WO2015036631A1 - Espectrofotómetro para caracterización de receptores de colectores solares - Google Patents

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WO2015036631A1
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Noelia Martinez Sanz
Guillermo ESPINOSA RUEDA
David IZQUIERDO NÚÑEZ
Marta OSTA LOMBARDO
Marta MAINAR LÓPEZ
Carlos Heras Vila
Iñigo SALINA ARIZ
Santiago Forcada Pardo
Rafael Alonso Esteban
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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Definitions

  • the invention fits into the technology of equipment or optical measuring instruments.
  • the equipment refers to a portable equipment for the spectral and field characterization of the reflection or reflectance coefficients and the transmission or transmittance coefficient of the receiver tubes used in the parabolic cylinder collector thermosolar technology.
  • the equipment includes all the necessary components to perform said measurement, mechanical adaptation to the tube, emission and detection of signals, processing thereof, visualization of results on the screen and storage in a memory unit.
  • the receivers are configured by two concentric tubes: a first external glass tube inside which is placed an internal metal absorber tube usually made of steel, existing between them vacuum conditions that reduce the losses by conduction and convection.
  • the inner tube has a coating or coating with great absorbing power of solar energy, as well as characteristics of low emissivity to reduce energy losses by thermal radiation in the far infrared.
  • spectrophotometer Since these coefficients of reflection and transmission depend on the wavelength of the light in which they are evaluated, it is indispensable to perform a spectral characterization of them.
  • a device that performs a measurement of this type is called a spectrophotometer.
  • a wide-spectrum light source and a variable filtering element are used, such as a mobile diffraction grating followed by a narrow slit, which makes it possible to sequentially select different wavelengths.
  • This option allows to vary the wavelength practically continuously, but in return it is a more complex and delicate system and with a low dynamic range of measurement, since the incoming light power that is achieved is very low.
  • US4687329 discloses a device that uses a wide spectrum source, in this case ultraviolet, and several filters in fixed positions to perform a spectral measurement in a certain number of discrete points.
  • WO 2011/104401 also does not include any alignment system that allows detecting the non-concentricity of the receiver's internal and external tubes.
  • WO 2011/104401 does not have a visual interface integrated in the device itself, but instead communicates with a computer by wireless network.
  • WO 201 1/104401 does not present mechanical adaptation of the equipment to the receiver tube.
  • WO 201 1/104401 does not have a data storage unit.
  • the equipment of WO 201 1/104401 performs the spectral measurement based on a set of LEDs arranged in line located in the equipment along the receiver tube, so that an optical channel is constituted for each LED implemented.
  • Each optical measuring channel consists of an LED, a reference detector and a measurement detector, which means that the number of detectors used in the equipment is high, which increases the complexity of the equipment.
  • This optical configuration determines the size of the equipment depending on the number of LEDs, the greater the number of LEDs the larger the size of the equipment will be.
  • Both the system of WO 201 1/104401 and that of the invention are affected by temperature variations, since the intensity of the radiation emitted by an LED, and the shape of its beam, can vary with temperature.
  • this undesired interference of the temperature in the operation of the system of WO 201 1/104401 can not be compensated or corrected because the detection and reference system is not configured to detect the alteration in the measurement caused by the temperature.
  • the reference detector does not receive all the light emitted by the LED, since the reference detector is located next to the LED and does not see the entire surface of the LED (it has a biased view of it) and therefore not the complete beam of radiation emitted by it.
  • the system of WO 2011/104401 does not have a uniformity of the measurement beams since it directly uses the radiation of the LEDs. For this reason, the system does not have sensitivity to changes in the position of the tubes, that is, the system has what will be called in the description a lack of geometric tolerance.
  • the present invention may comprise integrating spheres, which allows, in addition to optimizing the space and the number of components used, to homogenize the beam of light emitted thereby improving the quality of the signal.
  • the invention solves the problems described above by means of a lightweight, totally autonomous portable equipment, mechanically adaptable to the tube, which allows an execution and processing of fast measurements, and with a suitable sensitivity and precision.
  • the invention relates to a spectrophotometer.
  • portable that allows to determine optical properties (transmittance and reflectance) of a receiver tube of Parabolic Cylinder Collectors (CCP).
  • CCP Parabolic Cylinder Collectors
  • the equipment allows optically evaluating a receiver tube in real time and in any light condition, both indoors and outdoors.
  • the spectrophotometer can have two optical channels, one for the measurement of transmittance and the other for reflectance. Each optical channel may comprise a plurality of LEDs of different wavelengths and photodetectors. These elements can be housed in integrating spheres that allow to homogenize the beam of light emitted by improving the signal. The integrating spheres also allow to optimize the dimensions of the equipment and minimize the optical components, achieving a light and compact set.
  • Signal processing can be done through a lock-in algorithm to increase the signal-to-noise ratio and eliminate the influence of external light sources such as natural light.
  • the equipment also allows to evaluate the existence of eccentricity between the outer and inner tube, which directly influences the reliability of the measurement.
  • the equipment can have a mechanical system to allow a rotation of the equipment around the tube to find the optimal measurement position and fix it to the tube.
  • the interaction with the equipment can be done through a screen-keyboard interface that allows to communicate with the equipment and visualize the measurements in real time.
  • the data can be stored in a unit of external memory, which can be integrated into the equipment itself.
  • the lighting of the tubes can be done using light-emitting diodes (LEDs) that they cover the range of wavelengths in which you want to obtain the characterization.
  • LEDs light-emitting diodes
  • the existence of commercial LEDs with a large number of wavelengths in the range of 300 to 2500 nm allows the spectral measurement to be made with the desired resolution, selecting the appropriate number of LEDs according to the specific characteristics of each problem. For the spectral characterization of a component in the thermosolar industry, it may be sufficient to have around fifteen wavelengths of measurement.
  • integrating lighting spheres can be used that house a certain number of LEDs.
  • the set of LEDs can be placed illuminating the interior of an integrating sphere whose interior walls have a high reflectivity factor in the emission wavelengths of the LEDs implemented.
  • a detector can be placed on the inside of the sphere to record a level of light existing inside the sphere.
  • a measurement of the reference signal can be obtained which can be used to correct the variations of light emission power of the LEDs with the temperature.
  • This detector can work in the spectral range of the LEDs placed on the sphere.
  • An exit hole in the integrating sphere can allow part of the light generated by the LEDs to leave the sphere forming the incident light beam used in the measurement.
  • Part of this beam of light that comes out of the sphere can be picked up by a lens to either collimate the beam, form an image or work with a divergent beam, depending on the distance of lens placement and the focal length of the lens.
  • a part of this beam can be detected in the measurement detector, after passing through the glass tube for the measurement of the transmittance or after being reflected in the inner absorber tube in the reflectance measurement.
  • the incident beam that can be obtained at the output of the integrating sphere of illumination is a uniform field beam, which can give the equipment a certain geometric tolerance in the measurements of transmittance and reflectance.
  • This geometric tolerance implies that the equipment can detect and take into account geometric differences such as displacement of the inner tube with respect to the axis coaxial or slight variations in diameter or thickness of the borosilicate tube.
  • variations of the light emission power of the LEDs can be corrected with the temperature since the reference detector, being able to placed within the integrating sphere, can detect all the beam emitted by the LEDs, that is, no longer has a skewed view of it.
  • the LEDs in integrating spheres which generate optical signals used for the spectral measurement of transmission of the glass tube and reflection of the inner tube in solar collector tubes, the following advantages are achieved: a set of LEDs share a same reference detector and the same measurement detector, thus reducing the size of the equipment and the number of detectors, it makes it possible to obtain illumination beams with high uniformity, which confers the tolerance equipment as soon as to the position of the tubes and deviation of rays, and eliminates the problem of variations in the emission reference pattern of the LEDs with the temperature when incorporating the reference detector to the extent of the existing light, inside the sphere , which eliminates measurement errors with the temperature of the equipment.
  • the equipment may comprise two integrating spheres, a first sphere for the optical transmittance channel and a second sphere for the optical reflectance channel or two integrating spheres for each optical channel.
  • the equipment can perform simultaneously and without any adjustment between the first sphere (s) and the second sphere (s), the measure of transmittance and reflectance in each one of them. the wavelengths implemented, in addition to a reference measurement in each sphere.
  • the invention may also comprise an optical system for detecting alignment or concentricity, to ensure that a position of the measuring equipment on the surface of the glass tube is correct with respect to the position of the inner tube of the equipment.
  • the invention can also comprise positioning means consisting of a clamp that allows to place or remove the equipment on the tube, with a mechanism that allows to open said clamp to place or remove the equipment on the tube, or to close it around the receiving tube being the equipment fixed thereto in any position and without the need to support it, as well as a plurality of rollers that make it possible to rotate the equipment on a section of the receiver tube, being able to rotate the equipment comfortably along the circumference of the glass tube to look for the correct measurement position.
  • positioning means consisting of a clamp that allows to place or remove the equipment on the tube, with a mechanism that allows to open said clamp to place or remove the equipment on the tube, or to close it around the receiving tube being the equipment fixed thereto in any position and without the need to support it, as well as a plurality of rollers that make it possible to rotate the equipment on a section of the receiver tube, being able to rotate the equipment comfortably along the circumference of the glass tube to look for the correct measurement position.
  • the rollers can be replaceable to adapt the equipment to different receiver tubes.
  • Figures 3A and 3B Location of the LEDs within the integrating sphere.
  • Figure 3A is an equatorial view of the sphere and
  • Figure 3B is a polar view of the sphere.
  • a plurality of light emitting diodes or LEDs (4) covering the range of wavelengths in which the receiver tubes wish to be characterized; in a preferred embodiment a pair of LEDs (4) could be used for each wavelength, one being for the measurement of transmittance and the other for the measurement of reflectance.
  • This alignment detection system may comprise an emitting LED (8) and an array of photodetectors (9) facing each other at one end and the other of the diameter of the outer borosilicate tube (1).
  • the LED (8) can be aligned with the midpoint of the array (9) of photodetectors.
  • the system can be placed in such a way that the imaginary line joining the LED with the center of array (9) is tangent to the inner tube (2).
  • a digital circuit which performs the functions of acquisition and analog / digital conversion of the signals of interest.
  • a digital processing card to extract the signal from the possible background of optical and electrical environmental noise. This card can also be ordered, if necessary, to apply the chosen modulation to the LED sources.
  • An interface consisting of screen and keyboard that allows to communicate fully with the equipment as well as visualize the equipment information and measured values in real time.
  • a GPS geolocation system that allows registering the location of the measurements taken.
  • An external memory unit that allows to store all the information of the equipment and the measured values.
  • a central control and processing unit which controls the global operation of the system, selecting the electronic components corresponding to the channel used at each moment and governing all communications.
  • a housing that provides adequate insulation of the electronic and optical components of the system, and allows it to be transported easily.
  • a mechanical system that allows to slide the equipment on the tube and fix the equipment on the tube in any position.
  • An embodiment of the equipment may comprise an optical section or measuring module, another electronic and another mechanical.
  • the optical section is key, as it should make it possible to carry out a simultaneous measurement of the transmittance and reflectance of the tubes, with the required precision.
  • a preferred embodiment is proposed according to the arrangement of Figure 1, and preferably includes the following:
  • a first sphere (32IR) for the optical transmittance channel comprising LEDs (4) of wavelengths in the infrared
  • a second sphere (32UV) for the optical transmittance channel comprising LEDs (4) of ultraviolet and visible wavelengths
  • a third sphere (31 IR) for the optical reflectance channel comprising LEDs (4) of wavelengths in the infrared;
  • a fourth sphere (31 UV) for the optical reflectance channel comprising LEDs (4) of ultraviolet and visible wavelengths.
  • Figure 1 shows how the transmittance and reflectance systems are arranged so that the light beams are perpendicular to each other.
  • Each one of These two systems are formed by two optical channels, one for the spectral measurement in the ultraviolet and visible range and another for the spectral measurement in the infrared range.
  • Each optical measuring channel can be formed by a set of LEDs, an integrating sphere (3) for illumination, a reference detector for determining the amount of incident beam light, a lens and a measurement detector for determining light, transmitted, well reflected, as the case may be. Both detectors work in the spectral range covered by the LEDs deployed in the sphere.
  • LEDs have been chosen, 9 for the ultraviolet-visible (UV-VIS) spheres of wavelengths 365, 405, 470, 525, 588, 655, 780, 870, 940 nm, and 6 LEDs for the infrared (IR) spheres of wavelengths 940, 1050, 1300, 1550, 1720 and 1950 nm, which cover the area of interest of the spectrum.
  • UV-VIS ultraviolet-visible
  • IR infrared
  • each set of LEDs is placed illuminating the interior of an integrating sphere (3), together with the reference detector.
  • This detector is preferably Silicon for the UV-VIS and InGaAs spheres for the IR spheres.
  • An exit hole in the integrating sphere (3) allows part of the light generated by the LEDs to leave the sphere forming the incident light beam used in the measurement.
  • the LEDs and the reference detector are placed in the lower part of the sphere, around the outlet orifice, thus ensuring that there are no direct rays incident on the reference detector. Part of the beam of light that comes out of the sphere is picked up by a lens.
  • the light beam that comes out of the sphere is parallel to the normal to the surface of the sphere in which the LEDs are located, the optical axis of the system is transverse to the tube and the beam of light falls on the tube at a height that ensures that the beam is not blocked by the inner steel tube, that is, it passes through the glass tube twice as shown in Figure 3.
  • the output beam of the integrating sphere (3) forms an angle of 12 ° with the normal to the surface of the sphere in which the LEDs are located. This inclination allows the measurement detector to be located next to the emission source.
  • the parabolic trough collector tubes are usually composed of two concentric tubes.
  • the inner tube (2) must have a very low reflectance coefficient in the solar spectrum (high absorptance) and high in the spectral area of the thermal infrared (low emissivity), so that the absorption of heat be as high as possible.
  • the outer tube (1) must pass as much light as possible, which is equivalent to a transmittance coefficient close to unity.
  • the optical or measuring module (31, 32, 6, 7) comprises a transmittance measuring device (32, 7) that has a source light transmitter for measuring the transmittance (32) configured to emit a first radiation (T).
  • the light emitting source (32) is oriented so that the outer tube (1) is traversed by the first radiation (T) without intercepting the inner tube (2) thus producing a first transmitted radiation (T).
  • the transmittance measuring device additionally comprises a light detector for measuring the transmittance (7) configured to receive the first transmitted radiation (T). The resulting measurement is calculated from the signals recorded by the final and reference signal detectors, ie from the first radiation (T) and the first transmitted radiation (T).
  • the transmittance measuring device (32, 7) comprises:
  • the transmittance measuring module (32, 7) is arranged inside the spectrophotometer in such a way that during the measurement:
  • the light emitting source for the measurement of transmittance (32) is aligned with a string (C) of the receiver (1, 2) and is focused on a first end (C1) of that string (C) located on the first end (C1) in the outer tube (1); and ⁇ the light detector for the measurement of transmittance (7) is aligned with the rope (C) and focused to a second end (C2) of the rope (C) located the second end (C2) in the outer tube (1) and opposite the first end (C1).
  • Rope is understood as the common meaning in geometry: line segment between two points of an arc.
  • the rope (C) is defined between the first end (C1) and the second end (C2).
  • the arc is defined by the outer tube portion (1) comprised between the first end (C1) and the second end (C2).
  • the corresponding optical system emits light beams that pass twice through the external borosilicate tube (1) and are reflected in the inner tube (2) absorber.
  • the optical or measuring module (31, 32, 6, 7) comprises a reflectance measuring device (31, 6) which has a transmitting source of light for the measurement of the reflectance (31) configured to emit a second radiation (R), emitted towards the inner tube (2).
  • the light emitting source (31) is oriented so that the inner tube (2) is intercepted by the second radiation (R) thus producing a reflected radiation (R ').
  • the reflectance measurement device additionally comprises a light detector for measuring the reflectance (6) configured to receive the reflected radiation (R 1 ) in the inner tube (2).
  • the resulting measurement is calculated from the signals recorded by the final signal and reference detectors, ie from the second radiation (R) and the reflected radiation (R ') in the inner tube (2). Furthermore, in this calculation, the external tube transmittance measurement previously obtained is discounted.
  • the reflectance measuring device (31, 6) comprises:
  • the reflectance measuring module (31, 6) is arranged inside the spectrophotometer in such a way that during the measurement: • the light emitting source for the measurement of the reflectance (31) is contained in a longitudinal plane (PL) of the receiver (1, 2) and focused towards a generatrix (G1) in the outer tube (1);
  • the light detector for the measurement of the reflectance (6) is contained in the longitudinal plane (PL) and focused on the generatrix (G1) in the outer tube (1).
  • Longitudinal plane (PL) is understood as the plane containing the longitudinal axis of the receiver (1, 2) and by generatrix (G1) the line parallel to the longitudinal axis on the surface of the outer tube (1).
  • the light-emitting source for the measurement of the reflectance (31) and the light-emitting source for the measurement of the transmittance (32) are in the same sector (S) of the receiver (1, 2).
  • Sector is understood as the common meaning in geometry: circular sector: a circle portion comprised between an arch and the two radii that pass through its extremities.
  • a sector (S) cylindrical portion of cylinder determined by a circular sector projected along the longitudinal axis of the receiver (1, 2).
  • the sector (S) is a quadrant, that is, a sector of 90 °.
  • the quadrants of the receiver (1, 2) can be seen in the figures that show a cross section of the receiver (1, 2).
  • This arrangement of the light-emitting source for the measurement of the reflectance (31) and the light-emitting source for the measurement of the transmittance (32) in the same sector (S) or quadrant allows a more compact spectrophotometer.
  • the receiver tubes (1, 2) have a geometry in which the diameters of both tubes are defined and both are concentric with each other. However, the conditions to which they are subjected in thermosolar power plants mean that this concentricity can be altered.
  • the optical channels of the equipment are adapted to the geometry of the tube, therefore to ensure that the light beams of these channels travel the optimal path it is necessary to verify the correct geometry of the tube at the selected measurement point. For this the equipment has an alignment or concentricity sensing system that detects possible displacements of the inner tube (2) with respect to its coaxial position with the outer tube (1).
  • This optical alignment system can be formed by an emission LED (8) and an array of photodetectors (or series of in-line photodetectors) (preferably 8 detectors) that allows to know in real time the relative position between the outer tube (1) of borosilicate and the inner tube (2) made of steel.
  • the emitting LED can generate a beam of light in the form of cone that crosses the tube and is captured by the array of photodetectors located on the opposite side as seen in Figure 3. These two elements are facing each other with an arrangement such that the axis of the cone formed by the beam of light emitted is tangent to the inner tube (2) of steel, when it is finds in its optimal position.
  • the concentricity detection module has a light emitting source configured to emit a third radiation (CO) and oriented so that the outer tube (1) is crossed by the third radiation (CO) without intercept the inner tube (2) producing a second transmitted radiation (CO '), which is in turn received by the array of detectors (9).
  • CO third radiation
  • the concentricity detection module has a light emitting source configured to emit a third radiation (CO) and oriented so that the outer tube (1) is crossed by the third radiation (CO) without intercept the inner tube (2) producing a second transmitted radiation (CO '), which is in turn received by the array of detectors (9).
  • the device can either turn on itself or move on the tube to find a suitable measurement point thanks to its mechanical conditions.
  • the mechanical section can comprise several components, the most important being the outer casing (1 1) that provides the equipment with robustness and an ergonomic shape with comfortable and intuitive grips that facilitate user manipulation.
  • This outer casing may comprise two half-shells.
  • the lower half-shell (12) with semicircular shape to adapt to the outer tube (1), on which all the optical and electronic components are fixed, except for the screen and the keyboard and the upper half-shell (13) that fits over the previous one thus, electronic and optical systems are protected.
  • the mechanical section can also have a retractable clamp (10) which is key in adapting the equipment to the receiver tube, also allowing the device to be fixed to the outer tube (1) in any position.
  • this mechanical system can be formed by three axes (104) longitudinal to the tube that are fixed to the structure of the equipment plus a fourth axis (105) longitudinally to the tube that is clamped in the articulated clamp.
  • the support of the equipment on the tube is carried out for each axis on 2 rollers (14), which allows a comfortable and simple movement of the equipment on the outer tube (1) for the search of the correct measuring position.
  • the articulated clamp can be housed inside the equipment when measurements of the tubes are not made to facilitate their transfer and storage.
  • the support rollers (14) and the articulated clamp allow to move the device over the glass tube (1) or to rotate the device on itself looking for a suitable position for the measurement.
  • the electronics of the equipment can be responsible for the acquisition and processing of data, both for the transmittance module and for the reflectance module.
  • the data acquisition and processing system can comprise a signal from the emitters that is modulated by sinusoidally varying the supply current of the LEDs (each of them at a different frequency). ). This modulation allows extracting the signal of interest in the detectors, filtering all the frequency components except the one corresponding to the LED that is to be used in each case. This filtering is done by programming a synchronous detection algorithm (lock-in amplification) in a digital signal processor (DSP). This same card generates the modulation signals of the LEDs, which makes filtering possible. It is also responsible for the acquisition and digital conversion of the measured analog electrical signals coming from the photodetectors, as well as the control by means of digital outputs of the supply of the emission and detection plates.
  • DSP digital signal processor
  • the photodetectors may be followed by two stages of amplification whose gain depends on the value of the resistors they include.
  • One of these resistors can be a digital potentiometer whose value can be controlled via software, which allows adjusting the gain of each channel at any time using the outputs of the DSP.
  • the acquisition system has a sufficiently large signal-to-noise ratio.
  • the background optical signal comes mainly from the ambient sunlight, that is, it is a high intensity signal, it may be advisable to perform some kind of signal processing that allows the signal / noise ratio to be high.
  • the most indicated in this case is the digital processing of the signal through the application of some extraction algorithm such as synchronous detection or lock-in amplification.
  • some extraction algorithm such as synchronous detection or lock-in amplification.
  • the signal to be measured can easily be distinguished from the noise floor, something that is usually achieved by applying some type of modulation to it. This allows measurements with ambient light and in the field, without the need for special conditions of darkness or protection.
  • This interface consists of a keyboard or keypad and a screen through which the user can communicate completely with the equipment, as well as being able to visualize the measurements made in real time.
  • This interface can incorporate a lighting LED that allows its use in low or no light environments such as the night time slot. Through this interface different operating modes and functions of the equipment can be selected.
  • the main application of this portable measurement equipment is the on-site evaluation of the optical characteristics of receiver tubes in parabolic trough collectors of solar thermal power plants. These plants have a high number of pipes along large tracts of land. Therefore, the team can incorporate a GPS geolocation system, which allows you to register the exact geographic location in which each measurement is made. In this way it is possible to reconstruct a posteriori the route followed in the evaluation of the solar field as well as the concrete tubes on which the measurements have been made. These results, as well as the state of the equipment can be stored in an external memory unit, which allows exporting the results easily and quickly to a PC.
  • a concrete example of measurement is the results of the data processing in which the transmittance and reflectance values of a receiver tube are reflected as a function of the wavelength. Corresponding to a receiving tube of a parabolic trough collector is shown in FIG. figure 6

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Abstract

Espectrofotómetro para caracterización de receptores (1, 2) de colectores solares para determinar propiedades ópticas (transmitancia y reflectancia). El equipo permite evaluar un tubo receptor en tiempo real y en cualquier condición lumínica, tanto en interior como en exterior. El equipo también permite detectar la excentricidad entre el tubo exterior e interior, lo que influye directamente sobre la fiabilidad de la medida. El equipo tiene un sistema mecánico para permitir un giro del equipo en torno al tubo para encontrar la posición óptima de medida y fijarse al tubo.

Description

ESPECTROFOTÓMETRO PARA CARACTERIZACIÓN DE RECEPTORES DE
COLECTORES SOLARES
Sector técnico de la invención
La invención se encuadra dentro de la tecnología de equipos o instrumento ópticos de medida.
Más concretamente se refiere a un equipo portátil para la caracterización espectral y en campo de los coeficientes de reflexión o reflectancia y coeficiente de tranmisión o transmitancia de los tubos receptores utilizados en la tecnología termosolar de colector cilindro parabólico. El equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar dicha medida, adaptación mecánica al tubo, emisión y detección de señales, procesado de las mismas, visualización de resultados en pantalla y almacenamiento en unidad de memoria.
Antecedentes de la invención
La captación de la energía solar, en su vertiente de captación térmica, cada vez está tomando más importancia tecnológica y económica tanto desde el punto de vista de producción de agua caliente, calefacción o refrigeración a nivel doméstico, como para la producción de energía eléctrica en centrales termoeléctricas solares.
Estos sistemas requieren un máximo de absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, en los colectores cilindroparabólicos, los receptores están configurados por dos tubos concéntricos: un primer tubo exterior de vidrio dentro del cual se sitúa un tubo interior metálico absorbedor generalmente de acero, existiendo entre ellos condiciones de vacío que disminuyen las pérdidas por conducción y convección. El tubo interior posee un recubrimiento o coating con gran poder absorbente de la energía solar, así como características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano.
En consecuencia, tanto en la vertiente doméstica como en la de producción de energía eléctrica, los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial y de su adecuado funcionamiento depende en gran parte el rendimiento de este tipo de sistemas. Esto hace que sea de vital importancia el disponer de un dispositivo y de un método adecuado de caracterización en campo de las características ópticas de dichos recubrimientos. En el caso de las instalaciones de producción de energía eléctrica, debido al gran número de tubos absorbentes a caracterizar, es además conveniente que la medida pueda realizarse de forma rápida y sencilla.
Dadas las características ópticas de este tipo de tubos (máxima absorción de energía y mínimas pérdidas energéticas), el equipo deberá ser capaz de medir con precisión valores extremos de los coeficientes de reflexión y transmisión (cercanos a cero o a la unidad), generalmente en condiciones ambientales desfavorables ya que, lógicamente, la luz ambiente será casi siempre de alta intensidad.
Puesto que estos coeficientes de reflexión y transmisión dependen de la longitud de onda de la luz en que se evalúan, es indispensable realizar una caracterización espectral de los mismos. Un equipo que realiza una medida de este tipo se denomina espectrofotómetro.
En un espectrofotómetro clásico se utiliza una fuente de luz de espectro ancho y un elemento de filtrado variable, como puede ser una red de difracción móvil seguida de una rendija estrecha, que permita seleccionar secuencialmente distintas longitudes de onda. Esta opción permite variar la longitud de onda de manera prácticamente continua, pero a cambio resulta un sistema más complejo y delicado y con bajo rango dinámico de medida, ya que la potencia de luz de entrada que se consigue es muy baja.
US4687329 describe un equipo que utiliza una fuente de espectro ancho, en este caso ultravioleta, y varios filtros en posiciones fijas para realizar una medida espectral en un determinado número de puntos discretos.
También existen antecedentes de espectrofotometros en los que se utiliza como fuente de luz una colección de fuentes de diferentes longitudes de onda. En US2008/0144004 se utilizan varios diodos emisores de luz (LED) simultáneamente para realizar una medida de transmisión para la detección de distintos analitos en sangre. Sin embargo, no se realiza una verdadera medida espectral, sino varias medidas simultáneas, en unas pocas longitudes de onda distintas. Además, no existe ninguna protección contra la luz ambiente ni es posible realizar medidas de reflexión ni de referencia.
Algo similar ocurre en la invención de US4286327, donde sí se realiza una medida secuencial a distintas longitudes de onda (en el infrarrojo), pero en este caso los LEDs utilizados son idénticos y la selección espectral se realiza mediante filtros fijos de distinta longitud de onda central. Tampoco existe ningún mecanismo de recuperación de la señal frente a luz ambiente, ni posibilidad de realizar medidas ni en reflexión ni de referencia.
Ninguno de los equipos citados ni otros similares cumplen los requisitos necesarios para la medida en campo de los tubos absorbentes para colectores solares, ya sea por rango, sensibilidad y/o configuración mecánica. Es de especial atención WO 2011/104401. A continuación se señalan las principales diferencias entre WO 2011/104401 y la invención.
1) El dispositivo reivindicado en WO 2011/104401 requiere de un canal óptico diferente para cada longitud de onda en que se mida, tanto en reflexión como en transmisión, mientras que el equipo de la invención precisa de un único canal óptico en el que discurre una radiación que comprende las longitudes de onda de interés para la medida.
2) WO 2011/104401 tampoco recoge ningún sistema de alineamiento que permita detectar la no concentricidad del tubo interno y externo del receptor.
3) WO 2011/104401 tampoco presenta una interfaz visual integrada en el propio dispositivo, si no que se comunica con un ordenador por red inalámbrica.
4) WO 201 1/104401 no presenta adaptación mecánica del equipo al tubo receptor.
5) WO 201 1/104401 no tiene unidad de almacenamiento de datos.
6) El equipo de WO 201 1/104401 realiza la medida espectral en base a un conjunto de LEDs dispuestos en línea situados en el equipo a lo largo del tubo receptor, de manera que se constituye un canal óptico por cada LED implementado. Cada canal óptico de medida está formado por un LED, un detector de referencia y un detector de medida, lo que hace que el número de detectores usados en el equipo sea alto, lo que aumenta la complejidad del equipo. Esta configuración óptica determina el tamaño del equipo en función del número de LEDs, a mayor número de LEDs mayor será el tamaño del equipo.
7) Tanto el sistema de WO 201 1/104401 como el de la invención son afectados por las variaciones de temperatura, ya que la intensidad de la radiación emitida por un LED, y la forma de su haz, pueden variar con la temperatura. Sin embargo, esta indeseada interferencia de la temperatura en el funcionamiento del sistema de WO 201 1/104401 , no puede ser compensada ni corregida porque el sistema de detección y referencia no está configurado para detectar la alteración en la medida provocada por la temperatura.
Esto es debido a que en el sistema de WO 2011/104401 el detector de referencia no recibe toda la luz emitida por el LED, puesto que el detector de referencia se encuentra situado al lado del LED y no ve la superficie completa del LED (tiene una visión sesgada de él) y por tanto tampoco el haz completo de radiación emitido por éste.
Por esta razón, con el dispositivo de WO 201 1/104401 , no se asegura medir la misma luz radiada en referencia que en medida, existiendo una menor fiabilidad en la medida de la reflectividad y la transmisividad que en el dispositivo de la invención, debido a las posibles variaciones en el haz con la temperatura no detectadas por el detector de referencia.
8) Además el sistema de WO 2011/104401 no tiene una uniformidad de los haces de medida ya que emplea directamente la radiación de los LEDs. Por esta razón, el sistema no cuenta con sensibilidad frente a cambios de posición de los tubos, es decir, el sistema tiene lo que se denominará en la descripción una falta de tolerancia geométrica..
9) La presente invención puede comprender esferas integradoras, lo que permite, además de optimizar el espacio y el número de componentes usados, homogeneizar el haz de luz emitido mejorando así la calidad de la señal.
La invención resuelve los problemas descritos anteriormente mediante un equipo portátil ligero, totalmente autónomo, adaptable mecánicamente al tubo, que permite una ejecución y procesado de medidas rápidos, y con una sensibilidad y precisión adecuadas.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un espectrofotómetro. portátil que permite determinar propiedades ópticas (transmitancia y reflectancia) de un tubo receptor de Colectores Cilindro-Parabólicos (CCP). El equipo permite evaluar ópticamente un tubo receptor en tiempo real y en cualquier condición lumínica, tanto en interior como en exterior. El espectrofotómetro puede tener dos canales ópticos, uno para la medida de la transmitancia y otro para la de reflectancia. Cada canal óptico puede comprender una pluralidad de LEDs de distinta longitud de onda y fotodetectores. Estos elementos pueden ser alojados en esferas integradoras que permiten homogeneizar el haz de luz emitido mejorando la señal. Las esferas integradoras permiten además optimizar las dimensiones del equipo y minimizar los componentes ópticos, consiguiendo un conjunto ligero y compacto. El procesado de las señales puede hacerse mediante un algoritmo lock-in para aumentar la relación señal-ruido y eliminar la influencia de fuentes de luz externas como la luz natural. El equipo también permite evaluar la existencia de excentricidad entre tubo exterior e interior, lo que influye directamente sobre la fiabilidad de la medida. El equipo puede tener un sistema mecánico para permitir un giro del equipo en torno al tubo para encontrar la posición óptima de medida y fijarse al tubo. La interacción con el equipo puede realizarse mediante una interfaz pantalla-teclado que permite comunicarse con el equipo y visualizar las medidas en tiempo real. Los datos pueden ser almacenados en una unidad de memoria externa, que puede estar integrada en el propio equipo.
Para conseguir un sistema sencillo y robusto, la iluminación de los tubos, tanto del tubo exterior (que suele ser de vidrio borosilicato) como del tubo interior absorbedor (que suele ser de acero), puede hacerse mediante diodos emisores de luz (LED) que cubren el rango de longitudes de onda en el que se desea obtener la caracterización. Esto permite disponer de una fuente de luz barata, estable y duradera. La existencia de LEDs comerciales de gran cantidad de longitudes de onda en el rango de 300 a 2500 nm permite realizar la medida espectral con la resolución que se desee, seleccionando el número de LEDs adecuado en función de las características específicas de cada problema. Para la caracterización espectral de un componente en la industria termosolar, puede ser suficiente con disponer de alrededor de una quincena de longitudes de onda de medida.
Con el objetivo de mejorar la señal de emisión de estos LEDs, pueden utilizarse esferas integradoras de iluminación que alojan un número determinado de LEDs. De esta manera, para generar el haz de luz incidente de medida, el conjunto de LEDs se pueden colocar iluminando el interior de una esfera integradora cuyas paredes interiores presentan un alto factor de reflectividad en las longitudes de onda de emisión de los LED implementados. En la cara interior de la esfera puede ser colocado un detector para registrar un nivel de luz existente en el interior de la esfera. Así puede obtenerse una medida de la señal de referencia que puede ser utilizada para corregir las variaciones de potencia de emisión de luz de los LEDs con la temperatura. Este detector puede trabajar en el rango espectral de los LEDs colocados en la esfera. Un orificio de salida en la esfera integradora puede permitir que parte de la luz generada por los LEDs salga de la esfera formando el haz de luz incidente utilizado en la medida. Parte de este haz de luz que sale de la esfera puede ser recogido por una lente para bien colimar el haz, formar imagen o trabajar con haz divergente, dependiendo de la distancia de colocación de la lente y de la focal de la misma. Una parte de este haz puede ser detectado en el detector de medida, tras atravesar el tubo de vidrio para la medida de la transmitancia o tras reflejarse en el tubo interior absorbedor en la medida de reflectancia.
El haz incidente que puede ser obtenido a la salida de la esfera integradora de iluminación es un haz de campo uniforme, que puede dotar al equipo de cierta tolerancia geométrica en las medidas de transmitancia y de reflectancia. Esta tolerancia geométrica implica que el equipo puede detectar y tener en cuenta diferencias geométricas tales como desplazamiento del tubo interior respecto al eje coaxial o ligeras variaciones en diámetro o espesor del tubo de borosilicato. Además, al poder implementar un sistema de medida de señal de referencia a partir de la luz existente en el interior de la esfera, pueden corregirse variaciones de potencia de emisión de luz de los LEDs con la temperatura ya que el detector de referencia, al poder situarse dentro de la esfera integradora, puede detectar todo el haz emitido por los LEDs, es decir, ya no tiene una visión sesgada de éste.
Por lo tanto, incluyendo en el dispositivo de la invención los LEDs en esferas integradoras, que generan señales ópticas utilizadas para la medida espectral de transmisión del tubo de vidrio y de reflexión del tubo interior en tubos colectores solares, se consiguen las siguientes ventajas: que un conjunto de LEDs compartan un mismo detector de referencia y un mismo detector de medida, reduciendo así el tamaño del equipo y el número de detectores de éste, permite conseguir haces de luz de iluminación con uniformidad alta lo que confiere al equipo de tolerancia en cuanto a la posición de los tubos y desvío de rayos, y elimina el problema de variaciones en el patrón de referencia de emisión de los LEDs con la temperatura al incorporar el detector de referencia en la medida de la luz existente, en el interior de la esfera, lo que elimina errores de medida con la temperatura del equipo. El equipo puede comprender dos esferas integradoras, una primera esfera para el canal óptico de transmitancia y una segunda esfera para el canal óptico de reflectancia o bien dos esferas integradoras por cada canal óptico. Para conseguir una medida suficientemente rápida, el equipo puede realizar de manera simultánea y sin ningún tipo de ajuste entre la/s primera/s esfera/s y la/s segunda/s esfera/s, la medida de transmitancia y reflectancia en cada una de las longitudes de onda implementadas, además de una medida de referencia en cada esfera.
La invención también puede comprender un sistema óptico de detección de alineamiento o concentricidad, para asegurar que una posición del equipo de medida sobre la superficie del tubo de vidrio es correcta respecto a la posición del tubo interior del equipo.
La invención también puede comprender medios de posicionamiento consistiendo en una abrazadera que permite colocar o retirar el equipo sobre el tubo, con un mecanismo que permite abrir dicha abrazadera para colocar o retirar el equipo sobre el tubo, o cerrarla en torno al tubo receptor quedando el equipo fijo al mismo en cualquier posición y sin necesidad de sostenerlo, así como una pluralidad de rodillos que posibilitan el giro del equipo sobre una sección del tubo receptor pudiendo girar cómodamente el equipo a lo largo de la circunferencia del tubo de vidrio para buscar la posición correcta de medida.
Los rodillos pueden ser reemplazables para adaptar el equipo a distintos tubos receptores.
De esta manera, se consigue un equipo portátil ligero y adaptable al tubo.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la invención se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título de ejemplo, se representa un caso práctico de la invención.
Figura 1A Esquema transversal de medida de transmitancia y reflectancia
Figura 1B Esquema longitudinal de medida de transmitancia y reflectancia
Figura 2 Esquema de medida del sistema de alineamiento.
Figuras 3A y 3B Situación de los LEDs dentro de la esfera integradora. La figura 3A es una vista ecuatorial de la esfera y la figura 3B es una vista polar de la esfera.
Figura 4 Vista en sección transversal del espectofotómetro
Figura 5 Vista exterior del espectofotómetro
Figura 6 Gráfico de resultados de reflectividad y transmisividad en función de la longitud de onda
1 Tubo exterior, tubo de vidrio
2 Tubo interior, tubo absorbedor
3 Esfera integradora
31 Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la reflectancia
31 UV Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la reflectancia para espectro ultravioleta y visible
31 IR Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la reflectancia para espectro infrarrojo
32 Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la transmitancia
32UV Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la transmitancia para espectro ultravioleta y visible
32IR Fuente emisora de luz, esfera integradora para la medida de la transmitancia para espectro infrarrojo
4 LEDs esfera integradora
6 Detector de luz para la medida de la reflectancia
6UV Detector de luz para la medida de la reflectancia para espectro ultravioleta y visible
6IR Detector de luz para la medida de la reflectancia para espectro infrarrojo
7 Detector de luz para la medida de la transmitancia 7UV Detector de luz para la medida de la transmitancia para espectro ultravioleta y visible
7IR Detector de luz para la medida de la transmitancia para espectro infrarrojo
8 Fuente emisora de luz, LED auxiliar
9 Array de detectores de luz indicativo de la concentricidad.
10 Abrazadera
11 Carcasa exterior
12 Semicarcasa inferior
13 Semicarcasa superior
14 Medios de posicionamiento, rodillos
104 Tres ejes
105 Cuarto eje
Descripción de una realización preferente
El esquema general de una realización preferente del dispositivo de medida puede ser el siguiente:
Una pluralidad de diodos emisores de luz o LEDs (4), que cubren el rango de longitudes de onda en que desean caracterizarse los tubos receptores; en una realización preferente podría utilizarse una pareja de LEDs (4) por cada longitud de onda, siendo uno para la medida de transmitancia y otro para la de reflectancia.
Al menos dos esferas integradoras (3), una para transmisión y otra para reflexión, donde pueden alojarse dichos LEDs, para optimizar la uniformidad del haz de luz emitido y su amplitud, así como para minimizar el número de componentes usados y minimizar el tamaño y complejidad del equipo.
Dos fotodetectores por cada esfera integradora (3) utilizada, para obtener las señales de transmitancia o reflectancia y de referencia para todos los LEDs (4) alojados en dicha esfera (3).
Un sistema de detección de alineamiento que permite evaluar en todo momento si existe desplazamiento relativo entre el tubo exterior (1) de borosilicato y el tubo interior (2) absorbedor, de forma que se garantice las distancias requeridas entre los elementos que conforman el sistema óptico. Este sistema de detección de alineamiento puede comprender un LED emisor (8) y un array de fotodetectores (9) enfrentados entre sí a un extremo y a otro del diámetro del tubo exterior (1) de borosilicato. El LED (8) puede estar alineado con el punto medio del array (9) de fotodetectores. A su vez, el sistema puede estar colocado de tal forma que la línea imaginaria que une el LED con el centro de array (9) sea tangente al tubo interior (2). Un circuito digital, que realiza las funciones de adquisición y conversión analógico/digital de las señales de interés.
Una tarjeta de procesado digital, para extraer la señal del posible fondo de ruido óptico y eléctrico ambiental. Esta tarjeta puede encargarse también, en caso necesario, de aplicar la modulación elegida a las fuentes LED.
Una interfaz consistente en pantalla y teclado que permita comunicarse totalmente con el equipo así como visualizar la información del equipo y valores medidos en tiempo real.
Un sistema GPS de localización geográfica que permite registrar la ubicación de las medidas realizadas.
Una unidad de memoria externa que permita almacenar toda la información del equipo y los valores medidos.
Una unidad central de control y procesado, que controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando todas las comunicaciones.
Una carcasa que proporcione el aislamiento adecuado de los componentes electrónicos y ópticos del sistema, y que permita transportarlo con facilidad.
Un sistema mecánico que permita deslizar el equipo sobre el tubo y fijar el equipo sobre el tubo en cualquier posición.
Una realización del equipo puede comprender una sección óptica o módulo de medida, otra electrónica y otra mecánica.
La sección óptica es clave, pues debe posibilitar la realización de una medida simultánea de la transmitancia y reflectancia de los tubos, con la precisión requerida. Para lograrlo, se propone una realización preferente según la disposición de la figura 1 , y que incluye preferentemente lo siguiente:
• una primera esfera (32IR) para el canal óptico de transmitancia que comprende LEDs (4) de longitudes de onda en el infrarrojo;
• una segunda esfera (32UV) para el canal óptico de de transmitancia que comprende LEDs (4) de longitudes de onda en el ultravioleta y el visible;
· una tercera esfera (31 IR) para el canal óptico de reflectancia que comprende LEDs (4) de longitudes de onda en el infrarrojo;
• una cuarta esfera (31 UV) para el canal óptico de reflectancia que comprende LEDs (4) de longitudes de onda en el ultravioleta y el visible.
En la figura 1 se aprecia como los sistemas de transmitancia y reflectancia están dispuestos de forma que los haces de luz son perpendiculares entre sí. Cada uno de estos dos sistemas está formado por dos canales ópticos, uno para la medida espectral en el rango del ultravioleta y del visible y otro para la medida espectral en el rango del infrarrojo.
Cada canal óptico de medida puede estar formado por un conjunto de LEDs, una esfera integradora (3) de iluminación, un detector de referencia para determinar la cantidad de luz del haz incidente, una lente y un detector de medida para determinar la luz, bien transmitida, bien reflejada, según el caso. Ambos detectores trabajan en el rango espectral cubierto por los LEDs ¡mplementados en la esfera.
En una realización preferente de la invención se han elegido 14 LEDs, 9 para las esferas de ultravioleta-visible (UV-VIS) de longitudes de onda 365, 405, 470, 525, 588, 655, 780, 870, 940 nm, y 6 LEDs para las esferas de infrarrojo (IR) de longitudes de onda 940, 1050, 1300, 1550, 1720 y 1950 nm, que cubren la zona de interés del espectro.
Para generar el haz de luz incidente en la medida, cada conjunto de LEDs se coloca iluminando el interior de una esfera integradora (3), junto con el detector de referencia. Este detector es preferentemente de Silicio para las esferas UV-VIS y de InGaAs para las esferas de IR. Un orificio de salida en la esfera integradora (3) permite que parte de la luz generada por los LEDs salga de la esfera formando el haz de luz incidente utilizado en la medida. En la forma preferente de realización, los LEDS y el detector de referencia se colocan en la parte inferior de la esfera, en torno al orificio de salida, asegurando así que no hay rayos directos incidiendo sobre el detector de referencia. Parte del haz de luz que sale de la esfera es recogida por una lente. En el caso de los canales ópticos de transmisión, el haz de luz que sale de la esfera es paralelo a la normal a la superficie de la esfera en la que se encuentran los LEDs, el eje óptico del sistema es transversal al tubo y el haz de iluminación incide sobre el tubo a una altura que asegura que el haz no es bloqueado por el tubo interior de acero, es decir, que éste atraviesa el tubo de vidrio dos veces como se observa en la figura 3. Mientras que en el caso de los canales ópticos de reflexión, el haz de salida de la esfera integradora (3) forma un ángulo de 12° con la normal a la superficie de la esfera en la que se sitúan los LEDs. Esta inclinación permite situar el detector de medida junto a la fuente de emisión.
Los receptores o tubos para colectores cilindro parabólicos (CCP) están compuestos habitualmente de dos tubos concéntricos. El tubo interno (2) debe poseer un coeficiente de reflectancia muy bajo en el espectro solar (alta absortancia) y alto en la zona espectral del infrarrojo térmico (baja emisividad), para que la absorción de calor sea lo más alta posible. Por otra parte, el tubo exterior (1) debe dejar pasar la mayor cantidad de luz posible, lo que equivale a un coeficiente de transmitancia cercano a la unidad.
Para obtener la medida de transmitancia el sistema óptico correspondiente emite unos haces de luz que atraviesan dos veces el tubo externo (1 ) de borosilicato, una de entrada y otra de salida. Concretamente, para medir el coeficiente de transmisión o transmitancia del tubo exterior (1), el módulo óptico o de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7) que cuenta con una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) configurada para emitir una primera radiación (T). La fuente emisora de luz (32) es orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la primera radiación (T) sin interceptar el tubo interior (2) produciendo así una primera radiación transmitida (T). El dispositivo de medida de la transmitancia comprende adicionalmente un detector de luz para la medida de la transmitancia (7) configurado para recibir la primera radiación transmitida (T). La medida resultante se calcula a partir de las señales registradas por los detectores de señal final y referencia, es decir a partir de la primera radiación (T) y de la primera radiación transmitida (T).
En una realización preferente, el dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7) comprende:
· una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación infrarroja (32IR);
• un detector de luz para la medida de la transmitancia de radiación infrarroja (7IR);
para cubrir un espectro infrarrojo;
· una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación visible y ultravioleta (32UV);
• un detector de luz para la medida de la transmitancia de radiación visible y ultravioleta (7UV);
para cubrir un espectro visible y ultravioleta.
Preferentemente, el módulo de medida de la transmitancia (32, 7) se dispone dentro del espectrofotómetro de tal manera que durante la medición:
• la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) está alineada con una cuerda (C) del receptor (1 ,2) y está enfocada a un primer extremo (C1) de esa cuerda (C) situado el primero extremo (C1) en el tubo exterior (1); y · el detector de luz para la medida de la transmitancia (7) está alineado con la cuerda (C) y enfocado a un segundo extremo (C2) de la cuerda (C) situado el segundo extremo (C2) en el tubo exterior (1) y opuesto al primer extremo (C1). Se entiende por cuerda el significado común en geometría: segmento de recta entre dos puntos de un arco. La cuerda (C) está definida entre el primer extremo (C1) y el segundo extremo (C2). El arco está definido por la porción de tubo exterior (1) comprendida entre el primer extremo (C1) y el segundo extremo (C2).
Para el caso de la reflectancia, el sistema óptico correspondiente emite unos haces de luz que atraviesan dos veces el tubo externo (1) de borosilicato y se reflejan en el tubo interior (2) absorbedor. Concretamente, para medir el coeficiente de reflexión o reflectancia del tubo interior (2), el módulo óptico o de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6) que cuenta una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) configurada para emitir una segunda radiación (R), emitida hacia el tubo interior (2). La fuente emisora de luz (31) es orientada de manera que el tubo interior (2) es interceptado por la segunda radiación (R) produciendo así una radiación reflejada (R'). El dispositivo de medida de reflectancia comprende adicionalmente un detector de luz para la medida de la reflectancia (6) configurado para recibir la radiación reflejada (R1) en el tubo interior (2). La medida resultante se calcula a partir de las señales registradas por los detectores de señal final y referencia, es decir a partir de la segunda radiación (R) y de la radiación reflejada (R') en el tubo interior (2). Además en dicho cálculo se descuenta la medida de transmitancia del tubo externo obtenida previamente.
En una realización preferente, el dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6) comprende:
• una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia, emisora de radiación infrarroja (31 IR);
• un detector de luz para la medida de la reflectancia de radiación infrarroja (6IR);
para cubrir un espectro infrarrojo; y
• una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia emisora de radiación visible y ultravioleta (31 UV);
• un detector de luz para la medida de la reflectancia de radiación visible y ultravioleta (6UV);
para cubrir un espectro visible y ultravioleta.
Preferentemente, el módulo de medida de la reflectancia (31 , 6) se dispone dentro del espectrofotómetro de tal manera que durante la medición: • la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) está contenida en un plano longitudinal (PL) del receptor (1 ,2) y enfocada hacia a una generatriz (G1) en el tubo exterior (1);
• el detector de luz para la medida de la reflectancia (6) está contenida en el plano longitudinal (PL) y enfocado a la generatriz (G1) en el tubo exterior (1).
Se entiende por plano longitudinal (PL) al plano que contiene el eje longitudinal del receptor (1 ,2) y por generatriz (G1) la recta paralela al eje longitudinal sobre la superficie del tubo exterior (1).
Preferentemente, la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) y la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) están en un mismo sector (S) del receptor (1 , 2). Se entiende por sector el significado común en geometría: sector circular: porción de círculo comprendida entre un arco y los dos radios que pasan por sus extremidades. Así, en la invención se estaría hablando de un sector (S) cilindrico: porción de cilindro determinada por un sector circular proyectado a lo largo del eje longitudinal del receptor (1 , 2). En una realización de la invención, el sector (S) es un cuadrante, es decir, un sector de 90°. Los cuadrantes del receptor (1 , 2) pueden verse en las figuras que muestran un corte transversal del receptor (1 , 2).
Esta disposición de la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) y la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) en el mismo sector (S) o cuadrante permite un espectrofotómetro más compacto.
Los tubos receptores (1 , 2) presentan una geometría en la que los diámetros de ambos tubos están definidos y ambos son concéntricos entre sí. Sin embargo las condiciones a las que están sometidos en las centrales termosolares hacen que está concentricidad pueda verse alterada. Los canales ópticos del equipo están adaptados a la geometría del tubo, por ello para asegurar que los haces de luz de estos canales recorren el camino óptimo se hace necesario verificar la correcta geometría del tubo en el punto de medida seleccionado. Para ello el equipo cuenta con un sistema de alineamiento o de detección de concentricidad que detecta posibles desplazamientos del tubo interior (2) respecto a su posición coaxial con el tubo exterior (1). Este sistema de alineamiento óptico puede estar formado por un LED de emisión (8) y un array de fotodetectores (o serie de fotodetectores en línea) (preferentemente 8 detectores) que permite conocer en tiempo real la posición relativa entre el tubo exterior (1) de borosilicato y el tubo interior (2) de acero. El LED de emisión puede generar un haz de luz en forma de cono que atraviesa el tubo y es captado por el array de fotodetectores situado en la parte opuesta como se observa en la figura 3. Estos dos elementos están enfrentados entre sí con una disposición tal que el eje del cono formado por el haz de luz emitido sea tangente al tubo interior (2) de acero, cuando éste se encuentra en su posición óptima. Con esta configuración, el haz de luz incide sobre una parte del array (9) de fotodetectores, mientras que el resto del array (9) no detectará el haz al verse este bloqueado en parte por el tubo interior (2). Concretamente, para detectar la concentricidad, el módulo de detección de concentricidad cuenta con una fuente emisora de luz configurada para emitir una tercera radiación (CO) y orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la tercera radiación (CO) sin interceptar el tubo interior (2) produciendo una segunda radiación transmitida (CO'), que está es a su vez recibida por el array de detectores (9). Teniendo como referencia por tanto esta configuración óptima, se pueden detectar fácilmente variaciones de la posición del tubo interior (2), ya que estas harán variar el bloqueo que el tubo realiza sobre el haz emitido y por lo tanto la detección del array (9) de fotodetectores variará. En aquellos puntos de medida sobre la superficie del tubo de vidrio y a lo largo de la longitud de éste en los que al menos dos detectores del array se encuentren activos por haber detectado señal, podrán tomarse las medidas con una fiabilidad aceptable. En el caso de que ningún detector detecte señal, debido a por ejemplo un pandeo del tubo receptor (no concentricidad entre ellos), el dispositivo puede o bien girar sobre sí mismo o desplazarse sobre el tubo para buscar un punto de medida adecuado gracias a sus condiciones mecánicas.
La sección mecánica puede comprender varios componentes, siendo el más importante la carcasa exterior (1 1) que dota al equipo de robustez y una forma ergonómica con agarres cómodos e intuitivos que facilitan la manipulación del usuario. Esta carcasa exterior puede comprender dos semicarcasas. La semicarcasa inferior (12) con forma semicircular para adaptarse al tubo exterior (1), sobre la que se fijan todos los componentes ópticos y electrónicos a excepción de la pantalla y el teclado y la semicarcasa superior (13) que se acopla sobre la anterior quedando así protegidos los sistemas electrónicos y ópticos.
La sección mecánica puede contar además con una abrazadera retráctil (10) que es clave en la adaptación del equipo al tubo receptor, permitiendo además fijar el dispositivo al tubo exterior (1) en cualquier posición. En una realización preferente, este sistema mecánico puede estar formado por tres ejes (104) longitudinales al tubo que quedan fijos a la estructura del equipo más un cuarto eje (105) longitudinal al tubo que se sujeta en la abrazadera articulada. El apoyo del equipo sobre el tubo se realiza para cada eje sobre 2 rodillos (14), lo que permite un desplazamiento cómodo y sencillo del equipo sobre el tubo exterior (1) para la búsqueda de la posición correcta de medida. La abrazadera articulada se puede alojar en el interior del equipo cuando no se realiza medición de los tubos para facilitar su traslado y almacenaje.
Los rodillos (14) de apoyo y la abrazadera articulada permiten desplazar el dispositivo sobre el tubo de vidrio (1) o girar el dispositivo sobre sí mismo buscando una posición adecuada para la medida.
La electrónica del equipo puede encargarse de la adquisición y tratamiento de datos, tanto para el módulo de transmitancia como para el de reflectancia. Para lograr que la medida pueda realizarse sin influencia de la luz ambiente, el sistema de adquisición y tratamiento de datos puede comprender una señal de los emisores que se modula variando sinusoidalmente la corriente de alimentación de los LEDs (cada uno de ellos a una frecuencia diferente). Esta modulación permite extraer la señal de interés en los detectores, filtrando todas las componentes frecuenciales salvo la correspondiente al LED que se quiere utilizar en cada caso. Este filtrado se realiza mediante la programación de un algoritmo de detección síncrona (amplificación lock-in) en un procesador digital de señal (DSP). Esa misma tarjeta genera las señales de modulación de los LEDs, lo que posibilita la realización del filtrado. También se encarga de la adquisición y conversión digital de las señales eléctricas analógicas medidas que provienen de los fotodetectores, así como del control mediante salidas digitales de la alimentación de las placas de emisión y detección.
Además los fotodetectores pueden estar seguidos de dos etapas de amplificación cuya ganancia depende del valor de las resistencias que incluyen. Una de esas resistencias puede ser un potenciómetro digital cuyo valor se puede controlar vía software, lo que permite ajustar la ganancia de cada canal en cualquier momento utilizando las salidas del DSP.
Para obtener una medida con alta sensibilidad, que permita resolver con precisión valores de los coeficientes de reflectancia y transmitancia muy pequeños o muy cercanos a la unidad, es necesario que el sistema de adquisición disponga de una relación señal a ruido suficientemente grande. Dado que la señal óptica de fondo proviene principalmente de la luz solar ambiente, es decir, se trata de una señal de gran intensidad, puede ser recomendable realizar algún tipo de tratamiento a dicha señal que permita lograr que la relación señal/ruido sea elevada. Lo más indicado en este caso es el procesamiento digital de la señal mediante la aplicación de algún algoritmo de extracción como la detección síncrona o amplificación lock-in. Para realizar un tratamiento de este tipo, es necesario que la señal a medir pueda distinguirse fácilmente del fondo de ruido, algo que habitualmente se consigue mediante la aplicación de algún tipo de modulación a la misma. Esto permite realizar medidas con luz ambiente y en campo, sin necesidad de condiciones especiales de oscuridad o protección.
Otra característica que dota al equipo de gran flexibilidad y permite ser fácilmente manipulable y ergonómico, es su interfaz usuario-máquina. Esta interfaz consiste en un teclado o botonera y una pantalla mediante las cuales el usuario puede comunicarse completamente con el equipo, además de poder visualizar las medidas realizadas en tiempo real. Esta interfaz puede incorporar un LED de iluminación que permite su uso en ambientes de poca o nula luz como puede ser la franja horaria nocturna. A través de dicha interfaz pueden seleccionarse distintos modos de operación y funciones del equipo.
La aplicación principal de este equipo de medida portátil es la evaluación in situ de las características ópticas de tubos receptores en colectores cilindro-parabólicos de centrales termoeléctricas solares. Estas centrales cuentan con un elevado número de tubos a lo largo de grandes extensiones de terreno. Por ello el equipo puede incorporar un sistema de geolocalización GPS, que le permite registrar el emplazamiento geográfico exacto en el que se realiza cada medida. De esta forma es posible reconstruir a posteriori la ruta seguida en la evaluación del campo solar así como los tubos concretos sobre los que se han realizado las medidas. Estos resultados, así como el estado del equipo pueden ser almacenados en una unidad externa de memoria, que permite exportar los resultados de forma fácil y rápida a un PC. Un ejemplo concreto de medida son los resultados del tratamiento de datos en los que se reflejan los valores de transmitancia y reflectancia de un tubo receptor en función de la longitud de onda.correspondiente a un tubo receptor de un colector cilindro-parabólico se muestra en la figura 6.
Aunque la aplicación principal de esta invención es el uso del equipo para la evaluación in situ de las características ópticas de tubos absorbedores en colectores cilindro-parabólicos de centrales termoeléctricas solares, no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran un equipo de medida de características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Espectrofotómetro para caracterización de receptores (1 , 2) de colectores solares, comprendiendo dichos receptores un tubo interior (2) y un tubo exterior (1), estando el espectrofotómetro caracterizado porque comprende:
(1a) un módulo de medida (31 , 32, 6, 7) configurado para tomar una medida de un coeficiente de reflexión y de un coeficiente de transmisión del receptor (1 , 2); (1b) un módulo de detección de concentricidad (8, 9) configurado para detectar una concentricidad/no concentricidad entre el tubo interior (2) y el tubo exterior (1).
2. Espectrofotómetro según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende: medios de posicionamiento (14, 10) configurados para:
(2a) permitir una orientación del espectrofotómetro mediante un giro del espectrofotómetro en torno a un eje longitudinal del tubo exterior (1);
(2b) colocar y fijar el espectrofotómetro en la posición óptima de medida del coeficiente de reflexión y del coeficiente de transmisión.
3. Espectrofotómetro según la reivindicación 1 caracterizado porque:
(3a) el coeficiente de transmisión a medir es un coeficiente de transmisión del tubo exterior (1);
(3b) el módulo de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7), configurado para medir el coeficiente de transmisión del tubo exterior (1), comprendiendo el dispositivo de la transmitancia (32, 7):
(3b1) una fuente emisora, donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32):
(3b1 a) configurada para emitir una primera radiación (T);
(3b1 b) orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la primera radiación (T) sin interceptar el tubo interior (2) produciendo una primera radiación transmitida (T1); (3b2) un detector de luz para la medida de la transmitancia (7) configurado para recibir la primera radiación transmitida (T) que ha atravesado el tubo exterior (1).
4. Espectrofotómetro según la reivindicación 3 caracterizado porque comprende:
(4a) medios de cálculo del coeficiente de transmisión del tubo exterior (1 ) a partir de la primera radiación (T) y de la primera radiación transmitida (T)
5. Espectrofotometro según la reivindicación 1 caracterizado porque:
(5a) el coeficiente de reflexión a medir es un coeficiente de reflexión del tubo interior (2);
(5b) el módulo de medida (31 , 32, 6, 7) comprende un dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6) configurado para medir el coeficiente de reflexión del tubo interior (2), comprendiendo el dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6);
(5b1 ) una fuente emisora, donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31):
(5b1a) configurada para emitir una segunda radiación
(R), emitida hacia el tubo interior (2);
(5b1 b) orientada de manera que el tubo interior (2) es interceptado por la segunda radiación (R) produciendo una radiación reflejada (R');
(5b2) un detector de luz para la medida de la reflectancia (6) configurado para recibir la radiación reflejada (R') en el tubo interior (2).
6. Espectrofotometro según la reivindicación 5 caracterizado porque comprende:
(6a) medios de cálculo del coeficiente de reflexión del tubo interior (2) a partir de la segunda radiación (R) y de la radiación reflejada (R') en el tubo interior (2).
7. Espectrofotometro según la reivindicación 1 caracterizado porque el módulo de concentricidad (8, 9) comprende:
(7a) una fuente emisora, donde la fuente emisora es una fuente emisora de luz para detectar una concentricidad/no concentricidad (8):
(7a1) configurada para emitir una tercera radiación (CO);
(7a2) orientada de manera que el tubo exterior (1) es atravesado por la tercera radiación (CO) sin interceptar el tubo interior (2) produciendo una segunda radiación transmitida (CO');
(7b) un array de detectores (9) configurado para recibir la segunda radiación transmitida (CO').
8. Espectrofotometro según la reivindicación 5 caracterizado porque el dispositivo de medida de la reflectancia (31 , 6) comprende:
(8a) una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia, emisora de radiación infrarroja (31 IR);
(8b) un detector de luz para la medida de la reflectancia de radiación infrarroja (6IR); para cubrir un espectro infrarrojo;
(8c) una fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia, emisora de radiación visible y ultravioleta (31 UV);
(8d) un detector de luz para la medida de la reflectancia de radiación visible y ultravioleta (6UV);
para cubrir un espectro visible y ultravioleta.
9. Espectrofotometro según la reivindicación 3 caracterizado porque el dispositivo de medida de la transmitancia (32, 7) comprende:
(9a) una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación infrarroja (32IR);
(9b) un detector de luz para la medida de la transmitancia de radiación infrarroja (7IR);
para cubrir un espectro infrarrojo;
(9c) una fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia, emisora de radiación visible y ultravioleta (32UV);
(9d) un detector de luz para la medida de la transmitancia de radiación visible y ultravioleta (7UV);
para cubrir un espectro visible y ultravioleta.
10. Espectrofotometro según la reivindicación 3 caracterizado porque el módulo de medida de la transmitancia (32, 7) se dispone dentro del espectrofotometro de tal manera que durante la medición
10a) la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) está alineada con una cuerda (C) del receptor (1 , 2) y enfocada a un primer extremo (C1) de la cuerda (C) situado el primero extremo (C1) en el tubo exterior (1); y
10b) el detector de luz para la medida de la transmitancia (7) está alineado con la cuerda (C) y enfocado a un segundo extremo (C2) de la cuerda (C) situado el segundo extremo (C2) en el tubo exterior (1) y opuesto al primer extremo (C1).
11. Espectrofotometro según la reivindicación 5 caracterizado porque el módulo de medida de la reflectancia (31 , 6) se dispone se dispone dentro del espectrofotometro de tal manera que durante la medición: 11a) la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) está contenida en un plano longitudinal (PL) del receptor (1 ,2) y enfocada hacia una generatriz (G1) en el tubo exterior (1);
11 b) el detector de luz para la medida de la reflectancia (6) está contenida en el plano longitudinal (PL) y enfocado a la generatriz (G1) en el tubo exterior (1).
12. Espectrofotómetro según las reivindicaciones 3 y 5 caracterizado porque la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31) y la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) están en un mismo sector (S) del receptor (1 , 2).
13. Espectrofotómetro según cualquiera de las reivindicaciones 3, 5 o 7 caracterizado porque la fuente emisora (31 , 32, 8) comprende una esfera integradora (3).
14. Espectrofotómetro según cualquiera de las reivindicaciones 3, 5 o 7 caracterizado porque la fuente emisora (31 , 32, 8) comprende un LED (4).
15. Espectrofotómetro según las reivindicaciones 3, 5 caracterizado porque lafuente emisora seleccionada entre la fuente emisora de luz para la medida de la reflectancia (31), la fuente emisora de luz para la medida de la transmitancia (32) y combinaciones de las mismas comprende una pluralidad de LEDs.
16. Espectrofotómetro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente un circuito digital, que realiza las funciones de adquisición y conversión analógico/digital de las señales de interés.
17. Espectrofotómetro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una tarjeta de procesado digital, para extraer la señal del posible fondo de ruido óptico y eléctrico ambiental.
18. Espectrofotómetro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una interfaz consistente en pantalla y teclado.
19. Espectrofotómetro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema GPS de localización geográfica.
20. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una unidad de memoria externa para almacenar toda la información del equipo y los valores medidos.
21. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una unidad central de control y procesado, que controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando todas las comunicaciones.
22. Espectrofotometro según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente una carcasa (11).
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