eng
Выпуск #6/2015
С.Самохвалов, О.Горбачев, А.Клименко
Применение оптоволоконных технологий для осветительных устройств
Применение оптоволоконных технологий для осветительных устройств
Просмотры: 6152
Простейшее оптоволоконное осветительное устройство позволяет без особых дополнительных затрат преобразовать энергию солнечного света в другой вид энергии и передать в темное помещение по оптоволоконному кабелю. Приведены конструкция, результаты расчетов, испытаний и компьютерные модели некоторых узлов устройства.
Теги: hybrid fiber optic devices lighting engineering гибридные оптоволоконные устройства светотехника
М
ировые затраты на освещение в среднем составляют 20% всей расходуемой электроэнергии. Странно видеть в ванной комнате жилой квартиры или в прихожей горящую лампочку, когда на улице сияет солнце. Но ведь в каждой стандартной квартире лампа горит, потребляет электроэнергию, и мы к этому привыкли.
В Волгограде, Краснодаре, Астрахани и других южных городах, где почти 300 солнечных дней в году (рис.1) [1], а температура на верхних этажах летом достигает 60°С, в помещениях без окон днем включаются электроосветительные приборы, генерируя не столько свет, сколько тепло. Конечно, можно аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в электричество, с помощью солнечных батарей. А полученную электрическую энергию можно использовать для освещения помещений с помощью электроосветительных приборов.
Однако при этом неизбежно двойное преобразование энергии и, как следствие, большие потери. Известно, что солнечные батареи имеют низкий КПД, у серийно выпускаемых панелей из монокристаллического кремния значения достигнутого КПД составляют 17–20%, а из поликристаллического и аморфного кремния – менее 10%. Если полученную электроэнергию далее направить на питание ламп накаливания, КПД которых составляет менее 10%, то на освещение останется 1–2% входной мощности. И спектр излучения электроосветительных приборов не является полной копией солнечного спектра. Использование линзовых концентраторов позволяет снизить стоимость единицы установленной электрической мощности фотоэлектрических преобразователей в 2–3 раза [2]. Для освещения верхних этажей естественным светом можно использовать зенитные фонари, но и они имеют сложную и дорогостоящую конструкцию. На смену этому техническому решению пришло иное – гибридные оптоволоконные устройства прямого солнечного света, они появились сравнительно недавно [3].
Гибридные оптоволоконные устройства позволяют осветить до 300 м 2 жилой или офисной площади. Они предназначены для прямой доставки естественного дневного света внутрь освещаемых помещений. Устройство состоит из параболических зеркал (коллектора) (рис.2), фокусирующих солнечные лучи на входной торец оптоволоконного кабеля, который в свою очередь транспортирует свет в помещение, требующее освещения. Часть световой энергии, преобразованной в электрическую энергию, аккумулируется и используется для перемещения системы позиционирования и ночного электропитания ламп.
Система позиционирования поворачивает коллектор в течение дня, постоянно направляя его на Солнце. Сложные кинематические узлы для слежения за движением Солнца над горизонтом требуют электропитания либо от внешнего сетевого источника, либо от преобразователя солнечной энергии в электрическую. Гибридное оптоволоконное устройство – устройство сложное и дорогое. Его цена достигает 16 тыс. долларов, а стоимость установки системы колеблется от 500 до 2 000 долларов. Тем не менее, несмотря на внушительные цены, по прогнозам экспертов, в США в 2020 году в продажу будет представлено около 1 млн. штук гибридных оптоволоконных систем. В ближайшие годы планируется внедрить 5 тыс.гибридных оптоволоконных систем освещения. Это позволит экономить ежегодно 50 млн. кВт/ч электроэнергии. Согласно результатам сравнительного анализа, проведенного американскими специалистами, средняя стоимость электроэнергии от этих систем значительно ниже стоимости электроэнергии, предлагаемой на нерегулируемом энергетическом рынке.
Очевидно, что спрос на системы прямого естественного освещения зданий в мире будет расти пропорционально снижению стоимости данных систем, увеличению мощности и уменьшению потерь оптоволоконных систем передачи. Такие системы смогут обеспечивать естественным светом высотные здания, от нижних до верхних этажей. Уже сейчас гибридные оптоволоконные системы установлены в государственных университетах в Сан-Диего, Лас-Вегасе, городах штата Невада, в ряде супермаркетов Wall-Mart. В США законом установлено, что покупателям гибридных систем предоставляется 30%-ная скидка с НДС [4]. В России пока не предусмотрено налоговых льгот для тех смельчаков, которые решат вложить финансовые средства в энергетические эффективные "зеленые" технологии.
Нами были проведены исследования, направленные на создание простого, надежного и недорогого осветительного устройства, использующего естественный солнечный свет. Для наведения коллектора на солнце в устройстве применен эффект термического расширения (рис.3). Это позволяет снизить его стоимость в сотни раз. Полимерный оптоволоконный кабель используется не только для транспортировки света, но и для наведения коллектора на солнце. Коллектор может быть изготовлен из пластика в герметичном корпусе, с металлизированной внутренней поверхностью. Он концентрирует солнечный свет с помощью линзы, большого и малого зеркал. Коллектор закреплен на фоконе, вместе они сужают световой поток до размера входного торца оптического волокна. Фокон изгибается под действием температуры, подобно биметаллической пластине, и постоянно направляет коллектор на Солнце, подобно движению всем известного подсолнуха.
С этой целью внешняя оболочка фокона выполнена из полупрозрачных, термочувствительных сегментов, разделенных между собой термоизоляционным материалом. Солнечные лучи всегда направлены перпендикулярно входному торцу фокона. Поэтому практически вся световая энергия проникает в фокон, не отражаясь от его торца. Смещение светового пятна из центра входного торца на термочувствительные сегменты приводит к их нагреву, а затем, соответственно, к изгибу фокона. В результате коллектор отклоняется в сторону Солнца.
Мощность ИК-излучения, поступающего в фокон, значительно уменьшается за счет явления аберраций. "Холодный" солнечный свет видимого диапазона транспортируется в темное помещение по полимерному оптоволоконному кабелю (ПОВ) без его нагрева и без какого-либо преобразования энергии из световой в другие виды энергии. Устройство совсем не потребляет электропитания, что обеспечивает ему высокую экономичность. При хорошей прозрачности полимерного оптического волокна КПД устройства достигает диапазона величин 50–80%, что зависит от длины кабеля и качества его изготовления.
Надежность данного осветительного устройства очень высока. Его детали практически не нагреваются, что важно для обеспечения высокого уровеня безопасности при эксплуатации. Новизна работы подтверждена патентами [5–7].
Для определения оптимальных размеров устройства и расчета его параметров была составлена модель хода лучей в устройстве и проведено численное моделирование изменения хода лучей при варьировании рабочих параметров (рис.4). По количеству входных, выходных и рассеянных лучей определен КПД коллектора. Показано, что при правильном подборе покрытия зеркал, обладающего хорошими отражательными свойствами, значение КПД может достигать 95%. Также определены оптимальные размеры фокона, подобран материал для изготовления его внешнего термочувствительного сегментного слоя. На рис.5 приведена зависимость количества лучей, прошедших из фокона в ПОВ, от длины фокона. По результатам моделирования созданы опытные образцы устройства.
Для визуализации процесса распространения световой волны в фоконе использована компьютерная модель (рис.6). Она состоит из источника узконаправленного светового потока (1) и фокона (2), который фокусирует солнечный свет, направляя его в оптическое волокно (3). В результате исследования была установлена оптимальная апертура, обеспечивающая минимум отражения и рассеяния света и максимум светового потока, попадающего в оптический кабель.
Нами были проведены предварительные испытания осветительного устройства с помощью уменьшенной физической модели. Для фокусирования солнечного светового потока была использована выпуклая линза диаметром 10 см, выполненная из оптического стекла. Световой поток транспортировался с помощью полимерного оптоволокна диаметром 1 мм и длиной 10 м. Такое техническое решение позволило осветить небольшое помещение площадью четыре квадратных метра, в котором отсутствовали окна. И хотя величина освещенности была очень мала (около 15 лк), такая освещенность позволяет человеку ориентироваться в пространстве. В данном опыте ИК-спектр светового потока не был отсечен фильтрами, поэтому в результате фокусировки излучения на входной торец оптического волокна произошло оплавление его пластмассового покрытия. Однако таких неприятностей можно избежать при транспортировке "холодного" видимого излучения солнечного света.
Уровень мощности светового потока может быть увеличен на порядок, даже при использовании 1-мм волокна. Для этого диаметр входной линзы коллектора нужно увеличить до 25–30 см. В настоящее время в России выпускаются полимерные оптические волокна диаметром до трех миллиметров. Их использование позволит в дневное время освещать естественным солнечным светом относительно большие площади без каких-либо затрат электроэнергии. Розничная цена таких простых и надежных осветительных устройств в сотни раз ниже цены их гибридных оптоволоконных аналогов и при массовом производстве, может составить всего 3–7 тыс. рублей.
Аналитики прогнозируют большой гарантированный спрос на эти простые и надежные устройства. Объем продаж только в России может составить несколько миллионов штук. Кроме того, такие устройства позволят поддерживать безопасность освещения во взрывоопасных зонах (шахты, рудники, химические предприятия), а также в помещениях с повышенной влажностью (бассейны, сауны, зимние сады, аквариумы и т. п.). Эти устройства можно рассматривать как выносные окна или выносные зенитные фонари с кабельной транспортировкой светового потока. Справедливости ради следует отметить, что они работают только днем и в солнечную погоду.
Нет никакого сомнения в том, что лампы накаливания, люминесцентные, светодиодные и другие должны уступить свое место солнечному свету там, где это возможно.
Литература
1. go.mail.ru/search_images
2. www.ioffe.ru
3. studopedia.ru/2_63081_gibridnoe-solnechnoe-osveshchenie
4. ecotechnica.com.ua
5. Пат. 102747 РФ. Солнечное оптоволоконное осветительное устройство / Самохвалов С.Я.
6. Пат.128372 РФ. Волоконно-оптическое охранное устройство на основе рэлеевского рассеяния / Горбачев О.В., Самохвалов С. Я.
7. Пат.2468288 РФ. Солнечное самонаводящееся оптоволоконное осветительное устройство / Самохвалов С.Я., Берикашвили В.Ш., Воробьев С.А.
ировые затраты на освещение в среднем составляют 20% всей расходуемой электроэнергии. Странно видеть в ванной комнате жилой квартиры или в прихожей горящую лампочку, когда на улице сияет солнце. Но ведь в каждой стандартной квартире лампа горит, потребляет электроэнергию, и мы к этому привыкли.
В Волгограде, Краснодаре, Астрахани и других южных городах, где почти 300 солнечных дней в году (рис.1) [1], а температура на верхних этажах летом достигает 60°С, в помещениях без окон днем включаются электроосветительные приборы, генерируя не столько свет, сколько тепло. Конечно, можно аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в электричество, с помощью солнечных батарей. А полученную электрическую энергию можно использовать для освещения помещений с помощью электроосветительных приборов.
Однако при этом неизбежно двойное преобразование энергии и, как следствие, большие потери. Известно, что солнечные батареи имеют низкий КПД, у серийно выпускаемых панелей из монокристаллического кремния значения достигнутого КПД составляют 17–20%, а из поликристаллического и аморфного кремния – менее 10%. Если полученную электроэнергию далее направить на питание ламп накаливания, КПД которых составляет менее 10%, то на освещение останется 1–2% входной мощности. И спектр излучения электроосветительных приборов не является полной копией солнечного спектра. Использование линзовых концентраторов позволяет снизить стоимость единицы установленной электрической мощности фотоэлектрических преобразователей в 2–3 раза [2]. Для освещения верхних этажей естественным светом можно использовать зенитные фонари, но и они имеют сложную и дорогостоящую конструкцию. На смену этому техническому решению пришло иное – гибридные оптоволоконные устройства прямого солнечного света, они появились сравнительно недавно [3].
Гибридные оптоволоконные устройства позволяют осветить до 300 м 2 жилой или офисной площади. Они предназначены для прямой доставки естественного дневного света внутрь освещаемых помещений. Устройство состоит из параболических зеркал (коллектора) (рис.2), фокусирующих солнечные лучи на входной торец оптоволоконного кабеля, который в свою очередь транспортирует свет в помещение, требующее освещения. Часть световой энергии, преобразованной в электрическую энергию, аккумулируется и используется для перемещения системы позиционирования и ночного электропитания ламп.
Система позиционирования поворачивает коллектор в течение дня, постоянно направляя его на Солнце. Сложные кинематические узлы для слежения за движением Солнца над горизонтом требуют электропитания либо от внешнего сетевого источника, либо от преобразователя солнечной энергии в электрическую. Гибридное оптоволоконное устройство – устройство сложное и дорогое. Его цена достигает 16 тыс. долларов, а стоимость установки системы колеблется от 500 до 2 000 долларов. Тем не менее, несмотря на внушительные цены, по прогнозам экспертов, в США в 2020 году в продажу будет представлено около 1 млн. штук гибридных оптоволоконных систем. В ближайшие годы планируется внедрить 5 тыс.гибридных оптоволоконных систем освещения. Это позволит экономить ежегодно 50 млн. кВт/ч электроэнергии. Согласно результатам сравнительного анализа, проведенного американскими специалистами, средняя стоимость электроэнергии от этих систем значительно ниже стоимости электроэнергии, предлагаемой на нерегулируемом энергетическом рынке.
Очевидно, что спрос на системы прямого естественного освещения зданий в мире будет расти пропорционально снижению стоимости данных систем, увеличению мощности и уменьшению потерь оптоволоконных систем передачи. Такие системы смогут обеспечивать естественным светом высотные здания, от нижних до верхних этажей. Уже сейчас гибридные оптоволоконные системы установлены в государственных университетах в Сан-Диего, Лас-Вегасе, городах штата Невада, в ряде супермаркетов Wall-Mart. В США законом установлено, что покупателям гибридных систем предоставляется 30%-ная скидка с НДС [4]. В России пока не предусмотрено налоговых льгот для тех смельчаков, которые решат вложить финансовые средства в энергетические эффективные "зеленые" технологии.
Нами были проведены исследования, направленные на создание простого, надежного и недорогого осветительного устройства, использующего естественный солнечный свет. Для наведения коллектора на солнце в устройстве применен эффект термического расширения (рис.3). Это позволяет снизить его стоимость в сотни раз. Полимерный оптоволоконный кабель используется не только для транспортировки света, но и для наведения коллектора на солнце. Коллектор может быть изготовлен из пластика в герметичном корпусе, с металлизированной внутренней поверхностью. Он концентрирует солнечный свет с помощью линзы, большого и малого зеркал. Коллектор закреплен на фоконе, вместе они сужают световой поток до размера входного торца оптического волокна. Фокон изгибается под действием температуры, подобно биметаллической пластине, и постоянно направляет коллектор на Солнце, подобно движению всем известного подсолнуха.
С этой целью внешняя оболочка фокона выполнена из полупрозрачных, термочувствительных сегментов, разделенных между собой термоизоляционным материалом. Солнечные лучи всегда направлены перпендикулярно входному торцу фокона. Поэтому практически вся световая энергия проникает в фокон, не отражаясь от его торца. Смещение светового пятна из центра входного торца на термочувствительные сегменты приводит к их нагреву, а затем, соответственно, к изгибу фокона. В результате коллектор отклоняется в сторону Солнца.
Мощность ИК-излучения, поступающего в фокон, значительно уменьшается за счет явления аберраций. "Холодный" солнечный свет видимого диапазона транспортируется в темное помещение по полимерному оптоволоконному кабелю (ПОВ) без его нагрева и без какого-либо преобразования энергии из световой в другие виды энергии. Устройство совсем не потребляет электропитания, что обеспечивает ему высокую экономичность. При хорошей прозрачности полимерного оптического волокна КПД устройства достигает диапазона величин 50–80%, что зависит от длины кабеля и качества его изготовления.
Надежность данного осветительного устройства очень высока. Его детали практически не нагреваются, что важно для обеспечения высокого уровеня безопасности при эксплуатации. Новизна работы подтверждена патентами [5–7].
Для определения оптимальных размеров устройства и расчета его параметров была составлена модель хода лучей в устройстве и проведено численное моделирование изменения хода лучей при варьировании рабочих параметров (рис.4). По количеству входных, выходных и рассеянных лучей определен КПД коллектора. Показано, что при правильном подборе покрытия зеркал, обладающего хорошими отражательными свойствами, значение КПД может достигать 95%. Также определены оптимальные размеры фокона, подобран материал для изготовления его внешнего термочувствительного сегментного слоя. На рис.5 приведена зависимость количества лучей, прошедших из фокона в ПОВ, от длины фокона. По результатам моделирования созданы опытные образцы устройства.
Для визуализации процесса распространения световой волны в фоконе использована компьютерная модель (рис.6). Она состоит из источника узконаправленного светового потока (1) и фокона (2), который фокусирует солнечный свет, направляя его в оптическое волокно (3). В результате исследования была установлена оптимальная апертура, обеспечивающая минимум отражения и рассеяния света и максимум светового потока, попадающего в оптический кабель.
Нами были проведены предварительные испытания осветительного устройства с помощью уменьшенной физической модели. Для фокусирования солнечного светового потока была использована выпуклая линза диаметром 10 см, выполненная из оптического стекла. Световой поток транспортировался с помощью полимерного оптоволокна диаметром 1 мм и длиной 10 м. Такое техническое решение позволило осветить небольшое помещение площадью четыре квадратных метра, в котором отсутствовали окна. И хотя величина освещенности была очень мала (около 15 лк), такая освещенность позволяет человеку ориентироваться в пространстве. В данном опыте ИК-спектр светового потока не был отсечен фильтрами, поэтому в результате фокусировки излучения на входной торец оптического волокна произошло оплавление его пластмассового покрытия. Однако таких неприятностей можно избежать при транспортировке "холодного" видимого излучения солнечного света.
Уровень мощности светового потока может быть увеличен на порядок, даже при использовании 1-мм волокна. Для этого диаметр входной линзы коллектора нужно увеличить до 25–30 см. В настоящее время в России выпускаются полимерные оптические волокна диаметром до трех миллиметров. Их использование позволит в дневное время освещать естественным солнечным светом относительно большие площади без каких-либо затрат электроэнергии. Розничная цена таких простых и надежных осветительных устройств в сотни раз ниже цены их гибридных оптоволоконных аналогов и при массовом производстве, может составить всего 3–7 тыс. рублей.
Аналитики прогнозируют большой гарантированный спрос на эти простые и надежные устройства. Объем продаж только в России может составить несколько миллионов штук. Кроме того, такие устройства позволят поддерживать безопасность освещения во взрывоопасных зонах (шахты, рудники, химические предприятия), а также в помещениях с повышенной влажностью (бассейны, сауны, зимние сады, аквариумы и т. п.). Эти устройства можно рассматривать как выносные окна или выносные зенитные фонари с кабельной транспортировкой светового потока. Справедливости ради следует отметить, что они работают только днем и в солнечную погоду.
Нет никакого сомнения в том, что лампы накаливания, люминесцентные, светодиодные и другие должны уступить свое место солнечному свету там, где это возможно.
Литература
1. go.mail.ru/search_images
2. www.ioffe.ru
3. studopedia.ru/2_63081_gibridnoe-solnechnoe-osveshchenie
4. ecotechnica.com.ua
5. Пат. 102747 РФ. Солнечное оптоволоконное осветительное устройство / Самохвалов С.Я.
6. Пат.128372 РФ. Волоконно-оптическое охранное устройство на основе рэлеевского рассеяния / Горбачев О.В., Самохвалов С. Я.
7. Пат.2468288 РФ. Солнечное самонаводящееся оптоволоконное осветительное устройство / Самохвалов С.Я., Берикашвили В.Ш., Воробьев С.А.
Отзывы читателей
