WO2022003227A1 - Dispositivo y procedimiento de radiometría para la medida de irradiancia solar - Google Patents

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optical
solar
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Alejandro CARBALLAR RINCÓN
Roberto RODRÍGUEZ GARRIDO
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Fundacion Cener
Universidad de Sevilla
Cobra Instalaciones y Servicios SA
Fundacion Imdea Energia
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Fundacion Cener
Universidad de Sevilla
Cobra Instalaciones y Servicios SA
Fundacion Imdea Energia
Mesurex SL
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    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J2001/4266—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors for measuring solar light

Definitions

  • the object of the invention falls within the field of Test and Measurement Instrumentation 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 surface of a certain area.
  • the object of the invention is a device and procedure consistent in the generalization of the concept of pyrheliometer, which provides the measurement of solar irradiance or optical flow of a beam of sunlight defined by an acceptance cone, which perpendicularly affects a surface of certain area.
  • 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 sector of solar energy (both photovoltaic and thermosolar) for optimization, in terms performance and efficiency of the energy production process.
  • the solar radiation that falls on the surface of the atmosphere is characterized by its spectral density of optical flux or spectral irradiance, E (l), with units of W m -2 Hz _1 (or W m - 2 ⁇ nm -1), which is distributed in a spectral range from 300 nm to 4000 nm, approximately.
  • E (l) the solar irradiance, E, is defined with units of W m ⁇ 2 , as the integral of the spectral irradiance throughout the entire spectrum, and therefore characterizes the intensity of solar radiation per unit of 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 ⁇ Meteorological World! Organizatior ⁇ ) and 1353 W m ⁇ 2 according to NASA ⁇ National Aeronautics and Space Administration).
  • the intensity of solar radiation that falls on the earth's surface is lower as a result of the absorption and scattering processes that a beam of sunlight undergoes when passing through the atmosphere.
  • the solar irradiance that affects each point of the earth's surface depends both on its geographical location and on the time point of the measurement, due to multiple factors such as: the distance from the Earth to the Sun that varies along all year; the different atmospheric agents, like for example the clouds, that produce a scattering of the solar light beam; 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.
  • Direct Normal Irradiance or DNI from the English Direct Normal Irradiance
  • DNI Direct Normal Irradiance
  • Diffuse Horizontal Irradiance or DHI from the English Direct Horizontal Irradiance
  • DNI Direct Horizontal Irradiance
  • GHI Global Horizontal Irradiance
  • the three key elements or components that make up a measuring device for solar irradiance 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 measuring the incident optical power on the surface of the determined area. These three elements are determined by the different configurations of the measuring device, which generally includes a solar radiation collector element and a detector. The most critical element is usually the detector, for which there are two alternatives in the state of the art:
  • thermopiles which convert the thermal energy captured from the beam of sunlight into electrical energy. Normally they are formed by thermocouples connected in series or in parallel that do not respond to an absolute temperature, but rather respond to a temperature gradient generating a voltage. Their main advantage is that they present a high spectral width optical power measurement and do not depend on the wavelength. The measurement can be self-calibrating, providing an accuracy of the order of 1%. As a drawback, it has a very poor sensitivity (typically of the order of 10pW).
  • 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 the order of 2%, less complexity, less maintenance and less cost.
  • 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, the bandwidth of the responsivity of the semiconductor is less than the spectral width of the solar radiation to be measured, so the optical power measurement is less accurate and requires a calibration process.
  • the reverse polarized junction photodiode and the photovoltaic cell working in the region close to the short circuit are used as semiconductor photodetectors.
  • Thermopile pyranometer designed for the measurement of solar radiation in a large 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 it incorporates shadow band).
  • 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 photodetector based on reverse polarized junction photodiode.
  • Thermopile-based pyrheliometer for DNI measurement composed of a cavity responsible for capturing the sunlight beam within an acceptance cone (generally an acceptance angle of 2.5 ° is established) that falls into a thermopile that converts the thermal energy in a voltage difference.
  • An instrument for the measurement of GHI is known, integrating an optical fiber together with a diffuser as an element to collect solar radiation and a Silicon photodetector for the measurement of optical power, in order to place the photodiode away from the point of measurement and ensure controlled solar irradiance measurement conditions.
  • the objective of this instrument is not to expose the photodiode directly to solar radiation, and for this it uses an optical fiber to conduct 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 response with cosine law to incident solar radiation and protects it from atmospheric conditions by means of a glass bulb.
  • a GHI measurement is carried out using a measurement method using calibration factors that depend on the different masses of air that the sunlight beam passes through.
  • 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.
  • this work if the problems of the spectral selectivity of the silicon photodetector that does not cover the entire spectral range of the light are indicated, becoming a source of error, as well as the variations in the spectral irradiance of the light due to the location, altitude and atmospheric conditions.
  • the objectives of these two proposals are: one, the measurement of the angle of incidence of the light radiation in the collection element from the circular crown that is obtained at the exit of the quartz rod; and two, the detection of concentrated solar flux in the tower receiver of a thermosolar plant by placing the quartz rod through the solar receiver panels in the area exposed to concentrated solar radiation (supporting 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 measuring module for guided radiation.
  • the measurement module includes the options of using either a photodetector, an array of photodetectors, or a CCD matrix.
  • optical fiber as an optical waveguide to conduct the optical radiation from the collecting element to the optical power measurement module, although its use is neither direct nor obvious due to the intrinsic considerations that the fiber presents.
  • optics in terms of their core and shell construction characteristics (refractive indices necessary to ensure the principle of total internal reflection), different dimensions of core and shell (and therefore, different incidence surfaces, as well as the possible single-mode behavior or multimode), and a numerical aperture characteristic that translates into a certain acceptability cone for the incident radiation.
  • the object of the present invention is a radiometric 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 beam of light falls.
  • the optical fiber comprises a core, a sheath, and optionally a sheath.
  • the light beam falls on the surface delimited by the nucleus and within the acceptance cone that defines its numerical aperture.
  • Solar radiation coupled to the optical fiber within these specifications is carried to the opposite end of the fiber in which the optical power is measured by an optical power meter module, preferably comprising a semiconductor photodiode.
  • a first approximation of the measurement procedure for solar irradiance at the point of measurement is the relationship between the optical power measured by the meter module and the area of the core of the optical fiber. (W m ⁇ 2 ).
  • the advantages of this proposal lie in the fact that the different designs of the optical fiber allow controlling both the acceptance cone of the solar radiation from the numerical aperture characteristic of the optical fiber and the incidence surface through the core area.
  • the advantages of using a semiconductor photodiode of the optical power meter module lie in its stability, linearity, low maintenance and low cost, in addition to its excellent sensitivity to adapt to the low levels of optical power coupled to the core of the optical fiber of dimensions micrometric.
  • the reduced dimensions of the optical fiber allow it to be integrated into the solar receivers of the concentrating solar thermal power plants whenever special optical fibers are used to work at high temperatures.
  • the radiometric device for the generic measurement of solar irradiance comprises:
  • An optical fiber as a radiation collector element to take advantage of its characteristics of reduced dimensions, definition of an acceptance cone based on its numerical aperture, definition of the radiation incidence surface from the core area, optical guidance properties very low losses, and versatility of different designs and configurations,
  • 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 core size, low cost, linearity and stability, low maintenance, and fast response time, and
  • the device can comprise a processing module, connected to the meter module and configured to process and send the measurements obtained by the meter module to external equipment.
  • 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 core area of the optical fiber, thus achieving, in a first approximation, an optical irradiance measurement. (W m ⁇ 2 ).
  • the procedure takes as input, in a first stage, the value of optical power measured by the measuring module and the processing module, and the area of the core of the optical fiber, and calculates a first approximation of the solar irradiance as the quotient of the optical power measured by the surface area of the nucleus.
  • 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 guidance of the optical radiation from the point of measurement or fiber coupling to the semiconductor photodiode (or optical power meter module).
  • 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.
  • the invention is therefore composed of a measuring device and a complementary measuring procedure that, while maintaining levels of assembly and maintenance simplicity, achieve an improvement in the performance of current products, such as very fast response dynamics, versatility and flexibility.
  • a measuring device and a complementary measuring procedure that, while maintaining levels of assembly and maintenance simplicity, achieve an improvement in the performance of current products, such as very fast response dynamics, versatility and flexibility.
  • greater dynamic range associated with the possibility of working with different sizes of fiber optic nuclei greater sensitivity thanks to the use of semiconductor photodiodes, lower complexity, and lower cost.
  • Figure 1. Shows a block diagram of the device object of the invention.
  • 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.
  • Figure 3.- Shows an example of embodiment of the device.
  • Figure 4. Shows an example of the stages of the procedure for measuring DNI throughout a day, represented by a flow diagram.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of the present invention is described below, with the aid of Figures 1 to 4, which defines a method and a measuring device, both for obtaining the solar irradiance that characterizes the intensity or magnitude of solar radiation that hits a certain point.
  • Figure 1 shows the block diagram of the device (1) for obtaining solar irradiance from a beam of sunlight (2), which falls on the end of an optical fiber (3).
  • the beam of sunlight (2) is fully characterized by its spectral irradiance E (l) and will vary depending on the geographical location of the measurement point, as well as the instant or time of the measurement (season of the year, month, day and hour).
  • 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).
  • the optical fiber (3) is characterized by its dimensions 2a / 2b, core (11) and sheath (12) diameters respectively and represented in detail in Figure 2, the core (11) and sheath (12) refractive indices , n t and n 2 , respectively, their attenuation coefficient per unit length a (2), and their length L.
  • the optical fiber (3) captures the portion of the sunlight 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 unit length characterized by (2)), which is directly connected to the optical power meter module (4).
  • the optical power meter module (4) comprises, as shown in figure 1, a semiconductor photodetector (6) characterized by its response function called responsivity 52 (2).
  • the semiconductor photodetector (6) provides an electric current proportional to the optical radiation that reaches it. Said electric current is amplified and converted into voltage by means of a transimpedance amplifier (7) which is subsequently digitized in an analog-digital converter (8).
  • the optical power meter module (4) provides at its output an optical power measurement proportional to the magnitude of optical radiation that has reached its input through the optical fiber (3), said measurement depending on the selected wavelength 2 ⁇ to set the value of the responsiveness 52 (2), which determines a conversion factor of photogenerated electric current at incident optical power. Consequently, the optical power measured by the optical power meter (4) will be equal to: where lth ⁇ h and lthac represent the minimum and maximum values of the spectral range in which the spectral irradiance of the incident sunlight beam extends (2).
  • the device (1) comprises a signal processing module (5) which in turn comprises, as shown in figure 1, a microprocessor (9) in charge of implementing the operating principle and the calibration process measurement, and a data acquisition module (10) in order to be able to continuously take and store measurements over time.
  • the signal processing module (5) houses software that develops the steps of the measurement procedure and the acquisition and storage of measurements over time with a specific sampling rate.
  • the signal processing module (5) has obtained the measurement of the optical power R or l. corresponding to the beam of sunlight (2), which within the acceptance cone of the optical fiber (3) is coupled to the core (11) thereof, the measurement procedure used by the device (1 ) of measurement already described, and that allows to obtain the measurement of the solar irradiance at the point of measurement (end of the optical fiber (3) exposed to the beam of sunlight (2)).
  • the measurement procedure comprises three basic stages, which are described below:
  • the optical power measurement provided by the optical power meter module (4) is taken as input data, that is, R or l. .
  • Step 1 Preparation of Solar Irradiance gross, 0 bru tam ⁇
  • the surface area of the core (11) of the optical fiber (3) exposed to the light beam A core which is the engaging surface of the beam sunlight (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 point of measurement, and which is denoted as gross Solar Irradiance (or also gross solar flux):
  • Stage 2 Measurement calibration - Calculation of the correction factor, FC i .
  • the Correction Factor necessary to calibrate the value of the gross Solar Irradiance takes into account three factors: one, the limited spectral response of the semiconductor photodetector (6) that in principle 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).
  • Stage 3 Obtaining the solar irradiance measurement, 0 measurement ⁇
  • FC A the calibration factor
  • 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 by means of a software algorithm in a computer or external computer.
  • the present invention therefore combines a measurement device (1) with a complementary measurement procedure to obtain the measurement of solar irradiance that affects a certain measurement point defined by the fraction of solar radiation contained within the cone. of acceptance determined by the numerical aperture of an optical fiber (3).
  • Figure 3 shows an implementation of the device ( 1) of measurement of the present invention, while in figure 4 a flow diagram of the measurement procedure that makes use of the device (1) of figure 3 is presented.
  • the implementation of the device (1) that is presented 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 50/125 mhi dimension index jump optical fiber (core (11) and sheath (12) diameters, respectively), numerical aperture 0.22, which translates into an acceptance angle of 12.70 ° (this angle defines the acceptance cone for coupling the sunlight beam (2) to the interior of the optical fiber (3), as represented in figure 2), attenuation coefficient per unit length a ( l), and fiber length equal to 20m.
  • the end of the optical fiber (3) exposed to the beam of sunlight (2) is mounted on a solar tracker (13), as appears in figure 3, in order to maintain the surface of the end of the optical fiber (3) in a perpendicular position to the direction of incidence of the sunlight beam (2) throughout the day, and thus ensure the condition of direct normal incidence.
  • the solar light beam (2) is characterized by its spectral irradiance pattern that determines the distribution of optical power throughout the spectrum (in this embodiment, ⁇ min is considered equal to 300nm and lthac equal to 4000nm), and that in general depends of the geographical location of the measurement point as well as the moment and instant in which the measurement is carried out (season of the year, month, day and hour).
  • the solar light beam (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.
  • 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) in charge of measuring the incident optical power that reaches its input .
  • the optical power meter module (4) comprises a Silicon photodetector (6), characterized by its responsiveness function R (A), a transimpedance amplifier (7) to increase the signal level, and an analog-digital converter (8 ) to digitize the measurement.
  • the optical power meter module (4) To convert the photogenerated electric current into optical power, it is necessary to enter in the optical power meter module (4) the value of the responsiveness for a specific wavelength A ⁇ (in this embodiment A ⁇ is taken equal to 635nm) , and hence the value of the optical power measurement provided by the optical power meter module (4), R or l. , depends on the value of A ⁇ selected.
  • the optical power value R or l. provided by the optical power meter (4) is introduced as input to the signal processor module (5) in order to obtain the value of the measurement of solar irradiance, which with this specific configuration of the device (1), corresponds with the DNI.
  • the signal processor block (5) houses a software that executes the steps of the measurement procedure in its microprocessor (9), implementing the principle of operation of the measurement and the procedure for calculating the correction factor for its calibration.
  • the data acquisition module (10) is in charge of taking the DNI measurement over time with a determined sampling rate and storing it.
  • 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.
  • the measurement procedure takes as input data the optical power measurement provided by the optical power meter module (4) continuously in time, P 0 A. (t), as indicated in the diagram block flow chart of Figure 4, labeled "MEASURE.” A detail of the measurements carried out throughout a whole day is represented inside this block to indicate the magnitudes of optical power (y-axis) acquired and the temporal resolution (x-axis).
  • step 1 of the measurement procedure the measurement operating principle is implemented to obtain a first gross estimate of direct solar irradiance, denoted as gross DNI. (t), using as data the measurement of P 0 A. (t) 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 m 2 .
  • this magnitude is represented throughout the daylight on a specific day.
  • 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 obtained numerically.
  • this correction factor FC the spectral irradiance pattern of the sunlight 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) are taken as data.
  • the correction factor FQ is calculated, which in this embodiment of the invention remains constant for the entire measurement day and equal to 1.2997.
  • Step 3 of the measurement procedure takes as input the value of the gross direct solar irradiance provided by Block 1, gross DNl ⁇ . t), and making use of the correction factor FC A. obtained in Block 2, calculates the value of the measurement of direct solar irradiance DNl (t) by means of the calibration procedure given by expression (400). Therefore, at the exit of Block 3 of the measurement procedure, represented in figure 4, the measurement of the direct solar irradiance function, 0 measurement (t) or DNI (t), is obtained throughout the day of a specific day.
  • 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 solar light beam (2) along the entire sunny day of a specific day.
  • This measurement provides the absolute value of the DNI magnitude, as well as its variations over time, with a temporal resolution that allows detecting atmospheric changes such as passing clouds or similar, with an immediate response time thanks to the optical nature of the principle of operation of the device.

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Abstract

En la que el dispositivo (1) comprende una fibra óptica (3), con un núcleo (11) y una cubierta (12), y en la que sobre un extremo incide un haz de luz solar (2); un módulo medidor de potencia óptica (4); y un módulo de procesado de señal (5). El procedimiento comprende las etapas de obtención de una o más medidas de potencia óptica, P0,λi,, obtención de la Irradiancia Solar bruta, ∅bruta, λi , como un cociente entre la potencia óptica, P0,λi y el área de la superficie del núcleo (11) de la fibra óptica (3) expuesto al haz de luz solar (2), cálculo de un factor de corrección, FCλi y obtención de una medida de irradiancia solar, como el producto entre la irradiancia solar bruta y el factor de corrección

Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE RADIOMETRÍA PARA LA MEDIDA DE
IRRADIANCIA SOLAR
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OBJETO DE LA INVENCIÓN
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.
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.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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.
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(l), 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(l) 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 Centré), 1373 W m~2 según la WMO {World Meteorológica! Organizatiorí) y 1353 W m~2 según la 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 ( scattering ) 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.
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:
Irradiancia Normal Directa o DNI (del inglés Direct Normal Irradiancé), para el haz de luz solar proveniente directamente del Sol y que es medida mediante un pirheliómetro montado sobre un seguidor solar.
Irradiancia Horizontal Difusa o DHI (del inglés Direct Horizontal Irradiancé), 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.
Irradiancia Horizontal Global o GHI (del inglés Global Horizontal Irradiancé), que considera toda la radiación solar proveniente del cielo y que es medida de forma general con un Piranómetro con un sensor horizontal.
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 Standardizatiorí) y la Organización Meteorológica Mundial (OMM o 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.
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:
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 10pW).
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.
En el sector de la meteorología los instrumentos más utilizados para la medida de la irradiancia solar son:
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). 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.
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.
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. 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.
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.
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.
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 WO2016/110606A1. 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.
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.
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.
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.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
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.
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.
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.
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.
Por tanto, el dispositivo de radiometría para la medida genérica de la irradiancia solar comprende:
- 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,
- 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.
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).
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.
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).
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.
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. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
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:
Figura 1.- Muestra un esquema de bloques del dispositivo objeto de invención.
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.
Figura 3.- Muestra un ejemplo de realización del dispositivo.
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.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
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.
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(l) 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). 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).
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), nt y n2, respectivamente, su coeficiente de atenuación por unidad de longitud a(2), y su longitud L.
Estos parámetros, representados en la figura 2, determinan: 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(0a ) = / n - nf , siendo qa el ángulo de aceptancia; el área de la superficie del núcleo (11) de la fibra óptica (3), Acore = p a2, por donde el haz de luz solar (2) entra, y se acopla, al interior de la fibra óptica (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(2)), el cual se conecta directamente al módulo medidor de potencia óptica (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 52(2). 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).
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 2¿ para fijar el valor de la responsividad 52(2), 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:
Figure imgf000013_0001
donde lthίh y lthac representan los valores mínimo y máximo del rango espectral en el que se extiende la irradiancia espectral del haz de luz solar incidente (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.
Una vez obtenida por el módulo de procesado de señal (5) la medida de la potencia óptica Ro l. 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)).
El procedimiento de medida comprende tres etapas básicas, que se describen a continuación:
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, Ro l..
Etapa 1: Obtención de la Irradiancia Solar bruta, 0brutaM· 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):
Figure imgf000014_0001
Etapa 2: Calibración de la medida -Cálculo del factor de corrección, FC i. 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).
Considerando E(l) el patrón de irradiancia espectral correspondiente al haz de luz solar (2), 3Z(l) la función de responsividad del fotodetector de semiconductor (6), la longitud de onda seleccionada en el módulo medidor de potencia óptica (4) para la conversión de corriente eléctrica a potencia óptica, a(l) 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:
Figure imgf000014_0002
Etapa 3: Obtención de la medida de irradiancia solar, 0medida· Una vez obtenido el factor de calibración FCA. 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:
Figure imgf000014_0003
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. 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).
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.
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 mhi (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(l), y longitud de fibra igual a 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.
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 Ámin igual a 300nm y lthac 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). 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.
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.
El módulo medidor de potencia óptica (4) comprende un fotodetector de Silicio (6), caracterizado por su función responsividad R(A), un amplificador de transimpedancia (7) para aumentar el nivel de señal, y un conversor analógico-digital (8) para digitalizar la medida.
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 A¿ (en esta realización se toma A¿ igual a 635nm), y de ahí que el valor de la medida de potencia óptica proporcionado por el módulo medidor de potencia óptica (4), Ro l., dependa del valor de A¿ seleccionado. El valor de potencia óptica Ro l. 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.
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.
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.
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, P0 A.(t) , 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).
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 DNIbruta .(t), utilizando como datos la medida de P0 A.(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, Acore, 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.
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, A¿, seleccionada en el módulo medidor de potencia óptica (4) para la medida de la potencia óptica Ro l..
Mediante la expresión (300), en el Bloque 2 del método de medida se calcula el factor de corrección FQ., que en este ejemplo de realización de la invención se mantiene constante para toda la jornada de medida e igual a 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, DNlbruta^. t), y haciendo uso del factor de corrección FCA. obtenido en el Bloque 2, calcula el valor de la medida de la irradiancia solar directa DNl(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.
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.

Claims

REIVINDICACIONES ispositivo (1) de radiometría para la medida de irradiancia solar que comprende:
- una fibra óptica (3) en la que sobre un extremo incide un haz de luz solar (2), y que comprende un núcleo (11) y una cubierta (12) que lo envuelve y que definen un cono de aceptancia,
- 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), comprendiendo el módulo medidor de potencia óptica (4) un fotodetector de semiconductor (6) configurado para proporcionar una corriente eléctrica proporcional a una radiación óptica recibida desde la fibra óptica (3), y
- un módulo de procesado de señal (5), conectado al módulo medidor de potencia óptica (4).
2.- El dispositivo (1) de la reivindicación 1, en el que el módulo medidor de potencia óptica comprende adicionalmente un amplificador de transimpedancia (7) conectado al fotodetector de semiconductor (6) configurado para convertir en una señal de voltaje la corriente eléctrica generada por el fotodetector de semiconductor (6).
3.- El dispositivo (1) de la reivindicación 2, 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 El dispositivo (1) de la reivindicación 1, en el que el módulo de procesado de señal (5) comprende adicionalmente un microprocesador (9).
5.- 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.- Procedimiento de radiometría para la medida de irradiancia solar, que hace uso del dispositivo (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y que comprende las etapas de: - obtención de una o más medidas de potencia óptica, Ro l. de un haz de luz solar (2) que incide en un extremo de una fibra óptica (3) con un núcleo (11) y una cubierta (12) que lo envuelve, y que definen un cono de aceptancia y un área de superficie expuesta al haz de luz solar (2),
- conversión, mediante un fotodetector de semiconductor (6), de la potencia óptica, Ro l. en una corriente eléctrica proporcional a la potencia óptica,
- obtención de una irradiancia solar bruta, 0brutaM’ como un cociente entre la potencia óptica, Ro l. y el área de la superficie expuesta del núcleo (11) de la fibra óptica (3), Acore, según la ecuación:
P, 0 L
0bruta,Ái ~ A core
- cálculo de un factor de corrección, FC . , que se obtiene según la ecuación:
Figure imgf000020_0001
siendo E(l) un patrón de irradiancia espectral correspondiente al haz de luz solar
(2), 3Z(l) una función de responsividad del fotodetector de semiconductor (6),
Figure imgf000020_0002
una longitud de onda seleccionada para la conversión de corriente eléctrica a potencia óptica, a(l) un coeficiente de atenuación por unidad de longitud de la fibra óptica
(3), y L la longitud de la fibra óptica (3), y
- obtención de una medida de irradiancia solar, 0medida, como un producto entre la irradiancia solar bruta y el factor de corrección, según la ecuación:
Figure imgf000020_0003
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