Sisteme de iluminat cu conducte de lumina

Sisteme de iluminat cu conducte de lumina

In ultima decada s-a observat un progres in proiectarea si punerea in practica a sistemelor de iluminat electric cu conducte de lumina. Ideea transmiterii luminii prin conducte nu este noua, primul brevet fiind inregistrat de Wheeler in S.U.A. in 1881 (fig. 2.2-33). Un factor important in dezvoltarile recente l-a constituit aparitia noilor materiale de inalta tehnologie, cu un pret de cost scazut, care asigura o inalta eficienta transmiterii fluxului luminos prin conducte.

Un sistem de iluminat cu conducte de lumina - SICL este o structura liniara care primeste lumina intr-un fascicul concentrat pe la un capat, o transporta de-a lungul ei prin procese optice de refractie si reflexie partiala sau totala si o emite fie pe parcurs, in lungul sistemului de transport, fie la celalalt capat, printr-un emitator in forma de corp de iluminat. Diferitele SICL propuse sau construite sunt caracterizate printr-o varietate de tipuri de surse, sisteme de transport si emitatoare.

Cercetarile din ultimele doua decenii au condus la realizarea unor sisteme de introducere a luminii naturale adanc pe verticala, in spatiile interioare ale cladirilor. Cu toate ca multe sisteme de transport a luminii naturale contin lampi electrice ca surse suplimentare de lumina, tehnologia de executie si de pozare a acestor sisteme sunt influentate de mijloacele de captare a luminii solare.

Constructie si principiu de functionare. Principalele elemente care alcatuiesc SICL sunt: (a) sursa de lumina, (b) sistemul de transport a luminii si (c) emitatorul de lumina. Eforturile de cercetare au fost inegale privind dezvoltarea componentelor SICL, sistemul de transport fiind principalul beneficiar al cercetarilor. Exista putine tipuri de surse de lumina specializate, altele decat cele pentru fibre optice, si putini emitatori realizati in practica, altii decat cei care fac parte integranta din sistemul de transport.

a. Sursa de lumina

Sursa de lumina poate fi lumina naturala sau/si lampi electrice. Dispozitive optice dirijeaza fluxul luminos intr-o maniera controlata catre sistemul de transport a luminii. Sunt trei cerinte fundamentale pentru sursa: (a) flux luminos ridicat, (b) eficacitate luminoasa mare, deoarece transportul luminii la distanta implica pierderi datorate diferitelor procese optice, (c) inalt grad de concentrare a fluxului luminos la intrarea in sistemul de transport.

Una din lampile electrice cele mai utilizate in SICL este lampa cu vapori de mercur de inalta presiune cu halogenuri metalice. LMH prezinta avantajul unei temperaturi de culoare apropiate de cea a luminii naturale, ceea ce o recomanda pentru spatiile care au si o componenta de lumina naturala. Tehnologia actuala pentru lampile cu descarcari nu reuseste sa satisfaca cerinta unui flux luminos ridicat, simultan cu dimensiuni reduse ale lampii, sau cel putin ca tubul de descarcare sa fie destul de mic, astfel incat sa poata fi pozitionat in focarul dispozitivelor optice. Dezvoltari recente, ca LMH de 60 W cu arc scurt si de 400 W cu reflector integrat, promit o solutionare a acestei probleme. Dispozitivele optice ce introduc lumina in zona de intrare in sistemul de transport cuprind o gama larga, de la reflectoare cu fatete multiple ce concentreaza lumina in fascicule separate indreptate spre colectoarele fibrelor optice, pana la reflectoare parabolice de dimensiuni mari ce furnizeaza lumina intr-un unghi solid de dimensiuni acceptabile.

b. Sistemul de transport a luminii

Sistemul de transport este caracteristica definitorie a SICL. Principala sa functie este de a transporta lumina de la sursa la punctul de iesire. In plus, unele tipuri constructive au si functiunea de emitatoare de lumina.

Sistemul de transport poate fi: - sistem fascicul/lentile; - tub cu reflexie directa; - tub prismatic; - sistem cu miez solid.

Sistemul fascicul/lentile. Lumina care provine de la sursa este concentrata de lentile si transportata printr-o combinatie de lentile si oglinzi (fig. 2.2-34 a). Sistemul prezinta doua mari dezavantaje: lentilele si dispozitivul de montare sunt mai scumpe decat alte metode de transport, respectiv pierderile de lumina cauzate de procesele optice sunt ridicate. O lentila curata are o transmitanta de maximum 92% (pierderile fiind datorate reflexiei pe fiecare fata), care scade odata cu depunerile de praf si murdarie pe suprafete. Eficienta sistemului este dependenta de alinierea componentelor si, de aici, problemele care pot sa apara datorita modificarilor mecanice sau proceselor de dilatare/contractare.

Sistemul fascicul/lentile poate fi interesant doar atunci cand se utilizeaza o sursa gratuita cum este lumina soarelui. El este total neeconomic in cazul surselor electrice de lumina.

Aceasta tehnica a fost utilizata pentru transportul luminii solare in interiorul unor cladiri. Un exemplu il constituie SICL utilizat la cladirea Facultatii de Constructii, Universitatea din Minnesota. Lumina soarelui este captata de doua heliostate montate pe acoperis, comandate printr-un computer. Fluxul luminos este concentrat intr-un fascicul si este transmis printr-un sistem vertical de lentile si oglinzi. La capatul inferior, aflat la 35 m, lumina este distribuita printr-un difuzor in spatiul de lucru. Solutia adoptata a permis ca o cantitate mare de lumina solara sa fie condusa in cladire printr-o deschidere foarte mica, situata pe invelisul exterior. Sistemul de transport ce contine 13 procese optice are o eficienta maxima de 28% si aceasta in conditii deosebite de curatenie.

Tubul cu reflexie directa. Sistemul utilizeaza reflexii directe multiple pe suprafata interioara a unui tub (fig. 2.2-34 b). Transmisia luminii prin tub este in functie de reflectanta suprafetei, unghiul de intrare a luminii incidente si geometria tubului, exprimata prin raportul dintre lungimea si diametrul acestuia. Este de dorit ca lumina sa intre axial in tub intr-un fascicul cat mai concentrat.

Cel mai simplu sistem este reprezentat de un tub gol cu peretii interiori din aluminiu polizat si care are o reflectanta in jur de 85% in spectrul vizibil, in stare curata. Pentru un unghi al fascicolului de lumina de 8 si un tub cu diametrul de 300 mm, fluxul luminos scade la 50% dupa aproximativ 6 m. O noutate in acest domeniu o reprezinta filmele optice oglindate din poliester care au o reflectanta de 95%. Ele sunt realizate prin depunerea vaporilor de argint pe un film flexibil din poliester, care este apoi acoperit cu un strat transparent de acrilic, pentru a preveni oxidarea argintului.

Masurari experimentale pe modele la scara redusa, efectuate pe SICL cu tuburi cu sectiune patratica, acoperite in interior cu film din poliester argintat au condus la rezultatele prezentate in figura 2.2-35. In conditii favorabile, din aceste tuburi se poate extrage flux luminos in cantitate rezonabila. Eficienta ramane mare pentru diferite forme geometrice ale tubului, cu conditia ca lumina incidenta sa fie aproape coliniara cu axa tubului. In cel mai bun caz, eficienta este mai mare de 50% pentru un raport lungime/diametru de 40, ceea ce corespunde unui diametru de 300 mm la lungimea tubului de cca 12 m. Eficienta scade rapid daca nu se asigura alinierea fluxului incident cu axa tubului, datorita cresterii numarului de reflexii.

Influenta reflectantei peretelui asupra eficientei si caracteristicile directionale ale luminii la iesirea din tub au fost analizate pe baza unor masuratori pe tuburi cu sectiune circulara, acoperite cu diferite materiale. Tabelul 2.2-13 arata eficientele pentru tuburi cu reflexie directa acoperite cu aluminiu semi-polizat (reflectanta 80%) si mylar polizat (reflectanta 90%). Dar nu numai eficienta sistemului de transport a sistemului e importanta ci si distributia fotometrica la capatul tubului, pentru a vedea cum si in ce fel poate fi utilizat fluxul luminos transportat. Figura 2.2-36 prezinta curbe fotometrice tipice pentru capatul tubului.

Trebuie avut in vedere ca probleme ca depunerile de praf si nealinierea componentelor conduc in practica la eficiente mai mici decat cele obtinute in laborator. SICL prezentat intr-o aplicatie utilizeaza un tub specular cu o lungime de 6 m, care transporta lumina naturala captata la nivelul acoperisului in incaperi situate mai jos la 6 m. Tuburile au sectiune triunghiulara (laturi de circa 700 mm) si sunt acoperite cu un film de poliester argintat cu o reflectanta de 95%. Sistemul are o eficienta totala de 10% pentru cer innourat si o valoare mai mare pentru lumina directa a soarelui.

Tubul prismatic. Principiul care sta la baza acestui sistem il reprezinta reflexia interna totala pe o suprafata dielectrica prismatica, care capteaza lumina si o redirectioneaza in interiorul tubului (fig. 2.2-34 c). Structura prismatica este transparenta pentru raze de lumina la unghiuri mari de incidenta. Existenta ghidurilor de lumina prismatice se datoreaza progreselor din ultimul timp in producerea de suprafete cu structura precisa. Un interes special il prezinta gama de materiale optice fabricate din acrylic sau policarbonat, care are o structura rigida, cu creste de 90. In cazul in care o astfel de structura acopera suprafata interioara a unui tub de lumina, avand prismele orientate paralel cu axa tubului, fluxul luminos va fi transmis printr-un proces de reflexie interna totala, cu conditia ca unghiul de incidenta sa nu depaseasca 27,5. Iregularitati constructive permit ca o mica parte din fluxul luminos sa depaseasca unghiul maxim si, astfel, sa iasa prin peretele tubului. Acest efect face ca tubul sa straluceasca, motiv pentru care ghidul prismatic actioneaza atat ca mijloc de transport cat si ca emitator luminos. Structura prismatica este realizata si in forma unui film flexibil ultrafin, cu un cost mai scazut decat materialul rigid. Filmul flexibil permite obtinerea unor tuburi cu sectiuni de diferite forme.

Tuburile formate din ambele tipuri de materiale sunt capabile sa transporte lumina concentrata, cu pierderi mici. Masuratori efectuate asupra unui tub din policarbonat cu diametrul de 100 mm, echipat cu o lampa cu incandescenta cu reflector, au stabilit o eficienta de 80% pentru un raport lungime/diametru efectiv de 25. Aceste valori sunt mai bune decat cele obtinute in cazul tuburilor speculare.

Sistemul cu miez solid. Cel mai cunoscut sistem cu miez solid este fibra optica care transporta lumina printr-un fascicul de fibre solide subtiri si flexibile, pe baza reflexiei interne totale pe interfata dielectrica. Fibrele optice au un miez, care este mediul de transport a luminii, si un invelis cu indice de refractie scazut, care previne pierderile de lumina din miez. Procesul de reflexie interna totala dintr-o fibra optica este foarte eficient si transportul luminii este legat esential de lungimea fibrei si nu de diametrul ei, ca in cazul sistemului de transport specular sau prismatic. Fibrele optice sunt fabricate din sticla cu silicati sau din plastic si au diametrul 50 150 mm. Pentru a forma un manunchi flexibil, un numar mare de fibre sunt legate impreuna si apoi sunt introduse intr-un tub de protectie. Fibrele optice utilizate curent pentru transportul luminii au diametre de circa 10 mm.

Pierderi de lumina datorate absorbtiei si imprastierii sunt definite prin marimea caracteristica numita atenuare, masurata in decibeli/m (dB/m). Valorile tipice ale atenuarii variaza de la 0,1 la 0,4 dB/m pentru fibre de plastic si de la 0,2 la 0,6 dB/m pentru fibre de sticla.

Cuplarea sursei de lumina la intrarea in fibra optica se face printr-un dispozitiv denumit cutie de lumina. Aceasta asigura patrunderea luminii in fibra sub un unghi de acceptare determinat de indicii de refractie ai elementelor componente astfel incat sa se evite pierderile de flux luminos prin refractia prin peretele tubului.

Sursele de lumina sunt lampi cu incandescenta cu halogen de foarte joasa tensiune, pentru sisteme de puteri mici, respectiv lampi cu descarcari pentru sisteme de puteri mari.

Flexibilitatea cablurilor cu fibre optice face ca pozarea lor in interiorul cladirilor sa puna mai putine probleme decat celelalte sisteme de transport a luminii.

Fibrele optice sunt cele mai utilizate sisteme de transport si au numeroase aplicatii. Sunt multiple exemple de sisteme mici cu fibre optice utilizate in comert, pentru iluminatul de prezentare si accent ca surse punctuale sau la decoratiuni, ca surse liniare. Configuratia tipica pentru iluminatul de prezentare consta dintr-un manunchi cu diametrul de 6 mm si cu 12 terminale de fibre, conectat la o lampa cu descarcari de 150 W, care produce aproximativ 100 de lumeni la capatul a 5 m de fibra. Aplicatiile pentru iluminatul general cu fibre optice sunt putin numeroase. Un exemplu il constituie auditoriumul de 2000 de locuri din Centrul de Conferinte Madrid, unde o iluminare medie de 30 lux este furnizata de 1344 puncte de lumina montate pe tavan, racordate la 181 cutii de lumina echipate cu lampi cu descarcari de 200 W. Principala motivatie a utilizarii acestui sistem il constituie usurinta intretinerii, cutiile de lumina fiind amplasate in zona de serviciu din tavanul fals.

O aplicatie interesanta o reprezinta sistemul 'Himawari'. Lumina colectata de o celula solara este focalizata cu o concentratie de 10.000 la capetele fibrei optice, transportata in interiorul cladirii si distribuita printr-un sistem de lentile Fresnel. Fiecare lentila de 105 mm focalizeaza lumina intr-un cablu de 6 mm alcatuit din 6 sau 9 fibre, dimensiunile aplicatiei determinand numarul de lentile si cabluri. De exemplu, un cablu cu 6 fibre lung de 40 mm furnizeaza 1180 lm de la o iluminare solara directa de 98.000 lux, iar sistemul poate transmite lumina soarelui pana la o distanta de 200 m de colector. Usurinta instalarii unui sistem de transport cu fibre optice este ilustrat de faptul ca el a fost montat in cladiri mai vechi. Cu toate avantajele sale, sistemul 'Himawari' implica insa o investitie foarte mare, care nu este justificata decat de prestigiul cladirii.

c. Emitatorul de lumina

Caracteristicile constructive si proprietatile fizice si optice ale emitatoarelor de lumina sunt influentate puternic de sistemul de transport la care sunt conectate, in doua variante constructive:

- transport si emisie combinate, lumina sursei fiind extrasa continuu de-a lungul sistemului de transport;

- emitator propiu-zis, care redistribuie fluxul luminos furnizat de sistemul de transport intr-un mod similar cu corpurile de iluminat conventionale.

Transport si emisie combinate. Sistemul de transport este construit astfel incat sa indeplineasca cele doua functii dorite: pe de o parte sa asigure transportul luminii cu pierderi minime, pe de alta parte sa permita iesirea luminii prin structura in lungul acesteia.

(1) Emitatoare prismatice. Sunt doua tipuri constructive principale (fig. 2.2-37): (a) cu sectiune rectangulara sau circulara, din acrylic rigid cu grosimea de 4 mm si (b) cu sectiune circulara mica, din material microprismatic. Sursa de lumina este o lampa cu incandescenta cu halogen de 12 V sau o lampa cu descarcari cu reflector, amandoua producand un flux concentrat cuprins in 'unghiul de acceptare' de aproximativ 27. Transportul luminii in interiorul emitatorului se face prin reflexie interna totala in materialul prismatic. Emisia este cauzata de imperfectiunile structurii prismatice si de prezenta luminii in afara unghiului de acceptare. Pierderea de flux luminos este in jur de 2%/300 mm lungime tub si acest efect face ca tubul sa straluceasca. Cateva dispozitive sunt utilizate la controlul fluxului luminos produs de emitator:

- un material reflectiv, pentru acoperirea suprafetelor exterioare ale tubului care nu sunt utilizate ca emitator, avand ca efect redirectionarea fluxului inapoi in tub;

- un extractor, care consta dintr-o banda de material difuzant plasat in interiorul tubului ce face ca lumina incidenta sa fie imprastiata si sa scape prin peretii tubului de transport;

- o oglinda ce reflecta fluxul luminos ajuns la capatul tubului, reintroducandu-l in procesul de emisie.

Cateva proprietati fizice si fotometrice ale emitatoarelor prismatice sunt descrise in Tabelul 2.2-14, impreuna cu informatii despre alte doua tipuri de emitatoare, precum si date comparative pentru doua tipuri de corpuri de iluminat conventional. Emitatoarele prismatice cu diametru mic (100 mm) si lungimi de pana la 30 m sunt utilizate pentru orientare si in scop decorativ. Tuburile prismatice mari au suprafetele de emisie cuprinse intre 200 mm si 600 mm latime si 7 m lungime. Fluxul luminos emis de tuburi utilizate pentru orientare in exterior este scazut, in jur de 50 lm/300 mm lungime. Cel produs de emitatoare prismatice care au ca sursa o lampa cu descarcari, utilizate pentru iluminatul interior, este aproape jumatate din cel al corpurilor de iluminat conventionale mentionate in tabel. Luminanta ambelor tipuri de emitatoare prismatice este mult mai mica decat cea a corpurilor de iluminat conventionale. Luminanta variaza in lungul tubului. Distributia intensitatii luminoase a emitatorului prismatic prezinta o simetrie coaxiala, cu un maximum la un unghi de 15 fata de axa in directia opusa sursei. Eficientele mentionate in tabel se refera la ansamblul SICL.

Emitatoarele prismatice fabricate din film microprismatic sunt utilizate pentru marcarea soselelor si la semnalizari, iar cele din material rigid la decorarea cladirilor sau iluminatul spatiilor interioare cu sarcini vizuale pretentioase.

(2) Fante. Aceste emitatoare sunt fabricate din tuburi cu peretii interiori din film elastic de polietilemefat, care are o reflectanta mare (85% 90%), cu exceptia unei fante in lungul tubului (fig. 2.2-38). Lumina este transmisa prin reflexie directa. Fanta poate fi transparenta sau difuza. Dimensiunile unghiulare ale fantei variaza intre 30 110. Diametrul tubului variaza de la 250 mm (alimentat de la o lampa cu descarcari de 1 kW) la 1200 mm (alimentat de 8 lampi cu descarcari de 3,5 kW), cu sursele pozitionate la ambele capete ale tubului [?]. Raporturile dintre diametrul efectiv si lungime sunt mai mari decat pentru sisteme cu emitatoare prismatice - de la 20 la 50, dar cu toate acestea eficienta se situeaza intre 30% 40%. Instalatiile sunt proiectate cu un gradient de luminanta intre 10:1 si 15:1 de la sursa spre capat sau de la surse spre mijloc.

Sistemul a fost utilizat pentru iluminarea unor magazine, statii de metrou si spatii industriale in fosta URSS, furnizand o lumina difuza, fara umbre.

(3) Fibrele optice (ca surse liniare) pot fi utilizate ca emitatoare liniare prin simpla eliminare a invelisului exterior cu indice de refractie scazut. Cablurile optice sunt alimentate de la ambele capete, utilizand doua cutii de lumina, sau in bucla de la o singura cutie, pentru diametre de pana la 15 mm si lungimi de maximum 50 m. Efectul vizual produs este de banda luminoasa si aplicatiile tipice sunt de subliniere a contururilor unor cladiri, sisteme de orientare si la semnalizari. In unele aplicatii sunt utilizate ca inlocuitoare pentru lampile cu coloana pozitiva (tuburi pentru reclame luminoase).

Emitatoare propriu-zise. Exista doua tipuri uzuale:

(a) Conductalite este denumirea comerciala a unui emitator de lumina care consta dintr-un tub din aluminiu polizat cu reflexie directa prevazut cu panouri prismatice pe suprafata interioara (fig. 2.2-39). Sursa de lumina este o lampa cu descarcari de 250 sau 400 W cu un reflector care concentreaza lumina. Oglinzile de pe fetele din sectiunea conica a tubului reflecta lumina pe partea superioara a panoului din acrilic rigid. Dispozitivele sunt disponibile in lungimi de 3, 4 sau 5 m si au o eficienta de 36%. Fluxul luminos mediu este in jur de 500 lm /300 mm lineari. O singura sursa de lumina poate alimenta mai multe emitatoare, utilizand tuburi cu reflexie directa ca sistem de transport. Este folosit in mod curent la cladiri cu destinatii sportive (piscine), industriale si de depozitare precum si la iluminatul tunelurilor rutiere.

(b) Fibre optice (ca surse punctuale). Capatul cablurilor cu fibre optice poate fi utilizat ca sursa de lumina punctuala. Distributia fluxului luminos la iesirea din cablu se incadreaza in unghiul de acceptare al fibrei sau poate fi modificata prin lentile Fresnel sau difuzoare din plastic sau sticla, montate pe capatul cablului. Fluxul luminos al sistemelor utilizate la iluminatul de prezentare este in jur de 100 lm/fibra, cu o eficienta a intregului sistem de 30%.

Utilizare. SICL se utilizeaza la aplicatii decorative si de prezentare sau pentru iluminatul ambiental, dar foarte rar pentru iluminatul de lucru.

SICL sunt folosite in aplicatii unde este nevoie ca sursa si emitatorul sa fie separate de o anumita distanta, cum sunt cele in care sursele de lumina trebuie localizate in afara spatiilor cu risc de explozie, in care aportul de caldura al surselor de lumina este inacceptabil sau in care lampile si echipamentul auxiliar pot fi amplasate in spatii usor accesibile. De asemenea, SICL sunt recomandate daca se doreste un emitator care sa fie diferit de corpurile de iluminat conventionale prin dimensiuni, forma sau caracteristici ale luminii emise. Sistemele bazate pe tehnologia fibrelor optice sunt o alternativa a spoturilor de lumina miniaturale in iluminatul de prezentare si de accent al obiectelor mici.

Sistemele mari, destinate asigurarii unui nivel de iluminare ridicat in incaperi de lucru, vor avea un impact serios in proiectarea cladirilor. Desi lumina soarelui poate fi concentrata si canalizata prin ghiduri de lumina, ea nu este adecvata ca sursa pentru SICL aflate la latitudini temperate, datorita proportiei reduse din zi cand poate fi utilizata.

In Tabelul 2.2-15 sunt prezentate unele avantaje/dezavantaje ale principalelor sistemede iluminat cu conducte de lumina.