Световые трубки (также известные как солнечные трубы , трубчатые световые люки или солнечные туннели [1] ) представляют собой конструкции, которые передают или распределяют естественный или искусственный свет с целью освещения и являются примерами оптических волноводов .
В их применении к дневному освещению их также часто называют трубчатыми устройствами дневного освещения, солнечными трубами, солнечными телескопами или дневными трубами. Их можно разделить на две большие категории: полые структуры, которые содержат свет с отражающими поверхностями; и прозрачные твердые тела, которые содержат свет за счет полного внутреннего отражения . Принципы невизуальной оптики управляют потоком света через них. [2]
Изготовление специально разработанных инфракрасных световодов, полых волноводов и гомогенизаторов — нетривиальная задача. Это связано с тем, что эти трубки покрыты высокополированным инфракрасным отражающим покрытием из золота , которое может быть нанесено достаточно толстым слоем, чтобы эти трубки можно было использовать в высококоррозионных атмосферах. На определенные части световодов можно наносить технический углерод для поглощения ИК-излучения (см. фотонику ). Это делается для того, чтобы ограничить ИК-излучение только определенными областями трубы.
Хотя большинство световодов производятся с круглым поперечным сечением, световоды не ограничиваются этой геометрией. Квадратные и шестиугольные поперечные сечения используются в специальных приложениях. Шестиугольные трубы, как правило, производят наиболее гомогенизированный тип ИК-света. Трубы не обязательно должны быть прямыми. Изгибы в трубе мало влияют на эффективность.
Первые коммерческие системы отражателей были запатентованы и поступили в продажу в 1850-х годах Полом Эмилем Шаппюи в Лондоне, в которых использовались различные формы конструкций угловых зеркал . Отражатели Chappuis Ltd непрерывно производились до тех пор, пока фабрика не была разрушена в 1943 году. [3] Концепция была заново открыта и запатентована в 1986 году австралийской компанией Solatube International. [4] Эта система была продана для широкого использования в жилых и коммерческих помещениях. Другие продукты дневного освещения представлены на рынке под различными общими названиями, такими как «SunScope», «solar pipe», «light pipe», «light tube» и «tubular skylight».
Трубка, облицованная высокоотражающим материалом, проводит световые лучи через здание, начиная с точки входа, расположенной на его крыше или одной из его внешних стен. Световая трубка не предназначена для получения изображений (в отличие от перископа , например); таким образом, искажения изображения не представляют проблемы и во многом поощряются из-за уменьшения «направленного» света.
Входная точка обычно включает купол ( купол ), который имеет функцию сбора и отражения как можно большего количества солнечного света в трубку. Многие устройства также имеют направленные «коллекторы», «отражатели» или даже устройства с линзами Френеля , которые помогают собирать дополнительный направленный свет вниз по трубке.
В 1994 году группа Windows and Daylighting Group Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) разработала серию прототипов горизонтальных световодов для увеличения освещенности дневным светом на расстоянии 4,6-9,1 м, для улучшения равномерности распределения дневного света и градиента яркости по всему помещению при переменных условиях солнца и неба в течение года. Световоды были разработаны для пассивной транспортировки дневного света через относительно небольшие площади остекления входных отверстий путем отражения солнечного света на глубину, большую, чем обычные боковые окна или световые люки. [5] [6]
Установка, в которой лазерно-вырезанная акриловая панель расположена так, чтобы перенаправлять солнечный свет в горизонтально или вертикально ориентированную зеркальную трубу, в сочетании с системой рассеивания света с треугольным расположением лазерно-вырезанных панелей, которые распространяют свет по комнате, была разработана в Квинслендском технологическом университете в Брисбене. [7] В 2003 году Вероника Гарсия Хансен, Кен Йенг и Ян Эдмондс были награждены бронзовой премией Far East Economic Review Innovation Award за эту разработку. [8] [9]
Эффективность светопропускания максимальна, если трубка короткая и прямая. В более длинных, угловых или гибких трубках часть интенсивности света теряется. Для минимизации потерь решающее значение имеет высокая отражательная способность облицовки трубки; производители заявляют, что отражательная способность их материалов в видимом диапазоне достигает почти 99,5 процентов. [10] [11]
В конечной точке (точке использования) рассеиватель распространяет свет по помещению.
Первые полномасштабные пассивные горизонтальные световоды были построены в лаборатории дневного света Техасского университета A&M , где годовая производительность дневного света была тщательно оценена в вращающейся на 360 градусов комнате шириной 6 м и глубиной 10 м. Труба покрыта 99,3% зеркальной отражающей пленкой, а распределительный элемент на конце световода состоит из 4,6-метровой рассеивающей радиальной пленки с видимым пропусканием 87%. Световод обеспечивает постоянный уровень освещенности в диапазоне от 300 до 2500 люкс в течение года на расстоянии от 7,6 м до 10 м. [12]
Для дальнейшей оптимизации использования солнечного света можно установить гелиостат , который отслеживает движение солнца, направляя солнечный свет в световую трубку в любое время дня, насколько позволяют ограничения окружающей среды, возможно, с дополнительными зеркалами или другими отражающими элементами, которые влияют на траекторию света. Гелиостат можно настроить на захват лунного света ночью.
Оптические волокна также могут использоваться для дневного освещения. Система солнечного освещения на основе пластиковых оптических волокон разрабатывалась в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 2004 году. [13] [14] Система была установлена в Американском музее науки и энергетики, Теннесси, США, в 2005 году [15] и выпущена на рынок в том же году компанией Sunlight Direct. [16] [17] Однако эта система была снята с рынка в 2009 году.
Ввиду обычно небольшого диаметра волокон, эффективная установка дневного освещения требует параболического коллектора для отслеживания солнца и концентрации его света. Оптические волокна, предназначенные для передачи света, должны распространять как можно больше света внутри сердцевины; в отличие от этого, оптические волокна, предназначенные для распределения света, спроектированы так, чтобы часть света просачивалась через их оболочку. [18]
Оптические волокна также используются в системе Bjork, продаваемой компанией Parans Solar Lighting AB. [19] [20] Оптические волокна в этой системе изготовлены из ПММА ( полиметилметакрилата ) и покрыты оболочкой из Меголона, термопластичной смолы без галогенов. Однако такая система довольно дорогая. [21]
Система Parans [22] состоит из трех частей. Коллектор, оптоволоконные кабели и светильники, распространяющие свет в помещении. Один или несколько коллекторов размещаются на здании или рядом с ним в месте, где они будут иметь хороший доступ к прямому солнечному свету. Коллектор состоит из линз, установленных в алюминиевых профилях с защитным стеклом. Эти линзы концентрируют солнечный свет в оптоволоконных кабелях.
Коллекторы являются модульными, что означает, что они поставляются с 4,6,8,12 или 20 кабелями в зависимости от потребности. Каждый кабель может иметь индивидуальную длину. Волоконно-оптические кабели транспортируют естественный свет на 100 метров (30 этажей) в и через объект, сохраняя как высокий уровень качества света, так и его интенсивность. Примерами внедрения являются аэропорт Каструп , университет Аризоны и Стокгольмский университет .
Подобная система, но с использованием оптических волокон из стекла, ранее изучалась в Японии. [23]
Corning Inc. производит светорассеивающее волокно Fibrance. Fibrance работает, пропуская лазер через светорассеивающий оптоволоконный кабель. Кабель излучает светящееся свечение. [24]
Оптические волокна используются в фиброскопах для получения изображений.
Призматический световод был разработан в 1981 году Лорном Уайтхедом, профессором физики в Университете Британской Колумбии , [25] [26] и использовался в солнечном освещении как для транспортировки, так и для распределения света. [27] [28] Большая солнечная труба, основанная на том же принципе, была установлена в узком дворе 14-этажного здания юридической фирмы в Вашингтоне, округ Колумбия, в 2001 году, [29] [30] [31] [32] [33] и аналогичное предложение было сделано для Лондона. [34] Еще одна система была установлена в Берлине. [35]
Компания 3M разработала систему на основе оптической осветительной пленки [36] и разработала световод 3M [37] , который представляет собой световод, предназначенный для равномерного распределения света по всей его длине, с тонкой пленкой, включающей микроскопические призмы [26] , который продавался вместе с искусственными источниками света, например, серными лампами .
В отличие от оптического волокна, имеющего сплошной сердечник, призматический световод проводит свет через воздух и поэтому называется полым световодом.
Проект ARTHELIO, [38] [39] частично финансируемый Европейской комиссией , представлял собой исследование в 1998–2000 годах системы адаптивного смешивания солнечного и искусственного света, включающей серную лампу , гелиостат и полые световоды для передачи и распределения света.
Компания Disney экспериментировала с использованием 3D-печати для печати внутренних световодов для подсвечиваемых игрушек. [40]
В системе, разработанной Fluorosolar и Технологическим университетом Сиднея , два слоя флуоресцентного полимера в плоской панели улавливают коротковолновый солнечный свет, в частности ультрафиолетовый свет , генерируя красный и зеленый свет соответственно, который направляется во внутреннюю часть здания. Там красный и зеленый свет смешиваются с искусственным синим светом, чтобы получить белый свет, без инфракрасного или ультрафиолетового. Эта система, которая собирает свет, не требуя мобильных частей, таких как гелиостат или параболический коллектор, предназначена для передачи света в любое место внутри здания. [41] [42] [43] Улавливая ультрафиолет, система может быть особенно эффективна в яркие, но пасмурные дни; это связано с тем, что ультрафиолет меньше ослабляется облачным покровом, чем видимые компоненты солнечного света.
Солнечные световоды, по сравнению с обычными мансардными окнами и другими окнами, обеспечивают лучшую теплоизоляцию и большую гибкость при использовании во внутренних помещениях, но меньший визуальный контакт с внешней средой.
В контексте сезонного аффективного расстройства , возможно, стоит рассмотреть возможность того, что дополнительная установка световых трубок увеличит количество естественного дневного освещения. Таким образом, это может способствовать благополучию жителей или сотрудников, избегая при этом эффектов чрезмерного освещения .
По сравнению с искусственным освещением , световые трубки имеют преимущество в обеспечении естественного освещения и экономии энергии. Пропускаемый свет меняется в течение дня; если это нежелательно, световые трубки можно комбинировать с искусственным освещением в гибридной установке. [27] [44] [45] [46]
Некоторые искусственные источники света продаются со спектром, похожим на солнечный свет, по крайней мере, в видимом для человека диапазоне спектра, [47] [48] [49], а также с низким мерцанием. [49] Их спектр можно заставить динамически меняться, например, имитируя изменения естественного освещения в течение дня. Производители и поставщики таких источников света утверждают, что их продукция может обеспечивать такое же или подобное воздействие на здоровье, как и естественный свет. [49] [50] [51] Если рассматривать их как альтернативу солнечным световодам, такие продукты могут иметь более низкие затраты на установку, но потребляют энергию во время использования; поэтому они могут быть более расточительными с точки зрения общих энергетических ресурсов и затрат.
С более практической точки зрения, световые трубки не требуют электроустановок или изоляции и, таким образом, особенно полезны для влажных помещений, таких как ванные комнаты и бассейны. С более художественной точки зрения, последние разработки, особенно те, которые касаются прозрачных световых трубок, открывают новые и интересные возможности для архитектурного дизайна освещения . [ необходима цитата ]
Благодаря относительно небольшому размеру и высокой светоотдаче солнечных трубок они идеально подходят для ситуаций, ориентированных на безопасность, таких как тюрьмы , полицейские камеры и другие места, где требуется ограниченный доступ. Будучи узким диаметром и не в значительной степени подверженным влиянию внутренних решеток безопасности, они обеспечивают дневной свет в зонах без предоставления электрических соединений или доступа к эвакуации, а также не позволяя предметам проникать в защищенную зону.
Формованные пластиковые световые трубки обычно используются в электронной промышленности для направления освещения от светодиодов на плате к индикаторным символам или кнопкам. Эти световые трубки обычно имеют очень сложную форму, которая использует либо плавные изгибы, как в оптоволокне, либо острые призматические сгибы, которые отражаются от угловых углов. Несколько световых трубок часто формуются из одного куска пластика, что позволяет легко собирать устройство, поскольку длинные тонкие световые трубки являются частью одного жесткого компонента, который защелкивается на месте.
Индикаторы на основе световых трубок делают электронику более дешевой в производстве, поскольку старый способ заключался в установке маленькой лампы в небольшой патрон прямо за освещаемым пятном. Это часто требует большого ручного труда для установки и подключения. Световые трубки позволяют монтировать все лампы на одной плоской плате, но освещение можно направить вверх и в сторону от платы, где это необходимо.
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )