ОПТОВОЛОКОННОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ОПТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ СЛЕЖЕНИЯ НЕПОДВИЖНОГО КОНЦЕНТРАТОРА ЗА СОЛНЦЕМ
OPTICAL FIBERING LIGHTING DEVICE WITH OPTICAL METHOD OF TRACKING A STABLE CONCENTRATOR FOR THE SUN

Изобретение относится к области бытовых осветительных приборов, а именно, к приборам для освещения помещений с низкой естественной освещенностью: подвалов, коридоров, прихожих, ванных комнат, рудников, шахт, подземных автостоянок и гаражей, станций метро.
Общеизвестные электроосветительные приборы являются энергозависимыми, и обладают существенными недостатками: относительно высоким энергопотреблением, электрической и пожарной опасностью, малым сроком службы, плохим не естественным спектром (Приложение 1), и необходимостью специальной утилизации.
Известно, что в качестве естественного освещения сейчас по-прежнему применяются окна и зенитные фонари - световые прозрачные конструкции в кровле здания. Зенитные фонари устанавливают на крыше зданий, устраняя тем самым недостаток естественного освещения, но только на верхних этажах (Приложение 2). Кроме того, окна и зенитные фонари ухудшают теплоизоляцию помещений, они сложно монтируются, вносят изменения в конструкцию зданий, и поэтому, сравнительно дороги. В некоторых помещениях их применение просто не эффективно (северная сторона дома, дворы колодцы, первые этажи зданий с высокими деревьями перед окнами), или их установка не представляется возможной, например, в подземных станциях метро, в подземных гаражах и автостоянках, в подвалах и погребах.
Также известно, что экологически чистую солнечную световую энергию, можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей, используя затем электрическое освещение. Однако, при таком способе для освещения закрытых помещений неизбежно двойное преобразование энергии. Сначала, световая энергия преобразуется в электричество, а затем это электричество транспортируется по проводам, и снова преобразуется в свет. Учитывая низкий КПД преобразователей (обычно он составляет 10-20%), на освещение остается 1-2% от входной солнечной энергии. И световой спектр будет уже далеко не естественный - солнечный, а искусственный. [1]
Относительно недавно для освещения помещений естественным светом, стали использовать гибридные оптоволоконные устройства (Приложение 3). Концентратор в этих устройствах, выполненный из параболических зеркал, фокусирует солнечные лучи во входной торец оптоволоконного кабеля, по которому свет транспортируется затем в освещаемое помещение. Устройство содержит систему позиционирования, которая поворачивает зеркала в течение дня, постоянно направляя их на солнце, как это делает всем известный подсолнух. В течение дня, установленный на крыше концентратор собирает солнечную энергию, отслеживая ход светила по небу. Такие устройства являются сложными и дорогостоящими. Наличие системы слежения за солнцем, поворотного мотто подвесного кронштейна с двумя степенями свободы, требуют внешнего электропитания подводимого от сети, или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Стоимость такой системы достигает 16 тыс. долларов, а ее установка колеблется от 500 до 2000 долларов. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, не большая мощность из-за ограниченной площади концентратора, его большой вес и существенная ветровая нагрузка, являются основными недостатками данных систем. Тем не менее, несмотря на внушительные цены, по прогнозам экспертов, к 2020 г. в США планируется продать более 5000 гибридных оптоволоконных систем освещения.
Для упрощения оптоволоконных осветительных устройств, имеются конструкции неподвижных концентраторов, например, устройства, предложенные в патентах: United States Patent 3,780,722, или US 2012/0154941 А1. В данных конструкциях для концентрации светового потока применяются фоконы, либо специальные призмы, образующие матричные поверхности для сбора света, и его дальнейшей транспортировки по оптическим каналам (Приложение 5). Однако такие концентраторы обладают большой массой, и низкой эффективностью. Они не могут обеспечить высокую плотность светового потока в оптоволоконном жгуте, из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной, и малой выходной площадях торцов фоконов, с каждым последующим отражением, у световых лучей увеличивается угол отражения. Когда этот угол достигнет 90 градусов, продвижение лучей по фокону прекращается, затем лучи разворачиваются в обратном направлении, и выходят через входной торец (Приложение 4). Поэтому, такие концентраторы не позволяют обеспечивать передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.
Известны, также конструкции неподвижных концентраторов, в которых для увеличения плотности светового потока, совместно с фоконами используются сужающие линзы, например, патент РФ на ПМ №102747. Такие концентраторы имеют не большой угол по азимуту, т.е. обеспечивают малое время слежение за солнцем в течение дня. У цилиндрической (линейной) линзы фокус представляет собой не точку, а прямую линию, поэтому, такие концентраторы хорошо сужают световой поток только в одной плоскости, в которой солнце движется по небосводу. Изгиб линзы, или изменение ее толщины в этой плоскости, дают не большой эффект для снижения потерь световой энергии от некачественной фокусировки света на входной торец фокона. При перемещении солнца по небосводу, фокусное световое пятно будет вытянуто в форме ромба, и оно все равно будет смещаться в течение дня по фокусной линии. При этом входной торец фокона необходимо делать в виде эллипса, вытянутого вдоль фокусной линии, либо, использовать плоский фоконный жгут. И то, и другое, ведет к увеличению числовой апертуры, увеличивает площадь сечения оптического волокна, или приходится снижать плотность светового потока в оптическом волокне, а значит, снижается и эффективность осветительного устройства. Такие концентраторы, так же имеют большую массу, и большой расход материала при изготовлении линз.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение стоимости оптоволоконных осветительных устройств, уменьшение потерь световой энергии, снижение их массы, и ветровой нагрузки, увеличение времени работы в течение дня, увеличение срока службы и надежности при освещении труднодоступных для солнечного света темных помещений, при полной независимости от электричества.
Сущность изобретения. Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве применен неподвижный концентратор с оптическим способом наведения светового потока на входной торец фокона. Световой поток последовательно сужается в двух перпендикулярных плоскостях, при этом, солнечный свет, концентрируется на входной торец оптоволоконного кабеля фоконного типа, с помощью неподвижного куполообразного концентратора, выполненного на основе цилиндрических линз Френеля. Сначала поток солнечного света поляризуется в плоскости движения солнца по небосводу с помощью линейного коллиматора, состоящего из двух специальных неподвижных цилиндрических линз Френеля, сужающей и расширяющей. Затем плоский поляризованный световой поток попадает на ряд полосковых не симметричных линз Френеля и сужается в перпендикулярной плоскости до размеров входного торца фоконого жгута (кабеля). Одновременно с сужением, полосковые не симметричные линзы Френеля постоянно направляют концентрированный световой поток на входной торец оптоволоконного жгута. Окончательно световой поток сужается до размеров оптоволоконного жгута с помощью фоконного приемного участка жгута. На другом торце оптоволоконного жгута, находящегося в темном помещении, имеется рассеивающая линза, которая равномерно рассеивает свет, освещая это помещение (фото в приложении 6). Такой способ сужения светового потока в концентраторе, значительно упрощает устройство, исчезает необходимость механического позиционирования фокусирующего блока в течение светового дня, полностью отсутствует потребление электроэнергии, значительно увеличивается срок службы устройства, существенно возрастает безопасность его эксплуатации. Это позволяет значительно снизить цену устройства, и стоимость его обслуживания, уменьшить световые потери, и массу, расширить область применения, следовательно, увеличить тираж. Можно использовать данное устройство даже там, где нет электричества, и не только в помещениях с повышенной влажностью, но и в воде (бассейны, аквариумы, субмарины), и во взрывоопасных помещениях (шахты, рудники и химические предприятия).
Концентратор, предназначенный для приема и уплотнения солнечного светового потока, его ввода во входной торец оптоволоконного жгута, представлен на фигуре 1. Фокусирующий блок устройства, состоит из линейной (цилиндрической) сужающей линзы Френеля (1), которая выполнена на внутренней стороне прозрачного куполообразного корпуса (2). У цилиндрической линзы фокус представляет собой прямую линию. В непосредственной близости от фокуса сужающей линзы находится такая же линейная (цилиндрическая) линза Френеля, с таким же фокусным расстоянием, но только расширяющая световой поток (3). Для упрощения рисунка, линейная (цилиндрическая) сужающая линза Френеля (1), показана только на одной из проекций, а у расширяющей линзы Френеля (3), показано только место ее расположения на внутреннем куполе. После прохождения этой линзы, световые лучи снова оказываются параллельными друг другу, но световой поток становится плоским, т.е. он поляризуется в плоскости, почти параллельной плоскости дневного перемещения солнца. Небольшой угол смещения между плоскостями обеспечивает небольшое боковое смещение фокусной линии при движении солнца по небосводу. При движении солнца, плоский световой поток постепенно смещается в перпендикулярном направлении, и последовательно попадает на несимметричные полосковые линейные линзы Френеля, расположенные на следующем прозрачном куполе (4). Эти полосковые линзы образуют на куполе прозрачное поле (5), они смещены относительно друг друга, как в плоскости движения солнца по небосводу, так и в перпендикулярном направлении, в котором смещается фокусная линия. Таким образом, образованная ими поверхность имеет вид лесенки. Каждая из этих полосковых несимметричных линз (5), не только сужает световой поток в перпендикулярной плоскости, но и меняет угол преломления света в этой плоскости, постоянно направляя свет на входной торец оптоволоконного жгута. Ранним утром после восхода солнца, плоский световой поток будет проходить через крайнюю полосковую линзу (7). К полудню, световой поток сместится на среднюю полосковую линзу Френеля (8). К вечеру, перед заходом солнца, плоский световой поток сместится, и будет проходить через другую крайнюю полосковую линзу (9). Сужающую линзу Френеля (11), можно получить из плосковыпуклой линзы (10), путем пошагового смещения ее выпуклой поверхности, к ее плоской поверхности. Применение линз Френеля позволяет снизить вес устройства и его цену, за счет уменьшения материала на изготовление линз. Свет преломляется, и меняет свое направление, только на границе раздела сред, а не в самой линзе. Поэтому, обе линзы (10) и (11), концентрируют световой поток, практически одинаково.
Способ смещения фокусного пятна демонстрируется на фигуре 2. Несимметричная плосковыпуклая линза 14, и полученная из нее несимметричная линза Френеля 15, смещают фокус влево. У симметричной плосковыпуклой линзы 12, и симметричной линзы Френеля 13, фокус находится в центре линзы. Таким образом, плоский световой поток не только сужается в перпендикулярной плоскости с помощью набора полосковых линз Френеля, но и за счет последовательного изменения угла преломления в течение светового дня, направляется на входной торец фокона. Чем больше количество полосковых линз, и чем меньше их ширина, тем меньше шаг дискретности, и больше эффективность оптической концентрации света.
Далее концентрированный световой поток проходит фоконы оптических волокон, при этом постепенно сужаясь до размеров этих волокон, и после многократного отражения от их стенок, попадает на рассеивающую линзу в освещаемом помещении.
Оптоволоконный жгут (6), может быть изготовлен из кварца, но из-за своей хрупкости, диаметр его волокон делают не более 500 мкм. Такое волокно называется многомодовым. Кварцевый жгут сравнительно дорогой, из-за большого количества волокон в жгуте, но зато он имеет большую световую прозрачность [2], следовательно, малое затухание при прохождении светового потока (0,2-5 дБ/км). В устройстве может использоваться и полимерное оптоволокно (ПОВ). Однако ПОВ имеет значительно большее затухание света (100-500 дБ/км), но обладает хорошей гибкостью. Поэтому ПОВ изготавливают значительно большего диаметра, до 3 мм. [3]
Рассеивающая линза является стандартной деталью, поэтому на рисунке она не изображена. Оптоволоконное осветительное устройство, по сути, представляет выносное окно, роль которого выполняет неподвижный концентратор, с последующей транспортировкой света в освещаемое помещение по оптоволоконному кабелю.
Надежность данного осветительного устройства очень высока, поскольку оно не содержит подвижных деталей, за исключением блока сезонной коррекции. Этот блок изменяет угол места концентратора в диапазоне, всего от 0 до 0,5 градусов/сутки (в данном изобретении не рассматривается). Вес концентратора, ветровая нагрузка на него, и расход материала при изготовлении, не велики, в виду того, что применены пустотелые детали, выполненные из медицинского пластика, методом горячей штамповки. Внешний купол концентратора может в диаметре достигать 3 м, при его толщине 3-5 мм. В городе Сочи с такого концентратора можно получить в полдень до 3 кВт солнечной энергии. Для освещения темных помещений в стандартной квартире достаточно концентратора с диаметром 40-50 см.
2
При хорошей прозрачности, детали такого осветительного устройства практически не нагреваются. Эксперименты показали, что при освещении ванной комнаты (Приложение 6), рассеивающая стеклянная линза нагревалась всего на 0,4°C, а оптоволоконный жгут был теплее окружающего воздуха всего на 0,1°C. В данном эксперименте использовался концентратор с диаметром 20 см, и приемной площадью всего 70 см, этим и объясняется не высокая освещенность помещения. В эксперименте использовалось оптическое полимерное волокно фоконного типа из полиметилметакрилата (ПММА) с диаметром 1 мм, и длиной 10 м. Данное оптическое волокно не имело защитного покрытия, и поэтому светилось в темноте. Эксперимент проводился в ясную солнечную погоду в мае месяце, в полдень, в Москве. Цифровые значения физических величин, полученные при проведении эксперимента, хорошо согласуются с уже известными энергетическими величинами. [4] Результаты проведенных экспериментов дают основание утверждать, что заявляемое устройство найдет широкое применение, поскольку обладает рядом существенных преимуществ, по сравнению с существующими осветительными устройствами.
Розничная цена таких простых и надежных осветительных устройств, при их массовом производстве может быть меньше, чем цена аналога (гибридного устройства, приложение 3), в 100-200 раз. Расчет показал, что цена устройств, при массовом их производстве, будет находиться в пределах 5-15 тыс.руб./шт. Срок службы устройства ограничен только временем сохранения прозрачности деталей, и зависит от оптических свойств используемых материалов. Он на несколько порядков превышает срок службы газоразрядных ламп и тем более, ламп накаливания.
Легко прогнозируется большой гарантированный спрос на эту недорогую и нужную продукцию (Приложение 7). Тираж вполне может достичь миллионов оптоволоконных осветительных устройств в год. Фокусирующий блок (концентратор) можно изготовить в виде неразъемной, литой, цельной конструкции, применяя технологию, подобную той, что используется при изготовлении пластиковых канистр для воды.
Используемые источники информации
1. http://altenergiva.ru/sun/sroki-okupaemosti-solnechnyx-batarej.html#h2_1
2. http://studopedia.ru/4_137359_zatuhanie-v-opticheskom-volokne.html
3. http://www.pofcentre.ru/
4. http://al-vo.ru/o-zhizni/solnechnava-energiya.html