Wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego do celów oświetleniowych

Dążenie do zmniejszania zużycia energii stało się w dzisiejszych czasach jednym z najważniejszych priorytetów. Możliwość modernizacji oświetlenia cieszy się sporym zainteresowaniem użytkowników. Wynika to z faktu, że standardowa modernizacja oświetlenia nie wymaga dużego nakładu pracy i finansów. Należy jednak pamiętać o tym, że światło uzyskiwane z energii elektrycznej nadal jest najkosztowniejszą formą energii.

Biorąc pod uwagę proces wytworzenia energii elektrycznej, jej przesyłu i konwersji na promieniowanie, dla standardowo używanych w dzisiejszych czasach źródeł oświetlenia przybliżona sprawność energetyczna wytworzenia światła jest następująca: żarówka – 1,5%, świetlówka – 3,5%, LED – 9% [1, 6].

Słońce dostarcza na powierzchnię ziemi światło przez kilka lub kilkanaście godzin w ciągu doby. Zazwyczaj to naturalne i bezpłatne źródło światła jest w pewnym stopniu wykorzystywane poprzez okna i przeszklone fasady. Często jednak w ciągu dnia używa się światła elektrycznego ze względu na zbyt małą ilość światła dziennego docierającego do głębszych obszarów pomieszczeń lub w przypadku pomieszczeń bez okien. W takich sytuacjach korzystne byłoby dostarczenie światła poprzez wykorzystanie systemów doświetlających przy użyciu świata dziennego.

Kolejnym argumentem przemawiającym za maksymalnym wykorzystaniem promieniowania słonecznego na cele oświetleniowe jest fakt, że widmo energooszczędnego światła elektrycznego różni się diametralnie od widma światła dziennego. Promieniowanie słoneczne jest najzdrowszym dla człowieka rodzajem oświetlenia [2, 3]. Zatem oświetlenie oparte na systemach wykorzystujących światło dzienne pochodzące z promieniowania słonecznego jest nie tylko najzdrowsze, umożliwia również oszczędność energii elektrycznej.

Istnieje wiele rozwiązań technologicznych systemów pasywnych, które charakteryzują się tanią i prostą konstrukcją, jednak główną wadą jest brak możliwości kontrolowania ich działania. Wadę tę niwelują systemy aktywne polegające na koncentracji i transmisji światła. Tutaj z kolei wadą jest fakt, że są one kosztowniejsze i mają bardziej skomplikowaną konstrukcję.

W ramach projektu „Badania nad wykorzystaniem skoncentrowanego promieniowania słonecznego do doświetlania pomieszczeń” wykonano badania związane z tą tematyką. Wybrane wyniki i ich analiza przedstawione zostały w niniejszym artykule.

Opis stanowiska badawczego

Żeby przetransmitować większą ilość światła niż w standardowym układzie światłowodów, wykorzystano koncentrator promieniowania słonecznego. Urządzenie składa się z parabolicznego lustra o średnicy 1,2 m przymocowanego do odpowiedniej ramy, w którą wyposażony jest układ śledzenia położenia słońca – tzw. traker. Aby koncentrator mógł prawidłowo pracować, ruch trakera oparty został na algorytmie astronomicznym [4]. Traker został przedstawiony na rys. 1 (patrz: zdjęcie główne).

Traker wyposażony był w oprogramowanie dające użytkownikowi możliwość wyboru sposobu śledzenia: algorytm astronomiczny, pomiar kierunku maksymalnego natężenia promieniowania słonecznego czy też śledzenie ręczne. Wizualizacja oprogramowania przedstawiona została na rys. 2.

Do transmisji skoncentrowanego światła użyto kabla światłowodowego o długości 10 m składającego się z 25 żył (o średnicy 0,75 mm). W pobliżu ogniska koncentratora umieszczana była głowica kabla światłowodowego (rys. 3 i rys. 4), a drugi koniec światłowodu znajdował się w oświetlanym pomieszczeniu. Zarówno na dachu, jak i w pomieszczeniu umieszczono czujniki natężenia światła zintegrowane z programowalnym układem pomiarowo-sterującym PLC. Poza pomiarami natężenia oświetlenia wykonywano również badanie widma promieniowania transmitowanego z użyciem spektrometru optycznego Science-Surplus z detektorem Sony ILX511 linear CCD.

Dobór umieszczenia światłowodu odbywał się poprzez symulację metodą śledzenia promienia (Ray-tracing), gdzie bada się propagację w układzie optycznym wszystkich promieni. Przykładowy rezultat przedstawiono na rys. 3. Dzięki dokładnej symulacji układu optycznego można z dużą precyzją określić miejsce umieszczenia głowicy światłowodu – takie, żeby go nie zniszczyć w wyniku zbyt dużej temperatury, ale jednocześnie, żeby otrzymał odpowiednio dużą ilość światła.

Badanie transportu skoncentrowanego światła

Jedną z najważniejszych wielkości w badaniach nad transmisją światła jest współczynnik transmisji. Określa on ilość światła, jaką przepuści dany ośrodek. Znajomość wartości tego współczynnika pozwoliła na wybór odpowiedniego usytuowania głowicy kabla światłowodowego względem ogniska koncentratora, gdyż umieszczenie głowicy światłowodowej ma zasadniczy wpływ na ilość światła, jaka dotrze do ciemni.

Badania miały na celu wskazanie umiejscowienia, w którym na końcówkę światłowodu będzie padała jak największa ilość światła, a jednocześnie nie ulegnie ona zniszczeniu na skutek wysokich temperatur. Widok końcówki światłowodu w optymalnym położeniu przestawia wynik symulacji Ray-tracing – rys. 4.

Z weryfikacji pomiarowej wynika, że usytuowanie głowicy w odległości 100 cm od powierzchni lustra jest rozwiązaniem najbardziej efektywnym. Dla tego ustawienia zaobserwowano prawie sześciokrotnie większy strumień przetransmitowanego światła w porównaniu do światła padającego na czujnik zewnętrzny. Pojawiło się zatem wzmocnienie światła powstałego w wyniku wykorzystania skoncentrowanego promieniowania słonecznego.

W kolejnych badaniach wykonano charakterystyki widmowe pozwalające na ocenę jakości światła.

Pierwszym elementem mogącym wpływać na widmo promieniowania światła w omawianym układzie jest koncentrator promieniowania słonecznego. Pomiary wykazały, że widmo światła odbitego od koncentratora jest ciągłe. Zaobserwowano jedynie niewielkie odchylenia, niewpływające na cechy jakościowe przetransmitowanego światła (lekkie przesunięcie w kierunku fal krótszych).

Kolejnym elementem instalacji, który może powodować zniekształcenie charakterystyki widmowej jest medium transmitujące. Na rys. 5 widać, że widmo światła transmitowanego zmienia się w zależności od długości użytego światłowodu. W celu zbadania tej cechy do analizy transmisji światła dziennego użyto włókna światłowodowego o długościach: 1, 4, 10 i 17 m. W badaniach policzono stopień przepuszczenia światła w funkcji długości fali dla wybranych długości światłowodu.

Widoczne jest na rys. 5, że dla długości do ok. 5 m strata światła jest względnie niewielka – przechodzi ok. 70% światła wprowadzanego do światłowodu. Natomiast dla większych długości – ok. 10 m – strata ta stanowi praktycznie 3/4 wprowadzanego światła, a dla długości 17 m tylko 4% światła jest przepuszczane przez światłowód. Przeprowadzona analiza i otrzymane wyniki pozwalają wywnioskować, że dla tego typu światłowodu użyteczna długość to ok. 5 m. Długości między 5 a 10 m są jeszcze możliwe do stosowania, natomiast światłowody o długościach rzędu 15 m stanowią granicę transportu użytecznych (w celach oświetleniowych) ilości światła [4].

Wyniki przytoczone na rys. 5 wyraźnie wskazują, że wraz z długością rośnie zniekształcenie światła. Słabo przepuszczane staje się niewidzialne światło ultrafioletowe oraz światło przy długości ok. 630 nm, tłumienie to obejmuje jednak niewielki zakres, więc nie ma istotnego znaczenia dla celów oświetleniowych. Istotną cechą jest jednak to, że dla długości światłowodu powyżej ok. 10 m obserwuje się odcięcie światła czerwonego, co będzie skutkować tym, że światło po wyjściu ze światłowodu będzie sprawiało wrażenie światła zimnego, o odcieniu nieco bardziej niebieskawym niż światło słoneczne.

W ramach prac badawczych wykonano również symulacje komputerowe pozwalające wykryć miejsca utraty promieni w falowodzie.

Na rys. 6 widoczny jest sposób propagacji promieni wewnątrz światłowodu. Na odcinku prostym promienie odbijają się od granicy dwóch materiałów o różnym współczynniku załamania światła. Natomiast na zagięciu promienie przechodzą do płaszcza, gdzie część z nich przechodzi na zewnątrz – są tracone.

Na podstawie symulacji policzono, że w przypadku światłowodu zagiętego promieniem 1 cm straty światła wyniosły aż 90%. Zmniejszały się one wraz ze wzrostem promienia gięcia:dla r = 5 cm straty wyniosły 81%,a dla r = 10 cm – 71%.

Widać zatem, że zagięcie światłowodu ma istotny wpływ na sprawność układu [6, 7].

Światłowód dostarcza światło do specjalnie ukształtowanej oprawy, która przystosowana jest do mocowania kabla światłowodowego zawierającego nawet 50 żył o średnicy 0,75 mm każda. Widok takiej oprawki pokazano na rys. 7.

W systemie oświetleniowym celowe jest stworzenie oprawy oświetleniowej, która zawierać będzie kilka opraw światłowodowych oraz kilka typowych źródeł światła typu LED. W ten sposób możliwe będzie utrzymywanie stałego natężenia oświetlenia w pomieszczeniu przy zainstalowaniu czujnika natężenia oświetlenia – poprzez mieszanie światła słonecznego i elektrycznego.

W przypadku zaniku światła ze światłowodów (zachód słońca, zachmurzenie) odpowiedni sterownik zwiększa natężenie światła elektrycznego – w przeciwnym wypadku zmniejsza. W ten sposób można osiągnąć maksymalne oszczędności związane z wykorzystaniem światła naturalnego.

Za pomocą oprogramowania Dialux [8] prześledzono możliwość oświetlenia pomieszczenia za pomocą światłowodów. W tym celu wykonano symulację dla typowego pomieszczenia biurowego.

W pomieszczeniu modelowym zastosowano dwa źródła światła elektrycznego:

• lampę o mocy 78 W umieszczoną bezpośrednio nad stolikiem konferencyjnym
• oraz lampę o mocy 92 W nad stanowiskiem komputerowym.

Użycie takiego oświetlenia zapewniło wystarczające parametry. Widoczne jest to na rys. 8 i rys. 9, gdzie przedstawiono rzut tego pomieszczenia z mapą izoluksów (rys. 8) oraz mapę natężenia oświetlenia na płaszczyznach roboczych (rys. 9).

Odpowiednie wartości oświetleniowe można osiągnąć, jeżeli nad stanowiskiem komputerowym zlokalizujemy w niewielkiej odległości od siebie (ok. 40 cm) dwie końcówki światłowodu o strumieniu równym 1000 lm.

Natężenie oświetlenia wymagane nad stołem konferencyjnym osiągniemy, jeżeli również użyjemy dwóch końcówek umieszczonych nad stołem w odległości 70 cm wzdłuż dłuższej osi stołu.

Jedyny problem przy takim rozwiązaniu to zbyt niskie wartości natężenia oświetlenia w niektórych miejscach pomieszczenia, np. w rogach czy na niektórych fragmentach ścian.

W celu eliminacji tej niepożądanej sytuacji zastosowano dodatkowo cztery końcówki światłowodu o mniejszej wydajności świetlnej – 500 lm. Umieszczono je blisko rogów pomieszczenia.

Symulacja pokazuje, że w tym wypadku w używanych miejscach pomieszczenia natężenie oświetlenia nie spadnie poniżej 100 lux.

W razie konieczności dokładnego oświetlenia półek regałów czy trudniej dostępnych zakamarków wskazane będzie zainstalowanie oświetlenia LED o niewielkiej mocy. Nie będzie w tym wypadku opłacalne budowanie połączenia światłowodowego dla tych miejsc. Wynik symulacji w postaci odcieni szarości pokazano na rys. 9.

Wnioski

Najlepszym sposobem zmniejszenia zapotrzebowania na energię potrzebną do oświetlenia przy jednoczesnym zachowaniu dobrych parametrów jakościowych światła jest maksymalne wykorzystanie światła słonecznego.

Wysokie koszty światłowodów zmuszają jednak do poszukiwania nowych rozwiązań, takich jak koncentratory promieniowania słonecznego.

Dowiedziono, że światło z układu koncentratora ma parametry bardzo zbliżone do światła dziennego, o ile do przesyłu użyte zostaną kable światłowodowe nie dłuższe niż 10 m – zwłaszcza ze względu na duże straty ilościowe przy transmisji.

Należy przy tym pamiętać o możliwie najmniejszym stopniu zginania światłowodów, gdyż wpływa to niekorzystnie na sprawność transmisji. Wykazano, że takie światło może zostać użyte do oświetlania pomieszczeń.

Powstanie artykułu możliwe było dzięki dofinansowaniu uzyskanemu ze środków z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego 2007–2013, Działanie 1.3 „Regionalny system innowacji” w ramach projektu „Badania nad wykorzystaniem skoncentrowanego promieniowania słonecznego do doświetlania pomieszczeń”

Literatura

1. Bożek E., Chojnacki K., Alternatywne konstrukcje doświetlania pomieszczeń z wykorzystaniem układu koncentrującego promieniowanie słoneczne, „Wpływ młodych naukowców na osiągnięcia polskiej nauki”, 5 edycja: Zakopane 23.11.2013, Poznań 30.11.2013 i 1.12.2013, Wrocław 14 i 15.12.2013, Kraków 11.01.2014, materiały konferencyjne, Kuczera M. red.
2. Bożek E., Metodyka symulacji układów optycznych, „Metodologia badań wykorzystywana przez młodych naukowców”, Bochentnyn D., Walkowicz M. red., CREATIVETIME, Kraków 2014.
3. Bożek E., Wacławowicz J., Symulacja układu koncentrującego promieniowanie słoneczne metodą śledzenia promienia, „Dokonania Młodych Naukowców” nr 2/2014, s. 239–243.
4. Bożek W., Filipowicz M., Research on concentrated solar radiation transport, „Polska Energetyka Słoneczna” nr1–4/2013, s. 59–64.
5. Billewicz K., A dark side of the energy efficiency, „Rynek Energii” nr 5/2014, s. 32–40.
6. Filipowicz M., Wajss P., Tomski M. et al., Wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego w warunkach polskich, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2012, s. 30–32.
7. Bożek E., Filipowicz M., Wykorzystanie techniki śledzenia promienia do modelowania wysokotemperaturowych układów helioenergetycznych, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury”, t. 32, z. 62, nr 2/2015, s. 19–28.
8. www.dial.de.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!