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ES2975458T3 - Método y sistema para proteger una superficie contra la bioincrustación - Google Patents

Método y sistema para proteger una superficie contra la bioincrustación Download PDF

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ES2975458T3
ES2975458T3 ES19768848T ES19768848T ES2975458T3 ES 2975458 T3 ES2975458 T3 ES 2975458T3 ES 19768848 T ES19768848 T ES 19768848T ES 19768848 T ES19768848 T ES 19768848T ES 2975458 T3 ES2975458 T3 ES 2975458T3
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light
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ES19768848T
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English (en)
Inventor
Jacobus Leijssen
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips NV
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Publication date
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Abstract

Se utiliza un sistema de iluminación antiincrustante para proteger una superficie (16) contra la bioincrustación mientras la superficie (16) está sumergida en agua. Se utiliza un sensor de agua sin contacto (60) para detectar agua y detectar así si una disposición de fuente de luz (26), o una parte de la disposición de fuente de luz (26), está sumergida o no en agua. La disposición de fuente de luz (26), o la parte de la disposición de fuente de luz (26), se controla dependiendo de la salida del sensor de agua (60). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema para proteger una superficie contra la bioincrustación
campo de la invención
La presente divulgación se refiere a métodos para prevenir la incrustación, o comúnmente denominados antiincrustantes, de superficies y a dispositivos para realizar estos métodos. La divulgación se refiere específicamente a métodos y dispositivos antiincrustantes del casco de barcos.
Antecedentes de la invención
La bioincrustación o incrustación biológica es la acumulación de microorganismos, plantas, algas y/o animales en las superficies. La variedad entre los organismos bioincrustantes es muy diversa y se extiende mucho más allá de la unión de percebes y algas marinas. Según algunas estimaciones, más de 1700 especies que comprenden más de 4000 organismos son responsables de la bioincrustación. La bioincrustación se divide en microincrustación, que incluye la formación de biopelículas y adhesión bacteriana, y macroincrustación, que es la unión de organismos más grandes. Debido a la química y biología distintivas que condicionan lo que impide que los organismos se establezcan, estos organismos también se clasifican como tipos de incrustaciones duras o blandas.
Los organismos incrustantes calcáreos (duros) incluyen percebes, briozoos incrustantes, moluscos, poliquetos y otros gusanos tubulares, y mejillones cebra. Ejemplos de organismos incrustantes no calcáreos (blandos) son las algas marinas, los hidroides, las algas y el "limo" de biopelículas. Juntos, estos organismos forman una comunidad incrustante.
En varias circunstancias, la bioincrustación crea problemas sustanciales. La maquinaria deja de funcionar, las entradas de agua se obstruyen y los cascos de los barcos sufren una mayor resistencia. De ahí que sea bien conocido el tema del antiincrustante, es decir, el proceso de eliminar o prevenir la formación de incrustaciones.
En los procesos industriales, se pueden utilizar biodispersantes para controlar la bioincrustación. En ambientes menos controlados, los organismos se matan o se repelen con revestimientos que utilizan biocidas, tratamientos térmicos o pulsos de energía. Las estrategias mecánicas no tóxicas que impiden que los organismos se adhieran incluyen la elección de un material o revestimiento con una superficie resbaladiza, o la creación de topologías de superficie a nanoescala similares a la piel de tiburones y delfines que solo ofrecen puntos de anclaje deficientes.
Por ejemplo, la bioincrustación en el casco de los barcos provoca un fuerte aumento de la resistencia y, por tanto, un aumento del consumo de combustible. Se estima que un aumento de hasta el 40% en el consumo de combustible puede atribuirse a la bioincrustación. Dado que los grandes petroleros o buques de transporte de contenedores pueden consumir hasta 200,000 € al día en combustible, es posible lograr ahorros sustanciales con un método eficaz de lucha contra la bioincrustación.
El documento WO 2014/188347 divulga un método y un sistema para prevenir la bioincrustación en el que toda una superficie, o una cantidad significativa de una superficie, que se va a mantener limpia de incrustaciones (por ejemplo, el casco de un barco) se cubre con una capa que emite luz germicida, en particular luz UV. Así, es conocido adoptar un método óptico, en particular utilizando luz ultravioleta (UV). Es bien sabido que la mayoría de los microorganismos mueren, se vuelven inactivos o no pueden reproducirse con suficiente luz UV. Este efecto se rige principalmente por la dosis total de luz UV. Una dosis típica para matar el 90% de un determinado microorganismo es de 10 mW-hora por metro cuadrado.
Ultravioleta (UV) es la parte de la luz electromagnética limitada por el extremo de longitud de onda inferior del espectro visible y la banda de radiación de rayos X. El rango espectral de la luz UV está por definición entre 100 y 400 nm y es invisible para el ojo humano. Según la clasificación CIE, el espectro UV se subdivide en tres bandas:
UVA (onda larga) de 315 a 400 nm
UVB (onda media) de 280 a 315 nm
UVC (onda corta) de 100 a 280 nm
Se conocen diversas fuentes de luz para generar UV, como lámparas de descarga de mercurio de baja presión, lámparas de descarga de mercurio de presión media y lámparas de descarga de barrera dieléctrica.
Una opción preferida, por ejemplo, la propuesta en el documento WO 2014/188347, son los LED UV de bajo coste y menor potencia. Los LED generalmente se pueden incluir en paquetes más pequeños y consumen menos energía que otros tipos de fuentes de luz. Los LED se pueden fabricar para emitir luz (UV) de varias longitudes de onda deseadas y sus parámetros operativos, en particular la potencia de salida, se pueden controlar en alto grado. Con los LED UV existentes se puede conseguir fácilmente una dosis germicida adecuada.
La mayoría de los paneles de iluminación están siempre debajo del nivel del agua. Sin embargo, los paneles de agua cercanos al nivel del agua pueden emitir luz parcialmente por encima del nivel del agua. Esto depende del calado del barco. La intensidad de la luz UV-C propagada a través del aire en una proximidad cercana (por ejemplo, a menos de 2 m) puede estar por encima del límite de seguridad para la exposición máxima de los seres humanos.
El documento WO 2016/193114 divulga una solución a este problema en la que se cierra un interruptor de agua para permitir el suministro de corriente a las fuentes de luz. El interruptor de agua utiliza la conductividad eléctrica del agua para formar un acoplamiento galvánico entre los terminales del interruptor.
Sin embargo, este enfoque significa que se sacrifican las ventajas del aislamiento galvánico total del circuito de iluminación del barco y del agua. Los contactos galvánicos con el agua de mar tendrán problemas con la entrada de agua, pero también son menos seguros para el aislamiento de seguridad eléctrica y la erosión del panel de iluminación debido a la formación de gas a través de la electrólisis.
Sigue existiendo la necesidad de una forma mejorada de controlar la luz para evitar el accionamiento de fuentes de luz que no están sumergidas en agua.
Sumario de la invención
La invención está definida por las reivindicaciones.
Según ejemplos de acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un panel de iluminación antiincrustante para montar sobre una superficie para proteger la superficie contra la bioincrustación mientras la superficie está sumergida en agua, que comprende:
una disposición de fuente de luz que comprende una pluralidad de porciones;
un sensor de agua sin contacto para detectar agua y percibir así si cada porción de la disposición de fuente de luz está sumergida o no en agua; y
un controlador para controlar cada porción de la disposición de fuente de luz dependiendo de la salida del sensor de agua con respecto a la porción respectiva.
Por lo tanto, este panel de iluminación incorpora un sensor de agua de modo que la salida de luz pueda controlarse dependiendo de si hay agua sobre la disposición de fuente de luz (en particular, porciones de esta). Esto ahorra energía cuando no se necesita la salida de la fuente de luz y evita la salida de luz a través del aire. El aire da como resultado una menor atenuación de la salida de luz, y puede ser deseable evitar que esta salida de luz alcance objetos (tales como personas) lo suficientemente cerca de la superficie como para que fueran iluminados por la salida de luz.
El término "sin contacto" significa que el sensor, en particular los componentes eléctricamente conductores del sensor, no está en contacto con el agua que se va a detectar. Por lo tanto, la detección se basa en cambios en la permitividad dieléctrica, la permeabilidad magnética o las características ópticas en las proximidades del sensor, pero no en contacto con el sensor. Por lo tanto, la detección puede basarse en la detección remota del agua sin contacto. La detección no utiliza la conductividad eléctrica del agua, sino que se basa en otras propiedades que pueden consultarse de forma remota, utilizando campos eléctricos, campos magnéticos o iluminación óptica. Esto evita la necesidad de proteger los componentes del sensor del agua salada. En cambio, se puede utilizar el mismo material protector que rodea las fuentes de luz para proteger el sensor de agua.
Por lo tanto, un revestimiento exterior protector (que estará en contacto con el agua que se detecta) no debe considerarse parte del sensor. El panel de iluminación comprende así una capa protectora eléctricamente aislante entre el sensor y el agua a detectar. Esta capa eléctricamente aislante puede comprender un lado de un encapsulado que rodea el panel de iluminación.
Preferiblemente, el controlador está adaptado para apagar la disposición de fuente de luz, o la porción de la disposición de fuente de luz, cuando no está sumergida en agua. Por lo tanto, no se proporciona salida de luz a través del aire. Una alternativa es reducir la intensidad, pero no apagar completamente, la disposición de fuente de luz (o porción de esta).
La disposición de fuente de luz comprende una pluralidad de filas de fuentes de luz, comprendiendo cada fila una de dichas porciones de la disposición de fuente de luz, en el que se proporciona un sensor de agua para cada fila. Por ejemplo, se pretende que las filas sean horizontales en su uso, de modo que un nivel de agua, por ejemplo, alrededor del casco de un barco, dará como resultado que se sumergen diferentes filas de fuentes de luz, dependiendo de la carga del barco y el calado del barco. De este modo, la salida de luz puede controlarse dinámicamente.
El sensor de agua puede comprender un sensor capacitivo, que comprende una almohadilla de detección, un electrodo de tierra y un circuito de lectura de capacitancia. La capacitancia que se lee estará influenciada por la presencia de agua. En particular, el electrodo de tierra y la almohadilla de detección están diseñados de manera que la presencia o ausencia de agua suponga una diferencia material y mensurable en la permitividad que surge entre el electrodo de tierra y la almohadilla de detección.
En cambio, el sensor de agua puede comprender un sensor inductivo, que comprende un circuito oscilador, una bobina del sensor, un blindaje de tierra que tiene una abertura que está expuesta al agua cuando el sensor de agua está sumergido y un circuito detector de frecuencia. La presencia o ausencia de agua en las proximidades de la abertura modifica entonces el acoplamiento magnético y, por tanto, la frecuencia de oscilación.
El panel de iluminación puede comprender además un receptor de potencia inductivo que comprende uno o más devanados para alineación con uno o más devanados primarios de un transmisor de potencia inductivo. Por tanto, el panel de iluminación se alimenta mediante transferencia de energía inductiva inalámbrica.
La invención también proporciona un sistema de iluminación antiincrustante que comprende:
un transmisor de potencia inductivo para montar sobre la superficie y que comprende uno o más devanados primarios; y
un panel de iluminación como se define anteriormente para montar sobre el transmisor de potencia inductivo, y que comprende un receptor de potencia inductivo que comprende uno o más devanados para alineación con uno o más devanados primarios.
Este sistema crea un transformador con aislamiento galvánico entre la fuente de energía y el panel de iluminación.
El transmisor de potencia inductivo se monta, por ejemplo, contra la superficie y el panel de iluminación se monta sobre el transmisor de potencia inductivo. El panel de iluminación con aislamiento galvánico es, por tanto, la capa exterior.
El transmisor de potencia inductivo puede comprender una regleta de enchufes alargada, y el panel de iluminación comprende una región de borde que se superpone a la regleta de enchufes alargada, estando formado el receptor de potencia inductivo en la región de borde. Por tanto, la bobina o bobinas ocupan un área relativamente pequeña del panel de iluminación. Se puede formar una rejilla a partir de regletas de enchufes (por ejemplo, dispuestas verticalmente) y paneles de iluminación (por ejemplo, dispuestos horizontalmente).
El transmisor de potencia inductivo comprende, por ejemplo, una lámina de ferrita debajo de los devanados primarios, es decir, entre la superficie a proteger y los devanados. De este modo, la eficiencia del sistema se puede mantener alta, por ejemplo, cerca del 50%. La lámina de ferrita se encuentra entre la superficie, por ejemplo, el casco de un barco, y los devanados primarios del transformador inductivo, para evitar corrientes de Foucault a través del casco conductor (u otra capa conductora que defina la superficie a proteger).
El receptor de potencia inductivo, por ejemplo, comprende devanados secundarios formados sobre o dentro de una placa de circuito impreso. El material de PCB suele ser un absorbente de la luz UV generada, por lo que debe tener el área más pequeña posible. También debe ser delgado para mantener la flexibilidad.
El panel de iluminación, por ejemplo, tiene un espesor inferior a 5 mm, por ejemplo, inferior a 4 mm, por ejemplo, inferior a 3 mm. Este espesor normalmente incluye la placa de circuito impreso y un revestimiento protector.
Por ejemplo, el panel de iluminación comprende un revestimiento de silicona. Este revestimiento puede realizar una función óptica, por ejemplo, guía de luz, así como una función protectora. Puede seleccionarse para que tenga una transparencia relativamente alta a la luz UV generada.
El transmisor de potencia inductivo comprende, por ejemplo, un circuito resonante con una frecuencia de resonancia de 50 kHz a 1<m>H<z>, por ejemplo, de 50 kHz a 200 kHz, por ejemplo, de 60 kHz a 90 kHz.
La disposición de la fuente de luz, por ejemplo, comprende una serie de LED UV-C con una longitud de onda de entre 270 nm y 280 nm.
El sistema puede comprender una pluralidad de transmisores de potencia inductivos y una pluralidad de paneles de iluminación. Un transmisor de potencia inductivo puede estar asociado con uno o más paneles de iluminación.
La invención también proporciona un método para proteger una superficie contra la bioincrustación cuando la superficie está sumergida en agua operando una disposición de fuente de luz para generar luz antiincrustante, comprendiendo el método:
detectar agua mediante detección sin contacto (inductivo o capacitivo) para percibir así si porciones de la disposición de fuente de luz están sumergidas o no en agua; y
controlar cada porción de la disposición de fuente de luz dependiendo de la salida del sensor de agua con respecto a la porción respectiva.
El método puede comprender apagar la disposición de fuente de luz, o la porción de la disposición de fuente de luz, cuando no está sumergida en agua.
La disposición de fuente de luz puede comprender una pluralidad de filas de fuentes de luz, comprendiendo cada fila una de dichas porciones de la disposición de fuente de luz, en el que el método comprende detectar agua en las proximidades de cada fila.
Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y dilucidados con referencia a las realizaciones que se describen a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la invención y para mostrar más claramente cómo se puede llevar a la práctica, ahora se hará referencia, sólo a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra un sistema de iluminación antiincrustante aplicado a un barco para proteger la superficie del barco en contacto con el agua, es decir, la superficie del casco;
La figura 2 muestra una sección transversal (en un plano horizontal) a través de los transmisores de potencia inductivos y los paneles de iluminación;
La figura 3 muestra las disposiciones de bobinas con más detalle;
La figura 4 muestra un ejemplo de la estructura del panel de iluminación;
La figura 5 muestra un panel de iluminación visto desde la superficie emisora de luz;
La figura 6 muestra un primer ejemplo de un circuito sensor de agua sin contacto basado en detección de capacitancia; La figura 7 muestra los componentes de la figura 6 integrados en el panel de iluminación;
La figura 8 muestra un segundo ejemplo de circuito sensor de agua sin contacto basado en detección de inductancia magnética; y
La figura 9 muestra un tercer ejemplo, no cubierto por las reivindicaciones, de un circuito sensor de agua sin contacto basado en detección óptica.
Descripción detallada de las realizaciones
La invención se describirá con referencia a las figuras.
Debe entenderse que la descripción detallada y los ejemplos específicos, si bien indican realizaciones ejemplares del aparato, sistemas y métodos, están destinados a fines ilustrativos únicamente y no pretenden limitar el alcance de la invención. Estas y otras características, aspectos y ventajas del aparato, sistemas y métodos de la presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente descripción, las reivindicaciones y los dibujos adjuntos. Debe entenderse que las figuras son meramente esquemáticas y no están dibujadas a escala. También debe entenderse que se utilizan los mismos números de referencia en todas las figuras para indicar partes iguales o similares.
La invención proporciona un sistema de iluminación antiincrustante utilizado para proteger una superficie contra la bioincrustación mientras la superficie está sumergida en agua. Se utiliza un sensor de agua sin contacto para detectar agua y percibir así si la disposición de fuente de luz, o una porción de la disposición de fuente de luz, está sumergida o no en agua. La disposición de fuente de luz, o la porción de la disposición de fuente de luz, se controla dependiendo de la salida del sensor de agua.
La figura 1 muestra un sistema de iluminación antiincrustante, que puede adaptarse según la invención, aplicado a un barco 1, para proteger la superficie del barco en contacto con el agua, es decir, la superficie del casco.
El sistema antiincrustante comprende un conjunto de transmisores 10 de potencia inductivos montados sobre la superficie. Toman la forma de líneas de alimentación de energía que se extienden verticalmente contra el casco. En los extremos superiores, las líneas de alimentación se conectan a una fuente de energía eléctrica (no mostrada). Cada uno de los transmisores de potencia inductivos comprende un conjunto de uno o más devanados primarios. Un conjunto de devanados primarios (ya sea que haya uno o más de un devanado) se denomina bobina primaria en este documento.
También está montado sobre la superficie un conjunto de paneles 20 de iluminación. Cada uno de los paneles de iluminación comprende una disposición de fuente de luz y un receptor de potencia inductivo con un conjunto de uno o más devanados secundarios para alineación con el conjunto de devanados primarios. Un conjunto de devanados secundarios (ya sea que haya uno o más de un devanado) se denomina bobina secundaria en este documento. Así, el término "bobina" se utiliza generalmente para indicar un conjunto de devanados que forman un lado de un transformador.
Como quedará claro a partir de la descripción siguiente, puede haber múltiples bobinas en cada línea de alimentación de energía, por ejemplo, una o más bobinas a lo largo de la línea de alimentación de energía en la ubicación de cada panel de iluminación.
La figura 2 muestra una sección transversal (en un plano horizontal) a través de las líneas de alimentación de energía (los transmisores 10 de potencia inductivos) y a través de los paneles 20 de iluminación. Los transmisores de potencia inductivos comprenden una bobina 12 primaria y una lámina 14 de ferrita entre los devanados de la bobina primaria y el metal del casco 16 del barco. La superficie 18 del casco es la superficie que debe protegerse contra incrustaciones. Las láminas de ferrita evitan las corrientes de Foucault en el metal del casco 16 del barco, aumentando así la eficiencia de la transferencia de energía.
En el ejemplo mostrado, la superficie 18 está esencialmente cubierta por completo por los paneles de iluminación. De este modo, la superficie 18 está protegida por los paneles de iluminación, y es la superficie expuesta de los paneles de iluminación la que es vulnerable a la incrustación. Así, la iluminación proporcionada por los paneles de iluminación tiene como objetivo impedir la formación de organismos incrustantes en la superficie de los paneles de iluminación.
Sin embargo, esto todavía debe entenderse como la formación de un sistema para proteger la superficie del casco contra la bioincrustación (en el sentido de que, sin el sistema de iluminación, la superficie del casco sufrirá bioincrustación).
Una disposición alternativa puede tener, por ejemplo, paneles de iluminación que sólo cubran una pequeña fracción de la superficie a proteger, y la luz se dirija o guie hacia la superficie a proteger. En tal caso, una parte importante de la superficie del casco está efectivamente expuesta al agua y, por tanto, susceptible a la bioincrustación.
En el ejemplo mostrado en la figura 2, los transmisores 10 de potencia inductivos están montados contra la superficie 18 del casco y los paneles 20 de iluminación están montados sobre los transmisores de potencia inductivos.
En particular, una región 22 de borde de cada panel 20 de iluminación se superpone a las líneas de alimentación. Los paneles 20 de iluminación presentan en cada caso una bobina 24 secundaria situada en esta región de borde y una disposición 26 de fuente de luz.
Los devanados secundarios están alineados con los devanados primarios para proporcionar transferencia de energía inductiva. La potencia transmitida de forma inalámbrica es utilizada por los paneles 20 de iluminación para alimentar las disposiciones 26 de fuentes de luz.
Las bobinas primarias pueden formarse sobre o dentro de una placa de circuito impreso de las líneas de alimentación, y las bobinas secundarias también pueden formarse sobre o dentro de una placa de circuito impreso del panel de iluminación. La disposición de fuente de luz también puede formarse en una placa de circuito impreso, que puede estar separada o ser la misma que la placa de circuito impreso de las bobinas secundarias. Una placa de circuito impreso flexible compartida puede, por ejemplo, permitir que los paneles de iluminación se adapten al contorno de las líneas de alimentación subyacentes. En su lugar, puede haber placas de circuito impreso separadas en el panel de iluminación y una conexión eléctrica entre ellas.
Alternativamente, la disposición de fuente de luz puede formarse como una estructura de rejilla de alambre. Esto reduce el área de la PCB, ya que solo se necesita una PCB para las bobinas secundarias.
Las placas de circuito impreso no se muestran en las figuras, para mantener simple la estructura mostrada.
Las bobinas primarias de los transmisores 10 de potencia inductivos pueden recibir, por ejemplo, una onda sinusoidal de 100 kHz a 150 kHz durante el funcionamiento del sistema emisor de luz. Para compensar una corriente de fuga capacitiva al casco 16 en la posición de las líneas de alimentación, las líneas de alimentación pueden estar provistas además de un condensador para implementar un filtro de paso bajo. Esto es interesante, por ejemplo, si se utilizan amplificadores conmutados de alta eficiencia para generar el suministro de AC. En tal caso, el filtro de paso bajo se utiliza para eliminar los armónicos de frecuencia más alta de los amplificadores.
Una alternativa es utilizar un circuito resonante para generar el suministro de AC. Por ejemplo, cada línea de alimentación puede comprender un circuito resonante, basado en un circuito resonante capacitivo, con una resonancia en el intervalo de 60 kHz a 90 kHz.
Generalmente, la frecuencia de funcionamiento (resonante o activada) puede estar en el intervalo de 50 kHz a 1 MHz, por ejemplo, de 50 kHz a 200 kHz, por ejemplo, de 60 kHz a 90 kHz.
La figura 3 muestra las disposiciones de las bobinas.
El ejemplo de la figura 2 tiene los paneles de iluminación superpuestos a una línea de alimentación asociada en un borde. En la figura 3, los paneles 20 de iluminación se superponen a las líneas 10 de alimentación en ambos bordes laterales, y cada línea 10 de alimentación tiene pares de bobinas primarias dispuestas a lo largo de su longitud. Una bobina de un par sirve para alimentar un panel de iluminación en un lado y la otra bobina del par sirve para alimentar un panel de iluminación en el otro lado. De esta forma, cada panel de iluminación se alimenta con energía desde ambos lados.
Todas las bobinas de las líneas de alimentación pueden tener la misma fase, lo que contribuye a la redundancia eléctrica del sistema 40 emisor de luz. Las disposiciones 26 de fuentes de luz aún pueden funcionar en su totalidad si se rompe una línea de alimentación. A ese respecto, las líneas de alimentación pueden diseñarse para suministrar energía eléctrica a un nivel aumentado dos veces el nivel normal.
Por lo tanto, puede haber un conjunto de bobina (es decir, bobina primaria y bobina secundaria) por panel de iluminación (figura 2) o dos conjuntos de bobina por panel de iluminación (figura 3).
Por ejemplo, puede haber entre 2 y 50 paneles de iluminación por línea de alimentación, por ejemplo 20 filas de baldosas individuales conectadas a una línea de alimentación.
En el ejemplo mostrado, las líneas de alimentación se extienden en una orientación sustancialmente vertical a lo largo del costado del barco. Sin embargo, es posible cualquier disposición adecuada de las líneas de alimentación. Las líneas de alimentación pueden cubrir, por ejemplo, costuras de soldadura y/u otras irregularidades de la superficie del casco del barco.
La figura 4 muestra un ejemplo de la estructura del panel 20 de iluminación, que tiene una pluralidad de fuentes 40 de luz que en este ejemplo son LED UV-C de emisión lateral, en el que la luz se emite principalmente desde un lado del LED, y más o menos paralela a la superficie. Las fuentes 40 de luz están encapsuladas en un medio 42 óptico hermético a los líquidos para guiar al menos parte de la luz 44 emitida desde las fuentes 40 de luz a través de una reflexión interna total a través del medio óptico.
Se proporcionan estructuras 46 ópticas para interrumpir la reflexión interna total y dispersar la luz, y luego guiar la luz 48 dispersada fuera del medio 42 óptico hacia un objetivo de la luz, que es un área donde está presente un organismo bioincrustante.
Un organismo bioincrustante en la superficie 52 recibirá directamente la luz 48 dispersada antes de entrar al agua.
Además, parte de la luz 48 dispersada internamente que entra en el agua encontrará sitios de dispersión externos. Esto crea iluminación 50 dentro del agua, parte de la cual también se reflejará de regreso a la superficie 52 del panel 20 de iluminación donde se debe evitar la bioincrustación.
La iluminación significa que los biomecanismos unicelulares en la superficie 52 dejarán de crecer y dividirse y, por lo tanto, morirán bajo la influencia de la luz UV-C.
El medio óptico es relativamente delgado de modo que se puede considerar que el panel de iluminación es una estructura bidimensional. Las estructuras 46 ópticas para dispersar la luz pueden estar repartidas en una o más porciones del material del medio óptico, posiblemente por todo el mismo, y la salida de luz puede ser generalmente homogénea o bien localizada.
Se pueden combinar centros de dispersión internos con diferentes propiedades estructurales para proporcionar características ópticas y estructurales, tales como resistencia al desgaste y/o impacto. Los dispersores adecuados comprenden objetos opacos, pero también se pueden usar objetos en gran medida translúcidos, por ejemplo, pequeñas burbujas de aire, vidrio y/o sílice; un requisito es simplemente que se produzca un cambio en el índice de refracción para las longitudes de onda utilizadas.
El principio de guiar y difundir la luz sobre una superficie es bien conocido y ampliamente aplicado en diversos campos. En este caso, el principio se aplica a la luz UV con fines antiincrustantes.
Para mantener las condiciones de reflexión interna total, el índice de refracción del material conductor de luz debe ser mayor que el del medio circundante. Sin embargo, el uso de revestimientos (parcialmente) reflectantes en la guía de luz y/o el uso de las propiedades reflectantes de la superficie protegida, por ejemplo, el propio casco de un barco también se puede utilizar para establecer las condiciones para guiar la luz a través del medio óptico.
En el ejemplo anterior, los paneles de iluminación forman una nueva superficie sobre la superficie a proteger y la luz se dirige hacia afuera desde la superficie a proteger. Sin embargo, una alternativa es que el panel de iluminación esté espaciado sobre la superficie a proteger y dirigir la luz hacia la superficie a proteger.
Entonces se puede introducir un pequeño espacio de aire entre la disposición de la fuente de luz del panel de iluminación y la superficie a proteger. La luz UV puede viajar mejor, con menos absorción, en el aire que, en un medio óptico, incluso cuando este medio óptico está diseñado como material conductor de luz.
Como la mayoría de los materiales tienen una transmitancia (muy) limitada de luz UV, se debe tener cuidado en el diseño del medio óptico. Como resultado, se puede elegir un paso relativamente fino de LED de baja potencia, para minimizar la distancia que la luz tiene que recorrer a través del medio óptico.
En un ejemplo, el medio 42 óptico comprende una silicona, y una que está diseñada para tener buena transparencia UV-C.
Se puede usar una encapsulación sólida, como se muestra en la figura 4. Sin embargo, se puede usar una estructura hueca, como una estera de silicona con espaciadores que la mantienen a una pequeña distancia de la superficie protegida. Esto crea canales de aire a través de los cuales la luz UV puede propagarse con mayor eficiencia. El uso de canales llenos de gas proporcionados por tales estructuras permite distribuir la luz UV a lo largo de distancias significativas en un medio óptico de material que de otro modo absorbería la luz UV con demasiada fuerza para ser útil como antiincrustante. De manera similar, pueden formarse bolsillos separados.
La figura 5 muestra un panel 20 de iluminación visto desde el frente. El panel de iluminación comprende una matriz bidimensional de los LED 40 y la bobina 24 primaria en una región 22 de borde.
Los LED 40 están dispuestos como una pluralidad de filas. De acuerdo con la invención, el panel o más preferiblemente cada fila de LED dentro del panel tiene un sensor 60 de agua. Los LED 40 se proporcionan en una placa de circuito impreso, y las pistas de la placa de circuito impreso también definen los devanados de la bobina 24 secundaria. El sensor de agua se puede proporcionar en la PCB, haciendo uso de componentes montados y/o componentes formados por pistas de PCB.
La salida del sensor de agua se utiliza para controlar la disposición de fuentes de luz, en particular la fila asociada de fuentes de luz de la disposición de fuentes de luz, dependiendo de la salida del sensor de agua.
La salida del sensor de agua puede, por ejemplo, controlar directamente un interruptor de interrupción, en cuyo caso el interruptor funciona como un controlador. Alternativamente, puede haber un controlador separado, como un IC, al que se proporcionan las salidas del sensor. Luego, el controlador IC proporciona señales de control a los interruptores de aislamiento o puede proporcionar un control analógico de la salida de luz.
En la implementación más simple, se utiliza un circuito MOSFET simple como interruptor y la salida del sensor de agua controla la puerta del circuito MOSFET. Entonces se puede considerar que el circuito MOSFET es el controlador. El controlador (ya sea un interruptor o un controlador IC) está preferentemente adaptado para apagar la disposición de fuente de luz, o la porción de la disposición de fuente de luz, cuando no está sumergida en agua. Sin embargo, una alternativa es reducir la intensidad de salida de luz, por ejemplo, aumentando una impedancia en serie con las fuentes 40 de luz en la fila.
El sensor de agua no depende del contacto físico con el agua y, por lo tanto, no utiliza la conductividad eléctrica del agua. En cambio, es un sensor sin contacto que se basa en cambios en un campo eléctrico, campo magnético o características ópticas que dependen de la presencia o ausencia de agua en las proximidades del sensor.
Un primer ejemplo de un posible sensor de agua es un sensor capacitivo. En la figura 6 se muestra un ejemplo, que comprende una almohadilla 70 de detección y un electrodo 72 de tierra, y un circuito 74 de lectura de capacitancia. Dichos circuitos de lectura son bien conocidos, por ejemplo, para detección de almohadilla táctil.
Un voltaje de entrada es regulado por un regulador 76 de voltaje y entregado a un capacitor C1 de referencia. El voltaje a través de una capacitancia a detectar Cs se proporciona a un terminal de detección del circuito 74 de lectura. No es necesario que la almohadilla de detección esté en contacto con el agua. En cambio, siempre que la presencia o ausencia de agua influya en la capacitancia entre la almohadilla 70 de detección y el electrodo 72 de tierra, se puede percibir la presencia de agua.
La figura 7 muestra la disposición de los componentes en el panel de iluminación. La almohadilla 70 de detección está enterrada en el material óptico del panel, pero la presencia de agua en la superficie influye en el acoplamiento dieléctrico entre la almohadilla 70 de detección y el electrodo 72 de tierra.
Un segundo ejemplo de un posible sensor de agua es un sensor inductivo. En la figura 8 se muestra un ejemplo. El sensor comprende un circuito 80 oscilador y una bobina 82 del sensor. La bobina del sensor está cubierta por un blindaje 83 de tierra conductor (que forma un blindaje de Faraday) que tiene una abertura 84. Esta abertura 84 queda expuesta al agua cuando el sensor de agua está sumergido. Sin embargo, el bucle del sensor no está expuesto al contacto directo con el agua. Entre la bobina y el agua hay una capa protectora aislante, es decir, el material óptico en el que está encapsulado el panel de iluminación. De este modo se evita el contacto directo entre el agua y cualquier parte eléctricamente conductora del sensor, como por ejemplo la bobina del sensor. El bucle del sensor funciona como una antena de bucle. El oscilador, por ejemplo, funciona entre 50MHz y 500MHz. Un cambio en la permeabilidad magnética en las proximidades del espacio provoca un cambio en la frecuencia, que es detectado por un circuito 86 detector de frecuencia.
La funcionalidad del sensor puede incorporarse a un circuito integrado o puede formarse utilizando pistas de la PCB.
Se pueden encontrar más detalles de este enfoque de detección en un campo técnico diferente en el documento WO 2018/202486. El cambio de frecuencia es el resultado de campos magnéticos inducidos por corrientes de Foucault. Estas corrientes de Foucault dependen de la permeabilidad magnética (es decir, la impedancia magnética) del material en las proximidades de la abertura 84. Por lo tanto, se puede considerar que el sensor es un sensor de impedancia magnética.
Un tercer ejemplo de un posible sensor de agua, no cubierto por las reivindicaciones, es un sensor óptico. En la figura 9 se muestra un ejemplo.
El sensor comprende una fuente 40 de luz del sensor y un detector 90 óptico. La fuente 40 de luz puede ser una de las fuentes de luz UV-C, o puede ser una fuente de luz dedicada seleccionada específicamente para la función de detección óptica.
El detector 90 óptico sirve para recibir luz reflejada desde el agua o el aire, o desde el límite del índice de refracción hacia el agua o el aire. El detector de luz está cubierto por una porción de la encapsulación.
Por ejemplo, la luz emitida en un cierto ángulo puede propagarse en el agua o puede reflejarse en la interfaz del índice de refracción cuando hay aire presente. Por tanto, la detección de reflexión interna total se puede utilizar para percibir la presencia de una interfaz de aire y, por tanto, detectar cuando el panel de iluminación no está sumergido. Si hay una fina capa de agua sobre el sensor (aunque el sensor no esté sumergido), aún se puede detectar una reflexión interna total desde la interfaz agua-aire más externa. Por tanto, no es necesario que el sensor esté totalmente seco para percibir aire.
Un filtro direccional 92 puede garantizar que sólo se detecte luz en la dirección de detección requerida. De manera similar, se puede usar un filtro de color para filtrar luz de una longitud de onda particular para que corresponda a una fuente 40 de luz dedicada del sensor óptico.
En cambio, un sensor óptico puede detectar retrodispersión (en lugar de reflexión de un límite de índice de refracción). La retrodispersión del agua creará una señal de mayor intensidad luminosa que la retrodispersión del aire.
Por tanto, son posibles diferentes enfoques de detección óptica.
De ello se desprende que existen tres métodos principales sin contacto para determinar el nivel del agua junto al barco y, en consecuencia, apagar las fuentes de luz. Estos se basan en la detección capacitiva, la detección inductiva y la detección óptica (que pueden utilizar la luz UV-C u otra luz específicamente para la detección óptica).
Una corriente típica del lado secundario es de 0.1 A y un voltaje típico deseado del lado secundario es de alrededor de 40 V. Por seguridad, se puede considerar una tensión máxima de 50 V rms (solo a modo de ejemplo). El sistema está diseñado u opera por debajo de la tensión máxima, teniendo en cuenta todas las características del acoplamiento inductivo y la dispersión de corrientes. Para un voltaje de funcionamiento determinado, la corriente requerida depende de la potencia requerida. Un voltaje más alto permite una corriente más baja y viceversa.
Las líneas de alimentación, por ejemplo, utilizan una PCB con un espesor inferior a 1 mm, por ejemplo 0.5 mm, creando un espesor de estructura moldeada de aproximadamente 3 mm.
Los paneles de iluminación, por ejemplo, tienen un espesor de PCB de 0.8 mm y un espesor total con silicona inferior a 5 mm, por ejemplo, en el intervalo de 2 mm a 4 mm.
La invención es de particular interés para objetos marinos, aunque no se limita a objetos para uso en agua de mar, sino también en cualquier tipo de agua que se sepa que contiene organismos bioincrustantes. Ejemplos de objetos marinos incluyen barcos y otras embarcaciones, estaciones marinas, instalaciones marítimas de petróleo o gas, dispositivos de flotabilidad, estructuras de soporte para turbinas eólicas en el mar, estructuras para recolectar energía de las olas o mareas, cofres marinos, herramientas submarinas, etc.
En ejemplos preferidos, las fuentes de luz son LED UV como se explicó anteriormente. Se puede encapsular una rejilla de LED UV en una encapsulación hermética a los líquidos, de la cual la silicona es solo un ejemplo. Los LED UV pueden estar conectados eléctricamente en serie y/o en paralelo. Los LED UV son, por ejemplo, LED empaquetados de montaje en superficie, en cuyo caso ya pueden incluir un elemento óptico para distribuir la luz emitida desde el paquete de LED a lo largo de un amplio ángulo de emisión. En otras realizaciones, los LED UV pueden ser matrices de LED, que normalmente no comprenden elementos ópticos pero que son significativamente más delgadas que los LED empaquetados. Como ejemplo, las matrices de LED podrían recogerse y colocarse sobre una superficie del medio óptico.
El material de silicona se puede seleccionar para proporcionar transmisión óptica de luz UV con poca pérdida en comparación con otros materiales. Este es en particular el caso de la luz de longitud de onda más corta, por ejemplo, la luz UV con longitudes de onda inferiores a 300 nm. Un grupo particularmente eficaz de materiales de silicona es, o al menos comprende, las denominadas metil siliconas, según la fórmula química general CH<3>[Si(CH<3>)<2>O]nSi(CH<3>)<3>, donde "n" indica cualquier integral adecuada.
Los materiales de silicona también son flexibles y resistentes, de modo que son robustos, duraderos y capaces de soportar la compresión, tal como la debida a golpes, colisiones, etc., de objetos contra la superficie, por ejemplo, el choque de un barco contra un muelle. Además, se puede tener en cuenta la deformación debida a fluctuaciones de temperatura, embate de las olas, flexión del barco debido al oleaje, etc.
Al menos parte de la luz emitida por una o más fuentes de luz se puede difundir en una dirección que tenga un componente sustancialmente paralelo a la superficie a proteger. Esto facilita la distribución de la luz a lo largo de distancias significativas a lo largo de la superficie protegida, o la superficie de aplicación de la lámina, lo que ayuda a obtener una distribución de intensidad adecuada de la luz antiincrustante.
Un material de conversión de longitud de onda puede estar comprendido en el medio óptico y al menos parte de la luz antiincrustante puede generarse fotoexcitando el material de conversión de longitud de onda con luz que tiene una primera longitud de onda provocando que el material de conversión de longitud de onda emita la luz antiincrustante en otra longitud de onda. El material de conversión de longitud de onda se puede proporcionar como un fósforo de conversión ascendente, puntos cuánticos, medios no lineales tales como una o más fibras de cristal fotónico, etc. Dado que las pérdidas por absorción y/o dispersión en el medio óptico para luz de longitudes de onda diferentes, en su mayoría más largas, que la luz UV tienden a ser menos pronunciadas en el medio óptico, puede ser más eficiente energéticamente generar luz no UV y transmitirla a través del medio óptico y generar luz UV antiincrustante en o cerca del lugar deseado de uso de esta (es decir, emisión desde la superficie al entorno líquido).
Un ejemplo descrito anteriormente utiliza LED de emisión lateral y sitios de dispersión óptica. Sin embargo, se pueden utilizar disposiciones de difusión de luz para crear la luz lateral. Por ejemplo, se puede disponer un cono en el medio óptico y colocarlo opuesto a la fuente de luz, donde el cono opuesto tiene un área de superficie con un ángulo de 45° perpendicular a la superficie protegida para reflejar la luz emitida por la fuente de luz perpendicular a dicha superficie en una dirección sustancialmente paralela a dicha superficie.
Los LED pueden funcionar con DC. Sin embargo, un par de LED paralelos consecutivos pueden ser activados por una señal de accionamiento de AC.
Como se mencionó anteriormente, los LED se montan preferiblemente en una PCB, y las pistas de la PCB (en la superficie de la PCB o internamente dentro de las capas de la PCB) forman la bobina receptora. Sin embargo, la rejilla de LED puede formarse conectando LED a nodos de conexión de una estructura de alambre independiente mediante soldadura, pegado o cualquier otra técnica de conexión eléctrica conocida. Esto se puede combinar con una bobina secundaria en una PCB más pequeña.
La invención se puede aplicar a una amplia variedad de campos. Casi cualquier objeto que entre en contacto con agua natural, con el tiempo estará sujeto a bioincrustación. Esto puede dificultar, por ejemplo, las entradas de agua de desaladoras, bloquear tuberías de estaciones de bombeo o incluso cubrir las paredes y el fondo de una piscina exterior. Todas estas aplicaciones se beneficiarían del método, los módulos y/o el sistema de iluminación proporcionados actualmente, es decir, una capa superficial adicional delgada y eficaz, que evita la bioincrustación en toda la superficie.
Aunque la luz UV es la solución preferida, también se prevén otras longitudes de onda. La luz no UV (luz visible) también es eficaz contra la bioincrustación. Los microorganismos típicos son menos sensibles a la luz no UV que a la luz UV, pero se puede generar una dosis mucho mayor en el espectro visible por unidad de potencia de entrada a las fuentes de luz.
Los LED UV son una fuente ideal para superficies delgadas que emiten luz. Sin embargo, también se pueden utilizar fuentes UV distintas de los LED, como lámparas de vapor de mercurio de baja presión. El factor de forma de estas fuentes de luz es bastante diferente; principalmente la fuente es mucho más grande. Esto da como resultado diferentes diseños ópticos, para distribuir toda la luz de una única fuente en una gran superficie. Además, se puede producir una contribución significativa de luz en longitudes de onda y/o combinaciones de longitudes de onda deseadas. En lugar de utilizar una capa delgada que emite luz UV hacia afuera en una dirección alejada de la superficie protegida para evitar la bioincrustación, la bioincrustación también podría eliminarse aplicando luz UV desde el exterior en dirección a la superficie protegida, como se explicó anteriormente. En cambio, el panel de iluminación puede emitir luz antiincrustante tanto en dirección hacia como desde la superficie a proteger.
En los ejemplos anteriores, el panel de iluminación se superpone a las líneas de alimentación. Esto proporciona aislamiento galvánico entre la fuente de alimentación y la estructura que está expuesta al agua. El panel de iluminación también protege las líneas de alimentación. En cambio, las líneas de alimentación pueden estar dispuestas sobre los paneles de iluminación. Se puede proporcionar un aislamiento eléctrico separado (por ejemplo, en la parte superior de las líneas de alimentación). La superficie de las líneas de alimentación será entonces susceptible a la bioincrustación, por lo que se debe asegurar que la luz llegue a la superficie de las líneas de alimentación, ya sea por transmisión a través de las líneas de alimentación o por reflexión o transmisión por guía de ondas dentro de los paneles de iluminación. Por tanto, el transmisor de potencia inductivo y el panel de iluminación se pueden montar sobre la superficie, pero en cualquier orden.
Los paneles de iluminación, por ejemplo, tienen una longitud (a lo largo de la dirección de la fila horizontal) en el intervalo de 1 m a 5 m y una altura (a lo largo de la dirección de la columna vertical) en el intervalo de 50 cm a 150 cm. Por ejemplo, una dimensión de panel pequeño puede ser de 600 mm x 1200 mm y una dimensión de panel grande puede ser de 1 m x 4 m. Un área de ejemplo a cubrir, por ejemplo, un lado del casco de un barco puede ser del orden de 100 m de longitud por 10 m de altura.
Los expertos en la técnica pueden entender y realizar variaciones a las realizaciones divulgadas al poner en práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la divulgación y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "que comprende" no excluye otros elementos o pasos, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de esas medidas no pueda utilizarse con fines ventajosos. Si se utiliza el término "adaptado a" en las reivindicaciones o descripción, se observa que el término "adaptado a" pretende ser equivalente al término "configurado para". Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como limitativo del alcance.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un panel de iluminación antiincrustante para montar sobre una superficie para proteger la superficie (16) contra la bioincrustación mientras la superficie está sumergida en agua, que comprende:
una disposición (26) de fuente de luz que comprende una pluralidad de porciones;
un sensor (60) de agua para detectar agua y percibir así si cada porción de la disposición de fuente de luz está sumergida o no en agua; y un controlador para controlar cada porción de la disposición de fuente de luz dependiendo de la salida del sensor de agua con respecto a la porción respectiva,
en el que la disposición de fuente de luz comprende una pluralidad de filas de fuentes de luz, comprendiendo cada fila una de dichas porciones de la disposición de fuente de luz, en el que se proporciona un sensor de agua para cada fila; y caracterizado porque el sensor de agua es un sensor de agua sin contacto, y comprende:
un sensor capacitivo, que comprende una almohadilla de detección, un electrodo de tierra y un circuito de lectura de capacitancia; o
un sensor inductivo, que comprende un circuito oscilador, una bobina del sensor, un blindaje de tierra que tiene una abertura que está expuesta al agua cuando el sensor de agua está sumergido y un circuito detector de frecuencia.
2. Un panel de iluminación según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el que el controlador está adaptado para apagar la porción de la disposición de fuente de luz, cuando no está sumergida en agua.
3. Un panel de iluminación según lo reivindicado en la reivindicación 1 o 2, que comprende, además:
un receptor (24) de potencia inductivo que comprende uno o más devanados para alineación con uno o más devanados primarios de un transmisor de potencia inductivo.
4. Un sistema de iluminación antiincrustante que comprende:
un transmisor (10) de potencia inductivo para montar sobre la superficie (16) y que comprende uno o más devanados primarios; y
un panel de iluminación según lo reivindicado cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 para montar sobre el transmisor de potencia inductivo, y que comprende un receptor (24) de potencia inductivo que comprende uno o más devanados para alineación con uno o más devanados primarios.
5. Un sistema de iluminación antiincrustante según lo reivindicado en la reivindicación 4, en el que el transmisor (10) de potencia inductivo comprende una regleta de enchufes alargada, y el panel de iluminación comprende una región (22) de borde que se superpone a la regleta (10) de enchufes alargada, estando formado el receptor (24) de energía inductiva en la región (22) de borde.
6. Un sistema de iluminación antiincrustante según lo reivindicado en la reivindicación 4 o 5, en el que el transmisor de potencia inductivo comprende una lámina (14) de ferrita debajo de los devanados.
7. Un sistema de iluminación antiincrustante según lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el panel de iluminación comprende una placa de circuito impreso al menos para uno o más devanados secundarios y un revestimiento de silicona.
8. Un sistema de iluminación antiincrustante según lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende una pluralidad de transmisores (10) de potencia inductivos y una pluralidad de paneles (20) de iluminación.
9. Un método para proteger una superficie (16) contra la bioincrustación cuando la superficie está sumergida en agua operando una disposición de fuente de luz para generar luz antiincrustante, comprendiendo el método: detectar agua mediante detección sin contacto para percibir de este modo si porciones de la disposición de fuente de luz están sumergidas o no en agua; y
controlar cada porción de la disposición de fuente de luz dependiendo de la salida del sensor de agua con respecto a la porción respectiva,
en el que detectar agua comprende usar:
un sensor capacitivo, que comprende una almohadilla de detección, un electrodo de tierra y un circuito de lectura de capacitancia; o
un sensor inductivo, que comprende un circuito oscilador, una bobina del sensor, un blindaje de tierra que tiene una abertura que está expuesta al agua cuando el sensor de agua está sumergido, y un circuito detector de frecuencia, en el que la disposición de fuente de luz comprende una pluralidad de filas de fuentes de luz, comprendiendo cada fila una de dichas porciones de la disposición de fuente de luz, en el que el método comprende detectar agua en las proximidades de cada fila.
10. Un método según lo reivindicado en la reivindicación 9, que comprende apagar la porción de la disposición de fuente de luz, cuando no está sumergida en agua.
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