E ( t). Depending on the origin and source of the incident sunlight beam at the measurement point, three types of measurement are defined for solar irradiance:

- Irradiancia Normal Directa o DNI (del inglés Direct Normal Irradiance), para el haz de luz solar proveniente directamente del Sol y que es medida mediante un pirheliómetro montado sobre un seguidor solar.- Direct Normal Irradiance or DNI ( Direct Normal Irradiance ), for the beam of sunlight coming directly from the Sun and which is measured by a pyrheliometer mounted on a solar tracker.

- Irradiancia Horizontal Difusa o DHI (del inglés Direct Horizontal Irradiance), para la radiación solar proveniente de todo el cielo menos la que proviene directamente del Sol (es decir, la DNI), y que es medida mediante un piranómetro con una banda de sombra para eliminar el haz de luz solar directo del Sol.- Diffuse Horizontal Irradiance or DHI (from the English Direct Horizontal Irradiance ), for the solar radiation coming from the entire sky except that which comes directly from the Sun (that is, the DNI), and which is measured by means of a pyranometer with a shadow band to eliminate the direct sunlight beam from the Sun.

- Irradiancia Horizontal Global o GHI (del inglés Global Horizontal Irradiance), que considera toda la radiación solar proveniente del cielo y que es medida de forma general con un Piranómetro con un sensor horizontal.- Global Horizontal Irradiance or GHI ( Global Horizontal Irradiance English ), which considers all solar radiation from the sky and is generally measured with a Pyranometer with a horizontal sensor.

Estas medidas de irradiancia solar son las utilizadas en aplicaciones de meteorología, y sus definiciones concretas, están sujetas a las especificaciones de la Organización Internacional para la Normalización (ISO, International Organization for Standardizaron) y la Organización Meteorológica Mundial (OMM o WMO).These measurements of solar irradiance are those used in meteorology applications, and their specific definitions are subject to the specifications of the International Organization for Standardization (ISO ) and the World Meteorological Organization (WMO or WMO).

Por otro lado, el sector de la energía solar, tanto fotovoltaica como termosolar, hace uso de estas medidas (principalmente la DNI) para monitorizar la irradiancia solar que incide en los paneles solares y heliostatos. Sin embargo, en aplicaciones solares de concentración también es muy importante la medida y monitorización del flujo solar concentrado con el propósito de poder operar la planta solar en las condiciones óptimas de máximo rendimiento, eficiencia y seguridad. En este sentido, las medidas de irradiancia solar a partir de flujo solar concentrado son mucho más exigentes tanto desde el punto de vista de magnitud y rango dinámico, como de condiciones extremas de operación y funcionamiento.On the other hand, the solar energy sector, both photovoltaic and solar thermal, makes use of these measurements (mainly the DNI) to monitor the solar irradiance that affects solar panels and heliostats. However, in concentrated solar applications, the measurement and monitoring of the concentrated solar flux is also very important in order to be able to operate the solar plant in the optimal conditions of maximum performance, efficiency and safety. In this sense, the measurements of solar irradiance from concentrated solar flux they are much more demanding both from the point of view of magnitude and dynamic range, as well as extreme operating and operating conditions.

Los tres elementos o componentes clave que componen un aparato de medida para la irradiancia solar son: la estructura o dispositivo que determina el cono de aceptancia para la radiación solar; la superficie o área de incidencia de la radiación solar; y, el detector para la medida de la potencia óptica incidente en la superficie de área determinada. Estos tres elementos están determinados por las diferentes configuraciones del aparato de medida, que generalmente incluye un elemento captador de la radiación solar y un detector. El elemento más crítico suele ser el detector, para el cual se encuentran dos alternativas en el estado del arte:The three key elements or components that make up a solar irradiance measurement device are: the structure or device that determines the acceptance cone for solar radiation; the surface or area of incidence of solar radiation; and, the detector for the measurement of the optical power incident on the surface of a determined area. These three elements are determined by the different configurations of the measuring device, which generally includes a solar radiation capture element and a detector. The most critical element is usually the detector, for which there are two alternatives in the state of the art:

- Los detectores térmicos o termopilas, que convierten la energía térmica captada del haz de luz solar en energía eléctrica. Normalmente están formados por termopares conectados en serie o en paralelo que no responden a una temperatura absoluta, sino que responden a un gradiente de temperatura generando un voltaje. Su principal ventaja es que presentan una medida de potencia óptica de gran anchura espectral y no depende de la longitud de onda. La medida puede autocalibrarse proporcionando una precisión del orden del 1%. Como inconveniente presenta una muy pobre sensibilidad (típicamente del orden de 10p,W).- Thermal detectors or thermopiles, which convert the thermal energy captured from the beam of sunlight into electrical energy. They are normally made up of thermocouples connected in series or parallel that do not respond to an absolute temperature, but instead respond to a temperature gradient by generating a voltage. Their main advantage is that they present a measure of optical power with a wide spectral width and does not depend on the wavelength. The measurement can self-calibrate providing an accuracy of the order of 1%. As a drawback, it presents a very poor sensitivity (typically of the order of 10p,W).

- Los fotodetectores de semiconductor, que captan la radiación óptica convirtiendo fotones en pares electrón-hueco, y, por tanto, convirtiendo potencia óptica en corriente eléctrica. Los fotodetectores de semiconductor presentan como principal ventaja su excelente sensibilidad (incluso por debajo de 1pW), un amplio rango dinámico, una precisión del orden del 2%, menor complejidad, menor mantenimiento y menor coste. Sin embargo, presentan el inconveniente que la medida de potencia óptica que proporcionan depende de la longitud de onda y que los semiconductores no son sensibles a todo el rango espectral de la radiación solar, es decir, que el ancho de banda de la responsividad del semiconductor es menor que la anchura espectral de la radiación solar a medir, por lo que la medida de potencia óptica es menos precisa y necesita un proceso de calibración. Como fotodetectores de semiconductor se utilizan el fotodiodo de unión polarizado en inversa y la célula fotovoltaica trabajando en la región cercana al cortocircuito.- Semiconductor photodetectors, which capture optical radiation by converting photons into electron-hole pairs, and, therefore, converting optical power into electrical current. The main advantage of semiconductor photodetectors is their excellent sensitivity (even below 1pW), a wide dynamic range, an accuracy of around 2%, less complexity, less maintenance and lower cost. However, they have the drawback that the optical power measurement they provide depends on the wavelength and that semiconductors are not sensitive to the entire spectral range of solar radiation, that is, that the bandwidth of the semiconductor's responsivity it is less than the spectral width of the solar radiation to be measured, so the optical power measurement is less precise and requires a calibration process. The reverse-biased junction photodiode and the photovoltaic cell working in the region near the short circuit are used as semiconductor photodetectors.

En el sector de la meteorología los instrumentos más utilizados para la medida de la irradiancia solar son: In the meteorology sector, the most used instruments for measuring solar irradiance are:

- Piranómetro de termopila, diseñado para la medida de la radiación solar en un gran ancho de banda gracias a que la termopila presenta una sensibilidad prácticamente plana en el rango espectral entre los 300nm y los 2800nm. Proporcionan una medida de muy alta precisión para la GHI y DHI (si incorpora banda de sombra).- Thermopile pyranometer, designed for the measurement of solar radiation in a wide bandwidth thanks to the fact that the thermopile has a practically flat sensitivity in the spectral range between 300nm and 2800nm. They provide a very high precision measurement for GHI and DHI (if shadow band is included).

- Piranómetro basado en fotodiodo, o también conocido como piranómetro de Silicio (ya que el Silicio es el semiconductor que presenta mayor responsividad en los máximos de irradiancia espectral solar). Dicho piranómetro detecta la porción del espectro entre 400nm y 800nm para fotodetectores basado en célula fotovoltaica, o entre 350nm y 1100nm para fotodetector basado en fotodiodo de unión polarizado en inversa.- Pyranometer based on photodiode, or also known as Silicon pyranometer (since Silicon is the semiconductor that presents the greatest responsiveness in the maximum solar spectral irradiance). Said pyranometer detects the portion of the spectrum between 400nm and 800nm for photovoltaic cell-based photodetectors, or between 350nm and 1100nm for reverse-biased junction photodiode-based photodetectors.

- Pirheliómetro basado en termopila para la medida de la DNI, compuesto por una cavidad encargada de la captación del haz de luz solar dentro de un cono de aceptancia (generalmente se establece un ángulo de aceptancia de 2.5°) que incide en una termopila que convierte la energía térmica en una diferencia de voltaje.- Thermopile-based pyrheliometer for the measurement of the DNI, composed of a cavity responsible for capturing the beam of sunlight within an acceptance cone (generally an acceptance angle of 2.5° is established) that falls on a thermopile that converts thermal energy into a voltage difference.

En el sector de la energía solar de concentración existen dos sensores para la medida de la irradiancia solar concentrada o flujo solar concentrado que son el radiómetro de Gardon y el sensor HFM. Ambos sensores basan su principio de funcionamiento en termopilas y están caracterizados por presentar una superficie de incidencia alrededor de 25mm de diámetro y un rango dinámico de medida entre los 0 y los 50 MW -m~2. Son muy sensibles, necesitan un circuito de refrigeración para poder operar en condiciones de muy alta temperatura y tienen un coste muy alto.In the concentrating solar energy sector, there are two sensors for measuring concentrated solar irradiance or concentrated solar flux: the Gardon radiometer and the HFM sensor. Both sensors base their operating principle on thermopiles and are characterized by having an incidence surface around 25mm in diameter and a dynamic range of measurement between 0 and 50 MW -m~2. They are very sensitive, they need a cooling circuit to be able to operate in very high temperature conditions and they have a very high cost.

En el estado del arte de la técnica, se han presentado otros instrumentos para la medida de la irradiancia solar. Es conocido un instrumento para la medida de la GHI, integrando una fibra óptica junto con un difusor como elemento captador de la radiación solar y un fotodetector de Silicio para la medida de la potencia óptica, con el propósito de situar el fotodiodo lejos del punto de medida y asegurar unas condiciones de medida de irradiancia solar controladas.In the state of the art of the technique, other instruments have been presented for the measurement of solar irradiance. An instrument for measuring the GHI is known, integrating an optical fiber together with a diffuser as a solar radiation capture element and a Silicon photodetector for measuring the optical power, with the purpose of placing the photodiode far from the point of measure and ensure controlled solar irradiance measurement conditions.

El objetivo que persigue este instrumento es no exponer el fotodiodo directamente a la radiación solar, y para ello utiliza una fibra óptica para conducir la radiación solar desde el punto de medida hasta las instalaciones de laboratorio donde se sitúa el fotodiodo con unas condiciones de trabajo estables. El extremo de la fibra óptica situado en el punto de medida incorpora un difusor para aproximar una respuesta con ley cosenoidal a radiación solar incidente y la protege de las condiciones atmosféricas mediante una bombilla de vidrio. De esta forma, se lleva a cabo una medida de la GHI utilizando un método de medida mediante factores de calibración que dependen de las diferentes masas de aire que atraviesa el haz de luz solar. The objective pursued by this instrument is not to expose the photodiode directly to solar radiation, and for this it uses an optical fiber to conduct the solar radiation from the measurement point to the laboratory facilities where the photodiode is located with stable working conditions. . The end of the optical fiber located at the measurement point incorporates a diffuser to approximate a cosine law response to incident solar radiation and protects it from atmospheric conditions by means of a glass bulb. In this way, a measurement of the GHI is carried out using a measurement method using calibration factors that depend on the different masses of air that the beam of sunlight passes through.

Sin embargo, esta propuesta no utiliza las propiedades de la fibra óptica definidas por la apertura numérica que caracteriza un cono de aceptancia y, por tanto, susceptible de ser utilizado para la medida de la DNI. En este trabajo ya si se indican los problemas de la selectividad espectral del fotodetector de silicio que no cubre todo el rango espectral de la luz constituyéndose en una fuente de error, así como las variaciones en la irradiancia espectral de la luz debido a la localización, altitud y condiciones atmosféricas.However, this proposal does not use the properties of the optical fiber defined by the numerical aperture that characterizes an acceptance cone and, therefore, capable of being used for the measurement of the DNI. In this work, the problems of the spectral selectivity of the silicon photodetector, which does not cover the entire spectral range of the light, becoming a source of error, as well as the variations in the spectral irradiance of the light due to the location, are indicated. altitude and atmospheric conditions.

Otras propuestas relacionadas con la medida de la irradiancia que independizan el elemento captador de radiación solar y el fotodetector son la solicitud de patente para la medida del ángulo de incidencia de radiación solar ES2597982 y para la detección de la radiación incidente en un receptor solar W02016/110606A1. Ambas propuestas presentan un sistema y método de detección de la radiación solar basadas en un elemento captador de radiación consistente en una varilla de cuarzo de diámetro entre 1 mm y 4 mm como guiaonda óptica.Other proposals related to the measurement of irradiance that separate the solar radiation capture element and the photodetector are the patent application for the measurement of the angle of incidence of solar radiation ES2597982 and for the detection of incident radiation in a solar receiver W02016/ 110606A1. Both proposals present a system and method for detecting solar radiation based on a radiation capture element consisting of a quartz rod with a diameter between 1 mm and 4 mm as an optical waveguide.

Los objetivos de estas dos propuestas son: uno, la medida del ángulo de incidencia de la radiación lumínica en el elemento de captación a partir de la corona circular que se obtiene a la salida de la varilla de cuarzo; y dos, la detección de flujo solar concentrado en el receptor de torre de una central termosolar situando la varilla de cuarzo a través de los paneles del receptor solar en la zona expuesta a la radiación solar concentrada (soportando temperaturas de operación de hasta 1000°C), con el propósito de conducir dicha radiación hacia la zona posterior del receptor solar, ya con temperaturas más bajas, donde se ubica un módulo de medida para la radiación guiada. El módulo de medida contempla las opciones de utilizar bien un fotodetector, bien un array de fotodetectores, o bien matriz CCD.The objectives of these two proposals are: one, the measurement of the angle of incidence of the light radiation in the capture element from the circular crown that is obtained at the output of the quartz rod; and two, the detection of concentrated solar flux in the tower receiver of a solar thermal power plant by placing the quartz rod through the solar receiver panels in the area exposed to concentrated solar radiation (withstanding operating temperatures of up to 1000°C ), with the purpose of conducting said radiation towards the rear area of the solar receiver, already with lower temperatures, where a measurement module for guided radiation is located. The measurement module contemplates the options of using either a photodetector, an array of photodetectors, or a CCD matrix.

Sin embargo, el sistema y método contemplado en estas propuestas no muestran el procedimiento para la obtención de una medida cuantitativa de la irradiancia del haz de luz incidente. La obtención de una medida cuantitativa de la irradiancia solar (W ■ m~2) no es directa ni inmediata ya que dependerá de la irradiancia espectral de la radiación incidente, de la superficie de incidencia, de las pérdidas que pueda sufrir la radiación en su guiado hasta el módulo de detección óptica, y de la respuesta espectral del módulo de detección óptica.However, the system and method contemplated in these proposals do not show the procedure for obtaining a quantitative measure of the irradiance of the incident light beam. Obtaining a quantitative measure of solar irradiance ( W ■ m~2) is not direct or immediate since it will depend on the spectral irradiance of the incident radiation, the surface of incidence, the losses that the radiation may suffer in its guided to the optical detection module, and the spectral response of the optical detection module.

Por otro lado, estas propuestas consideran la posibilidad de utilizar fibra óptica como guiaonda óptica para conducir la radiación óptica desde el elemento captador hasta el módulo de medida de potencia óptica, aunque su uso tampoco es directo ni evidente por las consideraciones intrínsecas que presenta la fibra óptica en cuanto a sus características de construcción de núcleo y cubierta (índices de refracción necesarios para asegurar el principio de reflexión total interna), diferentes dimensiones de núcleo y cubierta (y por tanto, diferentes superficies de incidencia, así como el posible comportamiento monomodo o multimodo), y característica de apertura numérica que se traduce en un determinado cono de aceptancia para la radiación incidente.On the other hand, these proposals consider the possibility of using optical fiber as an optical waveguide to conduct optical radiation from the sensor element to the optical power measurement module, although its use is neither direct nor obvious due to the intrinsic considerations that fiber presents. optics in terms of its core and shell construction characteristics (refractive indices necessary to ensure the principle of total reflection internal), different dimensions of the core and cover (and therefore, different incidence surfaces, as well as the possible single-mode or multimode behavior), and numerical aperture characteristic that translates into a certain cone of acceptance for the incident radiation.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

El objeto de la presente invención es un dispositivo y procedimiento de radiometría para la medida de la irradiancia solar de un haz de luz. El dispositivo comprende una fibra óptica, con un primer extremo sobre el que incide un haz de luz. La fibra óptica comprende un núcleo, una cubierta y opcionalmente un recubrimiento. El haz de luz incide sobre la superficie delimitada por el núcleo y dentro del cono de aceptancia que delimita su apertura numérica. La radiación solar acoplada a la fibra óptica dentro de estas especificaciones (cono de aceptancia y área del núcleo de la fibra) se lleva hasta el extremo opuesto de la fibra en el que se mide la potencia óptica mediante un módulo medidor de potencia óptica, que comprenderá preferentemente un fotodiodo semiconductor.The object of the present invention is a radiometry device and method for measuring the solar irradiance of a light beam. The device comprises an optical fiber, with a first end on which a light beam is incident. The optical fiber comprises a core, a jacket and optionally a coating. The light beam falls on the surface delimited by the nucleus and within the acceptance cone that delimits its numerical aperture. Solar radiation coupled to the optical fiber within these specifications (acceptance cone and fiber core area) is taken to the opposite end of the fiber where the optical power is measured by an optical power meter module, which it will preferably comprise a semiconductor photodiode.

Una primera aproximación del procedimiento de medida para la irradiancia solar en el punto de medida (extremo de la fibra óptica expuesto al haz de luz solar) es la relación entre la potencia óptica medida por el módulo medidor y el área del núcleo de la fibra óptica (W ■ m~2). Las ventajas de esta propuesta radican en que los diferentes diseños de la fibra óptica permiten controlar tanto el cono de aceptancia de la radiación solar a partir de la característica de apertura numérica de la fibra óptica como la superficie de incidencia a través del área del núcleo.A first approximation of the measurement procedure for solar irradiance at the measurement point (end of the optical fiber exposed to the beam of sunlight) is the ratio between the optical power measured by the measuring module and the area of the optical fiber core. ( W ■ m~2). The advantages of this proposal lie in the fact that the different designs of the optical fiber allow controlling both the cone of acceptance of solar radiation from the numerical aperture characteristic of the optical fiber and the incidence surface through the core area.

Haciendo uso de la óptica geométrica, todos los rayos de luz contenidos dentro del cono de aceptancia que inciden en la zona de núcleo de la fibra óptica expuesta a la radiación solar son guiados por ésta hasta su otro extremo con muy bajas pérdidas, para medir su potencia óptica mediante el módulo medidor.Making use of geometric optics, all the light rays contained within the acceptance cone that strike the core area of the optical fiber exposed to solar radiation are guided by it to its other end with very low losses, to measure its optical power using the meter module.

Las ventajas de utilizar un fotodiodo de semiconductor del módulo medidor de potencia óptica radican en su estabilidad, linealidad, bajo mantenimiento y bajo coste, además de su excelente sensibilidad para adaptarse a los reducidos niveles de potencia óptica acoplados al núcleo de la fibra óptica de dimensiones micrométricas. Por otro lado, las reducidas dimensiones de la fibra óptica le permiten ser integradas en los receptores solares de las centrales termosolares de concentración siempre que se utilicen fibras ópticas especiales para trabajar a altas temperaturas.The advantages of using an optical power meter module's semiconductor photodiode lie in its stability, linearity, low maintenance, and low cost, as well as its excellent sensitivity in adapting to low optical power levels coupled to the fiber optic core of dimensions micrometric. On the other hand, the reduced dimensions of the optical fiber allow it to be integrated into the solar receivers of solar thermal power plants. of concentration whenever special optical fibers are used to work at high temperatures.

Por tanto, el dispositivo de radiometría para la medida genérica de la irradiancia solar comprende:Therefore, the radiometry device for the generic measurement of solar irradiance comprises:

- como elemento captador de radiación una fibra óptica para aprovechar sus características de dimensiones reducidas, definición de un cono de aceptancia a partir de su apertura numérica, definición de la superficie de incidencia de la radiación a partir del área del núcleo, propiedades de guiado óptico de muy bajas pérdidas, y versatilidad de diferentes diseños y configuraciones,- an optical fiber as a radiation capture element to take advantage of its small size characteristics, definition of an acceptance cone based on its numerical aperture, definition of the radiation incidence surface based on the core area, optical guidance properties of very low losses, and versatility of different designs and configurations,

- como elemento detector de la radiación solar, un módulo medidor de potencia óptica que comprende preferentemente un fotodiodo de semiconductor, que proporciona características y propiedades de alta sensibilidad compatible con los bajos niveles de potencia óptica acoplados a la fibra óptica debido al reducido tamaño del núcleo, bajo coste, linealidad y estabilidad, bajo mantenimiento, y tiempo de respuesta rápido, y - adicionalmente, el dispositivo puede comprender un módulo de procesado, conectado al módulo medidor y configurado para procesar y enviar a un equipo externo las medidas obtenidas por el módulo medidor.- as a solar radiation detector element, an optical power meter module preferably comprising a semiconductor photodiode, which provides characteristics and properties of high sensitivity compatible with the low levels of optical power coupled to the optical fiber due to the reduced size of the core , low cost, linearity and stability, low maintenance, and fast response time, and - additionally, the device may comprise a processing module, connected to the measuring module and configured to process and send the measurements obtained by the module to an external equipment measurer.

En la presente invención se define además un procedimiento de medida basado en la obtención del cociente entre la potencia óptica medida por el módulo medidor de potencia óptica y el área del núcleo de la fibra óptica consiguiendo así, en primera aproximación, una medida de irradiancia óptica (W ■ m~2). The present invention also defines a measurement procedure based on obtaining the quotient between the optical power measured by the optical power meter module and the area of the optical fiber core, thus obtaining, in a first approximation, a measurement of optical irradiance ( W ■ m~2).

Concretamente, el procedimiento toma como entrada, en una primera etapa, el valor de potencia óptica medida por el módulo medidor y el módulo de procesado, y el área del núcleo de la fibra óptica, y calcula una primera aproximación de la irradiancia solar como el cociente de la potencia óptica medida entre el área de la superficie del núcleo.Specifically, the procedure takes as input, in a first stage, the optical power value measured by the measuring module and the processing module, and the area of the optical fiber core, and calculates a first approximation of the solar irradiance as the quotient of the optical power measured by the surface area of the nucleus.

En una segunda etapa a esta primera aproximación de la Irradiancia Solar, se calcula un factor de corrección o calibración que tiene en cuenta la limitada respuesta espectral del fotodiodo de semiconductor, el patrón de la distribución espectral de la radiación solar incidente, y las pérdidas que introduce la fibra óptica en el guiado de la radiación óptica desde el punto de medida o acoplo a fibra hasta el fotodiodo de semiconductor (o módulo medidor de potencia óptica). In a second stage to this first approximation of the Solar Irradiance, a correction or calibration factor is calculated that takes into account the limited spectral response of the semiconductor photodiode, the pattern of the spectral distribution of the incident solar radiation, and the losses that introduces the optical fiber in the optical radiation guide from the point of measurement or fiber coupling to the semiconductor photodiode (or optical power meter module).

En una tercera etapa del procedimiento, se realiza el proceso de calibración corrigiendo la primera aproximación de la irradiancia solar por medio del factor de corrección o calibración (calculado en la segunda etapa), obteniendo así la medida de la irradiancia solar final.In a third stage of the procedure, the calibration process is carried out by correcting the first approximation of the solar irradiance by means of the correction or calibration factor (calculated in the second stage), thus obtaining the measurement of the final solar irradiance.

La invención se compone por tanto de un dispositivo de medida y un procedimiento de medida complementarios que manteniendo niveles de sencillez de montaje y mantenimiento, consiguen una mejora de las prestaciones de los productos actuales, como son una dinámica de respuesta muy rápida, versatilidad y flexibilidad en el diseño del cono de aceptancia para la radiación solar, mayor rango dinámico asociado a la posibilidad de trabajar con diferentes tamaños de núcleo de la fibra óptica, mayor sensibilidad gracias a la utilización de fotodiodos de semiconductor, menor complejidad, y menor coste.The invention therefore consists of a complementary measurement device and measurement procedure that, while maintaining levels of simplicity of assembly and maintenance, achieve an improvement in the performance of current products, such as very fast response dynamics, versatility and flexibility. in the design of the acceptance cone for solar radiation, greater dynamic range associated with the possibility of working with different sizes of the optical fiber core, greater sensitivity thanks to the use of semiconductor photodiodes, less complexity, and lower cost.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, by way of illustration and not limitation, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra un esquema de bloques del dispositivo objeto de invención.Figure 1.- Shows a block diagram of the device object of the invention.

Figura 2.- Muestra un detalle del extremo de la fibra óptica expuesto al haz de luz solar, en el que se representan gráficamente la definición del cono de aceptancia (determinado por la apertura numérica) y el área de superficie del núcleo de la fibra.Figure 2.- Shows a detail of the end of the optical fiber exposed to the beam of sunlight, in which the definition of the acceptance cone (determined by the numerical aperture) and the surface area of the fiber core are graphically represented.

Figura 3.- Muestra un ejemplo de realización del dispositivo.Figure 3.- Shows an example of embodiment of the device.

Figura 4.- Muestra un ejemplo de las etapas del procedimiento para la medida de la DNI a lo largo de un día, representado mediante un diagrama de flujo.Figure 4.- Shows an example of the stages of the procedure for measuring the DNI throughout a day, represented by means of a flow chart.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 4, una realización preferente de la presente invención, que define un procedimiento y un dispositivo de medida, ambos para la obtención de la irradiancia solar que caracteriza la intensidad o magnitud de radiación solar que incide en un determinado punto.A preferred embodiment of the present invention is described below, with the help of figures 1 to 4, which defines a procedure and a measuring device, both for the Obtaining the solar irradiance that characterizes the intensity or magnitude of solar radiation that falls on a certain point.

En la figura 1 se muestra el esquema de bloques del dispositivo (1) para la obtención de la irradiancia solar proveniente de un haz de luz solar (2), que incide en el extremo de una fibra óptica (3). El haz de luz solar (2) está totalmente caracterizado por su irradiancia espectral E(A) y variará en función de la ubicación geográfica del punto de medida, así como del instante o momento temporal de la medida (estación del año, mes, día y hora).Figure 1 shows the block diagram of the device (1) for obtaining the solar irradiance from a beam of sunlight (2), which strikes the end of an optical fiber (3). The beam of sunlight (2) is fully characterized by its spectral irradiance E ( A) and will vary depending on the geographical location of the measurement point, as well as the instant or moment in time of the measurement (season of the year, month, day). and hour).

El dispositivo (1) comprende por tanto una fibra óptica (3), un módulo medidor de potencia óptica (4) conectado a la fibra óptica (3), y un módulo de procesado de señal (5), conectado al módulo medidor de potencia óptica (4).The device (1) therefore comprises an optical fiber (3), an optical power meter module (4) connected to the optical fiber (3), and a signal processing module (5), connected to the power meter module optics (4).

La fibra óptica (3) está caracterizada por sus dimensiones 2a/2b, diámetros de núcleo (11) y cubierta (12) respectivamente y representados en detalle en la figura 2, los índices de refracción de núcleo (11) y cubierta (12), n1 y n2, respectivamente, su coeficiente de atenuación por unidad de longitud a(A), y su longitud L. The optical fiber (3) is characterized by its dimensions 2a/2b, core (11) and cover (12) diameters respectively and represented in detail in Figure 2, the refractive indices of the core (11) and cover (12) , n1 and n2, respectively, its attenuation coefficient per unit length a ( A), and its length L.

Estos parámetros, representados en la figura 2, determinan:These parameters, represented in Figure 2, determine:

- el cono de aceptancia para el haz de luz solar (2) que se acopla al interior de la fibra óptica (3) proveniente del exterior (aire) a partir de su apertura numérica definida como AN = sen(9a) = Jnf - n\, siendo Qa el ángulo de aceptancia;- the acceptance cone for the solar light beam (2) that is coupled to the inside of the optical fiber (3) coming from the outside (air) from its numerical aperture defined as AN = sin ( 9a) = Jnf - n \, where Qa is the acceptance angle;

- el área de la superficie del núcleo (11) de la fibra óptica (3), Acore = n ■ a2, por donde el haz de luz solar (2) entra, y se acopla, al interior de la fibra óptica (3); y- the surface area of the core (11) of the optical fiber (3), Acore = n ■ a2, through which the beam of sunlight (2) enters, and is coupled, to the interior of the optical fiber (3) ; Y

- las pérdidas que sufre la radiación óptica acoplada a la fibra óptica (3) en su propagación a través de su longitud completa. La fibra óptica (3) capta la porción de haz de luz solar (2) contenida dentro del cono de aceptancia determinado por la fibra óptica (3) y la conduce hasta el extremo opuesto de la fibra óptica (3) situado a una distancia L (sufriendo unas pérdidas por unidad de longitud caracterizadas pora(A)), el cual se conecta directamente al módulo medidor de potencia óptica (4).- the losses suffered by the optical radiation coupled to the optical fiber (3) in its propagation along its entire length. The optical fiber (3) captures the portion of the solar light beam (2) contained within the acceptance cone determined by the optical fiber (3) and conducts it to the opposite end of the optical fiber (3) located at a distance L (suffering losses per length unit characterized by a(A)), which is directly connected to the optical power meter module (4).

El módulo medidor de potencia óptica (4) comprende, tal y como se muestra en la figura 1, un fotodetector de semiconductor (6) caracterizado por su función respuesta denominada responsividad R(A). El fotodetector de semiconductor (6) proporciona una corriente eléctrica proporcional a la radiación óptica que le llega. Dicha corriente eléctrica se amplifica y convierte en voltaje mediante un amplificador de transimpedancia (7) que posteriormente es digitalizado en un conversor analógico-digital (8).The optical power meter module (4) comprises, as shown in Figure 1, a semiconductor photodetector (6) characterized by its response function called responsiveness R ( A). The semiconductor photodetector (6) provides an electrical current proportional to the optical radiation that reaches it. This electrical current is amplified and converted in voltage through a transimpedance amplifier (7) which is subsequently digitized in an analog-digital converter (8).

El módulo medidor de potencia óptica (4) proporciona a su salida una medida de potencia óptica proporcional a la magnitud de radiación óptica que ha llegado a su entrada a través de la fibra óptica (3), dependiendo dicha medida de la longitud de onda seleccionada para fijar el valor de la responsividad^(l), el cual determina un factor de conversión de corriente eléctrica fotogenerada a potencia óptica incidente. En consecuencia, la potencia óptica medida por el medidor de potencia óptica (4) será igual a:The optical power meter module (4) provides at its output a measure of optical power proportional to the magnitude of optical radiation that has reached its input through the optical fiber (3), said measure depending on the selected wavelength to fix the value of the responsivity^(l), which determines a conversion factor of photogenerated electrical current to incident optical power. Consequently, the optical power measured by the optical power meter (4) will be equal to:

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Figure imgf000011_0001

donde Amin y Amax representan los valores mínimo y máximo del rango espectral en el que se extiende la irradiancia espectral del haz de luz solar incidente (2).where Amin and Amax represent the minimum and maximum values of the spectral range in which the spectral irradiance of the incident sunlight beam extends (2).

Finalmente, el dispositivo (1) comprende un módulo de procesado de señal (5) que comprende a su vez, tal y como se muestra en la figura 1, un microprocesador (9) encargado de implementar el principio de operación y el proceso de calibración de la medida, y un módulo de adquisición de datos (10) con objeto de poder tomar y almacenar de manera continua las medidas a lo largo del tiempo. El módulo de procesado de señal (5) alberga un software que desarrolla las etapas del procedimiento de medida y de la adquisición y almacenamiento de las medidas a lo largo del tiempo con una determinada tasa de muestreo.Finally, the device (1) comprises a signal processing module (5) which in turn comprises, as shown in Figure 1, a microprocessor (9) responsible for implementing the operating principle and the calibration process. of the measurement, and a data acquisition module (10) in order to be able to continuously take and store the measurements over time. The signal processing module (5) houses software that develops the steps of the measurement procedure and of the acquisition and storage of the measurements over time with a certain sampling rate.

Una vez obtenida por el módulo de procesado de señal (5) la medida de la potencia óptica P0 xi correspondiente al haz de luz solar (2), que dentro del cono de aceptancia de la fibra óptica (3) se acopla al núcleo (11) de la misma, se describe a continuación el procedimiento de medida del que hace uso el dispositivo (1) de medida ya descrito, y que permite obtener la medida de la irradiancia solar en el punto de medida (extremo de la fibra óptica (3) expuesta al haz de luz solar (2)).Once obtained by the signal processing module (5) the measurement of the optical power P0 xi corresponding to the beam of sunlight (2), which within the acceptance cone of the optical fiber (3) is coupled to the core (11 ) of the same, the measurement procedure used by the measurement device (1) already described is described below, and which allows the measurement of solar irradiance to be obtained at the measurement point (end of the optical fiber (3 ) exposed to the beam of sunlight (2)).

El procedimiento de medida comprende tres etapas básicas, que se describen a continuación:The measurement procedure comprises three basic stages, which are described below:

- Datos de partida. Se toma como dato de entrada la medida de potencia óptica proporcionada por el módulo medidor de potencia óptica (4), es decir, P0 xi. - Starting data. The optical power measurement provided by the optical power meter module (4), that is, P0 xi, is taken as input data.

- Etapa 1: Obtención de la Irradiancia Solar bruta, 0bruta,xi■ Conocida el área de la superficie del núcleo (11) de la fibra óptica (3) expuesto al haz de luz, Acore, que es la superficie de acoplo del haz de luz solar (2) al interior de la fibra óptica (3), como se muestra en la figura 2, es inmediato obtener una primera aproximación de la Irradiancia Solar en el punto de medida, y que se denota como Irradiancia Solar bruta (o también flujo solar bruto): - Stage 1: Obtaining the gross Solar Irradiance, 0gross,xi■ Knowing the surface area of the core (11) of the optical fiber (3) exposed to the light beam, Acore , which is the coupling surface of the solar light beam (2) inside the optical fiber (3), as shown in figure 2, it is immediate to obtain a first approximation of the Solar Irradiance at the measurement point, and which is denoted as Gross solar irradiance (also gross solar flux):

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Figure imgf000012_0001

- Etapa 2: Calibración de la medida - Cálculo del factor de corrección, FC X.. El Factor de Corrección necesario para calibrar el valor de la Irradiancia Solar bruta tiene en cuenta tres factores: uno, la respuesta espectral limitada del fotodetector de semiconductor (6) que en principio no cubre la totalidad del rango espectral de la radiación solar incidente; dos, la distribución espectral de la radiación solar dentro del total de su rango espectral; y tres, las pérdidas que sufre la radiación óptica en su propagación por la fibra óptica (3) desde el punto de medida hasta su entrada en el módulo medidor de potencia óptica (4).- Stage 2: Calibration of the measurement - Calculation of the correction factor, FC X.. The Correction Factor necessary to calibrate the raw Solar Irradiance value takes into account three factors: one, the limited spectral response of the semiconductor photodetector ( 6) that in principle it does not cover the entire spectral range of the incident solar radiation; two, the spectral distribution of solar radiation within its total spectral range; and three, the losses suffered by the optical radiation in its propagation through the optical fiber (3) from the measurement point to its entry into the optical power meter module (4).

Considerando E(A) el patrón de irradiancia espectral correspondiente al haz de luz solar (2), R(A) la función de responsividad del fotodetector de semiconductor (6), At la longitud de onda seleccionada en el módulo medidor de potencia óptica (4) para la conversión de corriente eléctrica a potencia óptica, a(A) el coeficiente de atenuación por unidad de longitud de la fibra óptica (3), y L la longitud de la fibra óptica (3), se obtiene el factor de corrección para la calibración de la medida de irradiancia óptica como:Considering E ( A) the spectral irradiance pattern corresponding to the beam of sunlight (2), R ( A) the responsivity function of the semiconductor photodetector (6), At the wavelength selected in the optical power meter module ( 4) for the conversion of electrical current to optical power, at ( A) the attenuation coefficient per unit length of the optical fiber (3), and L the length of the optical fiber (3), the correction factor is obtained for the calibration of the optical irradiance measurement as:

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- Etapa 3: Obtención de la medida de irradiancia solar, 0medida ■ Una vez obtenido el factor de calibración FCX. en la etapa de calibración de la medida, se obtiene el valor de la medida de irradiancia solar como el producto de la irradiancia solar bruta por dicho factor de corrección, de la siguiente forma:- Stage 3: Obtaining the measurement of solar irradiance, 0measurement ■ Once the calibration factor FCX has been obtained. In the measurement calibration stage, the value of the solar irradiance measurement is obtained as the product of the gross solar irradiance times said correction factor, as follows:

^ m e d id a 0 b ru ta ,X i ■FCXi (400) ^ gross meas 0 ,X i ■FCXi (400)

Este procedimiento de medida puede ser implementado de una manera directa en el microprocesador (9) del módulo de procesado de señal (5) del dispositivo (1), para trabajar en tiempo real, o bien de una manera indirecta mediante un algoritmo software en un ordenador o computadora externa.This measurement procedure can be implemented directly in the microprocessor (9) of the signal processing module (5) of the device (1), to work in real time, or indirectly through a software algorithm on a computer or external computer.

La presente invención conjuga, por tanto, un dispositivo (1) de medida con un procedimiento de medida complementario para la obtención de la medida de la irradiancia solar que incide en un determinado punto de medida definida por la fracción de radiación solar contenida dentro del cono de aceptancia determinada por la apertura numérica de una fibra óptica (3).The present invention therefore combines a measurement device (1) with a complementary measurement procedure to obtain the measurement of the solar irradiance that falls on a certain measurement point defined by the fraction of solar radiation contained within the cone acceptance determined by the numerical aperture of an optical fiber (3).

Un ejemplo de realización concreta de la presente invención para la medida de la irradiancia solar directa o DNI a lo largo de un día, o jornada completa, se presenta en las figuras 3 y 4. En la figura 3 se presenta una implementación del dispositivo (1) de medida de la presente invención, mientras que en la figura 4 se presenta un diagrama de flujo del procedimiento de medida del que hace uso del dispositivo (1) de la figura 3.An example of a specific embodiment of the present invention for the measurement of direct solar irradiance or DNI throughout a day, or full day, is presented in figures 3 and 4. Figure 3 presents an implementation of the device ( 1) of measurement of the present invention, while figure 4 shows a flow diagram of the measurement procedure that makes use of the device (1) of figure 3.

La implementación del dispositivo (1) que se presenta en la figura 3 comprende la fibra óptica (3), el módulo medidor de potencia óptica (4), y el módulo procesador de señal (5). La fibra óptica (3) es una fibra óptica de salto de índice de dimensiones 50/125 p,m (diámetros de núcleo (11) y cubierta (12), respectivamente), apertura numérica 0.22, que se traduce en un ángulo de aceptancia de 12.70° (este ángulo define el cono de aceptancia para el acoplo del haz de luz solar (2) al interior de la fibra óptica (3), tal y como se representa en la figura 2), coeficiente de atenuación por unidad de longitud a(A), y longitud de fibra igual a 20m.The implementation of the device (1) shown in Figure 3 comprises the optical fiber (3), the optical power meter module (4), and the signal processor module (5). The optical fiber (3) is a jumping optical fiber with a dimension index of 50/125 p,m (core (11) and cover (12) diameters, respectively), numerical aperture 0.22, which translates into an acceptance angle 12.70° (this angle defines the acceptance cone for the coupling of the solar light beam (2) inside the optical fiber (3), as shown in figure 2), attenuation coefficient per unit length a ( A), and fiber length equal to 20m.

El extremo de la fibra óptica (3) expuesto al haz de luz solar (2) se monta en un seguidor solar (13), tal y como aparece en la figura 3, con el objeto de mantener la superficie del extremo de la fibra óptica (3) en posición perpendicular a la dirección de incidencia del haz de luz solar (2) a lo largo de toda la jornada, y asegurar así la condición de incidencia normal directa.The end of the optical fiber (3) exposed to the beam of sunlight (2) is mounted on a solar tracker (13), as shown in figure 3, in order to maintain the surface of the end of the optical fiber. (3) in a position perpendicular to the direction of incidence of the beam of sunlight (2) throughout the day, and thus ensure the condition of direct normal incidence.

El haz de luz solar (2) está caracterizado por su patrón de irradiancia espectral que determina la distribución de potencia óptica a lo largo del espectro (en esta realización se considera Amin igual a 300nm y Amax igual a 4000nm), y que en general depende de la localización geográfica del punto de medida así como del momento e instante en el que se realice la medida (estación del año, mes, día y hora). The beam of sunlight (2) is characterized by its spectral irradiance pattern that determines the distribution of optical power throughout the spectrum (in this embodiment Amin is considered equal to 300nm and Amax equal to 4000nm), and which generally depends of the geographical location of the measurement point as well as the moment and instant in which the measurement is made (season of the year, month, day and hour).

El haz de luz solar (2) incide perpendicularmente en el extremo de la fibra óptica (3) expuesto al Sol, acoplándose una determinada cantidad de radiación óptica a su interior. Esta radiación óptica acoplada al interior de la fibra óptica (3) se propaga a su través sufriendo unas pérdidas de potencia óptica caracterizadas por el coeficiente de atenuación por unidad de longitud a(A) y la longitud de fibra óptica (3) recorrida.The beam of sunlight (2) falls perpendicularly on the end of the optical fiber (3) exposed to the Sun, coupling a certain amount of optical radiation to its interior. This optical radiation coupled to the interior of the optical fiber (3) propagates through it, suffering optical power losses characterized by the attenuation coefficient per unit length a ( A) and the length of optical fiber (3) traveled.

La radiación óptica propagada por la fibra óptica (3) llega al extremo opuesto de la fibra óptica (3), el cual se conecta al módulo medidor de potencia óptica (4) encargado de la medida de la potencia óptica incidente que llega a su entrada.The optical radiation propagated by the optical fiber (3) reaches the opposite end of the optical fiber (3), which is connected to the optical power meter module (4) responsible for measuring the incident optical power that reaches its input. .

El módulo medidor de potencia óptica (4) comprende un fotodetector de Silicio (6), caracterizado por su función responsividad ^ (2 ), un amplificador de transimpedancia (7) para aumentar el nivel de señal, y un conversor analógico-digital (8) para digitalizar la medida.The optical power meter module (4) comprises a Silicon photodetector (6), characterized by its responsiveness function ^ (2), a transimpedance amplifier (7) to increase the signal level, and an analog-digital converter (8 ) to digitize the measurement.

Para la conversión de la corriente eléctrica fotogenerada en potencia óptica, es necesario introducir en el módulo medidor de potencia óptica (4) el valor de la responsividad para una longitud de onda concreta (en esta realización se toma igual a 635nm), y de ahí que el valor de la medida de potencia óptica proporcionado por el módulo medidor de potencia óptica (4),PoA., dependa del valor de seleccionado. El valor de potencia óptica P 0 proporcionado por el medidor de potencia óptica (4) se introduce como entrada al módulo procesador de señal (5) con objeto de obtener el valor de la medida de la irradiancia solar, que con esta configuración en concreto del dispositivo (1), se corresponde con la DNI.For the conversion of the photogenerated electrical current into optical power, it is necessary to introduce in the optical power meter module (4) the value of the responsivity for a specific wavelength (in this embodiment it is taken equal to 635nm), and from there that the value of the optical power measurement provided by the optical power meter module (4), PoA., depends on the selected value. The optical power value P 0 provided by the optical power meter (4) is entered as input to the signal processor module (5) in order to obtain the value of the solar irradiance measurement, which with this particular configuration of the device (1), corresponds to the DNI.

El bloque procesador de señal (5) alberga un software que ejecuta las etapas del procedimiento de medida en su microprocesador (9), implementando el principio de operación de la medida y el procedimiento de cálculo del factor de corrección para la calibración de la misma. Asimismo, el módulo de adquisición de datos (10) es el encargado de tomar la medida de DNI a lo largo del tiempo con una tasa de muestreo determinada y almacenarla.The signal processor block (5) houses software that executes the steps of the measurement procedure in its microprocessor (9), implementing the measurement operation principle and the correction factor calculation procedure for its calibration. Likewise, the data acquisition module (10) is in charge of taking the DNI measurement over time with a determined sampling rate and storing it.

El procedimiento de medida objeto de invención se representa gráficamente en la figura 4, mostrando mediante un diagrama de flujo las tres etapas de las que se compone. El procedimiento de medida está implementado en el módulo de procesado de señal (5) con objeto de poder trabajar en tiempo real. The measurement procedure object of the invention is graphically represented in Figure 4, showing the three stages of which it is composed by means of a flow diagram. The measurement procedure is implemented in the signal processing module (5) in order to be able to work in real time.

El procedimiento de medida toma como dato de entrada la medida de potencia óptica proporcionada por el módulo medidor de potencia óptica (4) de manera continua en el tiempo, Po A.(í) , tal y como se indica en el bloque de diagrama de flujo de la figura 4, etiquetado como “MEDIDA”. Se representa en el interior de este bloque un detalle de las medidas realizadas a lo largo de toda una jornada para indicar las magnitudes de potencia óptica (eje y) adquiridas y la resolución temporal (eje x).The measurement procedure takes as input data the optical power measurement provided by the optical power meter module (4) continuously over time, Po A.(í), as indicated in the block diagram of flow of Figure 4, labeled “MEASURE”. A detail of the measurements carried out throughout a day is represented inside this block to indicate the magnitudes of optical power (y axis) acquired and the temporal resolution (x axis).

En el paso 1 del procedimiento de medida se implementa el principio de operación de la medida para obtener una primera estimación bruta de la irradiancia solar directa, denotada como DNlbrutaXi(t), utilizando como datos la medida de PoA.(t) proporcionada por el módulo medidor de potencia óptica (4), y, la superficie del núcleo (11) del extremo de la fibra óptica (3) expuesto al haz de luz solar, A core, que en este caso es igual a 1.9635 • 10-9 m2. En el bloque etiquetado como “1” (Bloque 1) de la figura 4 se representa dicha magnitud a lo largo de toda la jornada de luz de un día concreto.In step 1 of the measurement procedure, the measurement operation principle is implemented to obtain a first raw estimate of direct solar irradiance, denoted as DNlbrutaXi ( t), using the PoA.(t) measurement provided by the optical power meter module (4), and the surface of the core (11) of the end of the optical fiber (3) exposed to the beam of sunlight, A core, which in this case is equal to 1.9635 • 10-9 m2 . In the block labeled "1" (Block 1) of Figure 4, this magnitude is represented throughout the entire daylight hours of a specific day.

En el paso 2 del procedimiento de medida se obtiene numéricamente el factor de corrección necesario para la calibración de la magnitud de la irradiancia solar directa bruta, calculada en el paso anterior. Para el cálculo de este factor de corrección FC¿., se toman como datos el patrón de irradiancia espectral del haz de luz solar (2), el coeficiente de atenuación por unidad de longitud y la longitud de la fibra óptica (3), la curva característica de responsividad del fotodetector de Silicio (6), y la longitud de onda, 2¿, seleccionada en el módulo medidor de potencia óptica (4) para la medida de la potencia óptica P0 xi. In step 2 of the measurement procedure, the correction factor necessary for the calibration of the magnitude of the gross direct solar irradiance, calculated in the previous step, is numerically obtained. To calculate this correction factor FC¿., the spectral irradiance pattern of the solar light beam (2), the attenuation coefficient per unit length and the length of the optical fiber (3), the characteristic responsivity curve of the Silicon photodetector (6), and the wavelength, 2¿, selected in the optical power meter module (4) for the measurement of the optical power P0 xi.

Mediante la expresión (300), en el Bloque 2 del método de medida se calcula el factor de corrección FC X., que en este ejemplo de realización de la invención se mantiene constante para toda la jornada de medida e igual a 1.2997.Using expression (300), in Block 2 of the measurement method, the correction factor FC X. is calculated, which in this embodiment of the invention remains constant for the entire measurement day and is equal to 1.2997.

El paso 3 del procedimiento de medida toma como entrada el valor de la irradiancia solar directa bruta proporcionada por el Bloque 1, DNIbrutaX.(t), y haciendo uso del factor de corrección FCX. obtenido en el Bloque 2, calcula el valor de la medida de la irradiancia solar directa DNI(t) mediante el procedimiento de calibración dado por la expresión (400). Por tanto, a la salida del Bloque 3 del procedimiento de medida, representado en la figura 4, se obtiene la medida de la función de irradiancia solar directa, 0medida(.t) ó DNI(t), a lo largo de toda la jornada de un día concreto. Step 3 of the measurement procedure takes as input the value of the gross direct solar irradiance provided by Block 1, DNIbrutaX. ( t), and using the correction factor FCX. obtained in Block 2, calculates the value of the measurement of direct solar irradiance DNI ( t) through the calibration procedure given by expression (400). Therefore, at the end of Block 3 of the measurement procedure, represented in Figure 4, the measurement of the direct solar irradiance function is obtained, 0measured ( .t) or DNI ( t), throughout the entire day of a specific day.

La realización de la presente invención que conjuga el dispositivo (1) de medida de la figura 3 con el procedimiento de medida de la figura 4 proporciona la medida de la irradiancia solar directa del haz de luz solar (2) a lo largo de toda la jornada de sol de un día concreto. Dicha medida proporciona el valor absoluto de la magnitud de la DNI, así como sus variaciones a lo largo del tiempo, con una resolución temporal que permite detectar cambios atmosféricos como paso de nubes o similar, con un tiempo de respuesta inmediato gracias al carácter óptico del principio de funcionamiento del dispositivo. The embodiment of the present invention that combines the measurement device (1) of Figure 3 with the measurement procedure of Figure 4 provides the measurement of the direct solar irradiance of the beam of sunlight (2) throughout the entire sunny day of a specific day. Said measurement provides the absolute value of the magnitude of the DNI, as well as its variations over time, with a temporal resolution that allows detecting atmospheric changes such as the passage of clouds or the like, with an immediate response time thanks to the optical nature of the device operating principle.

Claims (8)

REIVINDICACIONES ispositivo (1) de radiometría para la medida de irradiancia solar que comprende:Radiometry device (1) for measuring solar irradiance comprising: - una fibra óptica (3), que comprende un núcleo (11), y en la que sobre un extremo incide un haz de luz solar (2),- an optical fiber (3), comprising a core (11), and in which a beam of sunlight (2) falls on one end, - un módulo medidor de potencia óptica (4), conectado a la fibra óptica (3) en un extremo opuesto al extremo sobre el que incide el haz de luz solar (2), y- an optical power meter module (4), connected to the optical fiber (3) at an end opposite the end on which the beam of sunlight (2) falls, and - un módulo de procesado de señal (5), conectado al módulo medidor de potencia óptica (4).- a signal processing module (5), connected to the optical power meter module (4). 2. - El dispositivo (1) de la reivindicación 1, en el que el módulo medidor de potencia óptica (4) comprende un fotodetector (6) configurado para proporcionar una corriente eléctrica proporcional a una radiación óptica recibida desde la fibra óptica (3).2. - The device (1) of claim 1, wherein the optical power meter module (4) comprises a photodetector (6) configured to provide an electric current proportional to optical radiation received from the optical fiber (3) . 3. - El dispositivo (1) de la reivindicación 2, en el que el módulo medidor de potencia óptica comprende adicionalmente un amplificador de transimpedancia (7) conectado al fotodetector (6) configurado para convertir en una señal de voltaje la corriente eléctrica generada por el fotodetector (6).3. - The device (1) of claim 2, wherein the optical power meter module further comprises a transimpedance amplifier (7) connected to the photodetector (6) configured to convert the electrical current generated by the photodetector (6). 4. - El dispositivo (1) de la reivindicación 3, que comprende adicionalmente un conversor analógico-digital (8) conectado al amplificador de transimpedancia (7) y configurado para digitalizar la señal de voltaje generada en el amplificador de transimpedancia (7).4. - The device (1) of claim 3, further comprising an analog-digital converter (8) connected to the transimpedance amplifier (7) and configured to digitize the voltage signal generated in the transimpedance amplifier (7). 5. - El dispositivo (1) de la reivindicación 1, en el que el módulo de procesado de señal (5) comprende adicionalmente un microprocesador (9).5. - The device (1) of claim 1, wherein the signal processing module (5) further comprises a microprocessor (9). 6. - El dispositivo (1) de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un módulo de adquisición de datos (10) conectado al módulo medidor de potencia óptica (4) y configurado para tomar y almacenar de manera continua medidas de potencia óptica y resultados, a lo largo del tiempo.6. - The device (1) of claim 1, further comprising a data acquisition module (10) connected to the optical power meter module (4) and configured to continuously take and store optical power measurements and results , over time. 7. - Procedimiento de radiometría para la medida de irradiancia solar, que comprende las etapas de:7. - Radiometry procedure for the measurement of solar irradiance, which includes the stages of: - obtención de una o más medidas de potencia óptica, Po Xi de un haz de luz solar (2) que incide en un extremo de una fibra óptica (3) con un núcleo (11) que define un área de superficie expuesta al haz de luz solar (2), - obtaining one or more measurements of optical power, Po Xi of a beam of sunlight (2) incident on one end of an optical fiber (3) with a core (11) defining a surface area exposed to the beam sunlight (2), - conversión, mediante un fotodetector (6), de la potencia óptica, P0xi en una corriente eléctrica proporcional a la potencia óptica,- conversion, by means of a photodetector (6), of the optical power, P0xi , into an electric current proportional to the optical power, - obtención de una irradiancia solar bruta, 0bruta,M > como un cociente entre la potencia óptica, P0 xi y el área de la superficie expuesta del núcleo (11) de la fibra óptica (3), A core, según la ecuación:- obtaining a gross solar irradiance, 0gross,M > as a quotient between the optical power, P0 xi and the area of the exposed surface of the core (11) of the optical fiber (3), A core, according to the equation: 0,Aj0,Aj 0 bruta,A.i A, 0 gross,Ai A, - cálculo de un factor de corrección, FQ. , - calculation of a correction factor, FQ. , - obtención de una medida de irradiancia solar, 0medída, como un producto entre la irradiancia solar bruta y el factor de corrección, según la ecuación:- Obtaining a measurement of solar irradiance, 0measured, as a product between the gross solar irradiance and the correction factor, according to the equation:
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
8.- El procedimiento de la reivindicación 7, en el que el factor de corrección se obtiene según la ecuación:8. The method of claim 7, wherein the correction factor is obtained according to the equation:
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000018_0002
siendo E(A) un patrón de irradiancia espectral correspondiente al haz de luz solar (2), ^(A) una función de responsividad del fotodetector (6), A¡ una longitud de onda seleccionada para la conversión de corriente eléctrica a potencia óptica, a(A) un coeficiente de atenuación por unidad de longitud de la fibra óptica (3), y L la longitud de la fibra óptica (3). where E(A) is a spectral irradiance pattern corresponding to the beam of sunlight (2), ^(A) is a function of the photodetector's responsiveness (6), A¡ is a wavelength selected for the conversion of electrical current to optical power , a(A) an attenuation coefficient per unit length of the optical fiber (3), and L the length of the optical fiber (3).
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