بخشی از مقاله
چکیده - روشنایی خورشیدی به وسیله لولههای نوری یکی از شاخههای جدید انرژی های تجدیدپذیر می باشد، که به وسیله آنها روشنایی ساختمانها با تاباندن نور خورشید در آنها تامین می شود. پانلهای برش لیزری - LCP - مهمترین بخش سیستم های لولههای نوری می باشد. پانل برش لیزری از طریق ایجاد برشهایی با زوایای نزدیک به هم به وسیله لیزر روی صفحهای از جنس اکریلیک ایجاد میشود. وظیفه LCP هدایت نور به داخل سیستم لولههای نوری است،
به گونهای که بیشترین میزان پرتوهای نوری به صورت موازی با مسیر لولههای نوری را وارد سیستم نماید. این وظیفه در شرایطی که زاویه تابش خورشید در طول روز و همچنین در طول سال تغییر میکند حال آنکه LCP کاملا ثابت در محل نصب خود قرار گرفته است. در این مقاله روشی جهت تعیین زوایای برش لیزری بر روی LCP جهت حد اکثر کردن راندامان انتقال نور خورشید به داخل سیستم های لوله های توری با توجه به تغییر زاویه تابش آفتاب به وسیله الگوریتم ژنتیک ارائه می گردد.
-1 مقدمه
با توجه به بحران های زیست محیطی اخیر و همچنین هزینه های انرژی، امروزه در جهان جایگزینی انرژیهای فسیلی با انرژیهای تجدیدپذیر و از جمله انرژی خورشیدی به منظور کاهش و صرفهجویی در مصرف انرژی، کنترل عرضه و تقاضای انرژی و کاهش انتشار گازهای آلاینده با استقبال فراوانی روبرو شده است. کشور ما با دارا بودن حدود 300 روز آفتابی در سال یکی از مناطق با بهره مندی فراوان از نور خورشید در جهان می باشد به طوری که میزان تابش خورشیدی در آن بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده است که بالاتر از میزان متوسط جهانی است و موجب می شود بستر مناسبی جهت استفاده از سیستم های خورشیدی الکتریکی و غیرالکتریکی در کشورمان فراهم آید .[1]
محدودیت های فضا، اشتباهات در طراحی ساختمانها و شرایط فرهنگی موجب شده اند که در روز با وجود نور خورشید در اطراف ساختمان ها ساکنان مجبور به استفاده از انرژی الکتریکی جهت روشن کردن فضاهای داخلی ساختمان ها نمایند که این امر موجب بالا رفتن هزینه انرژی در ساختمان ها می شود. این در حالی است که با استفاده از سیستمهای لولههای نوری1 می توان به راحتی نور خورشید را به تمام نقاط داخلی ساختمان انتقال داد.[2] لولههای نوری از سه بخش اصلی تشکیل شده اند - شکل: - 1,1 -1 جمع کنندههای نور که وظیفه هدایت نور به داخل سیستم را بر عهده دارند -2 انتقال دهنده ها که نور را در درون سیستم هدایت می کنند.
-3 نازل ها که وظیفه انتشار نور را به درون فضای اتاق عهده دار هستند.
مهم ترین بخش سیستمهای لولههای نوری جمعکننده های اکریلیک علاوه بر وزن کم دارای مقاومت بیشتری نسبت به نوری میباشند که انواع مختلفی دارند. بهترین جمع کننده شیشه بوده و عایق حرارتی میباشند2]و.[6 های نوری پانلهای برش لیزری 2 - LCP - میباشند. برشهای لیزری ایجاد شده مانند آیینه موازی عمل میکنند و به وسیله بازتابهای داخلی روی سطح برشها بخشی از نور منحرف شده و بخش دیگر نور بدون اینکه منحرف شود عبور میکند. مقدار نور منحرف شده و منحرف نشده به عواملی مانند زاویه تابش خورشید، فاصله میان برشها و ضخامت صفحه اکریلیک بستگی دارد1]و.[5
شکل.1 نمای کلی یک سیستم لوله های نوری[2]
این پانلها از جنس آکرلیک میباشند که توسط لیزر برش خوردهاند. در بیشتر موارد برشها همگی موازی و با زاویه 90 درجه در کنار یکدیگر ایجاد می شوند. اشکال این کار افت محسوس توان ورودی در زمان های مختلف روز و همچنین فصول مختلف سال است. برای حل این مشکل باید زوایای برشهای مختلف بر اساس شرایط مکانی و تابشی تفاوت های جزئی با یکدیگر داشته باشند.[2] در این مقاله برای محاسبه زوایای بهینه LCP از الگوریتم ژنتیک3 استفاده شده است تا با استفاده از اصل بقای قوی تر بتوان زوایای بهینه را محاسبه نمود.
-2 محاسبات نور در LCP
پانل برش لیزری از طریق ایجاد برشهای لیزری به وسیله لیزر روی صفحهای از جنس اکریلیک ایجاد میشود. در شکل - 2 - یک پانل برش لیزری از جنس اکریلیک را مشاهده میکنید. صفحات
شکل -2 پانل برش لیزری[2]
در این قسمت برای فهم عملکرد LCP به عنوان یک جمعکننده برای سیستمهای انتقال نور؛ در وضعیتهای مختلف خورشید، مدلهای ریاضی را بررسی میکنیم. هدف این قسمت محاسبه مقدار نور منحرف شده و منحرف نشده به وسیله LCP برای زوایای مختلف نور برخوردی به سطح خارجی آن و بدست آوردن زوایای خروج نور از LCP میباشد2]و.[6 با دانستن زاویه نور - منحرف شده و منحرف نشده - ، میتوان مقدار انتقال نور از میان لوله نور را محاسبه کرد. برای فهمیدن نحوه عملکرد LCP، تئوری و خواص نور شناختی آن به طور مختصر در زیر مورد بحث قرار میگیرد - شکل2] - 3و. [5
-1-2 تئوری پانل برش لیزری
وقتی نور از میان یک LCP عبور میکند، بازتابهای داخلی اتفاق میافتد. نور با زاویه i1 به سطح بیرونی LCP برخورد میکند و با زاویه r1 در داخل قطعه میشکند. پرتوی نور با برخورد به برشهای لیزری داخل قطعه منعکس میشود. تعداد بازتابهای میان برشها به زاویه برخورد نور ورودی و پارامترهای طراحی LCP نظیر ضخامت پانل W و فاصله میان برشها D بستگی دارد شکل 2] - 4 - و.[5 علاوه بر این، عملکرد LCP به ضریب شکست ماده n و زاویه برشها بستگی دارد. وقتی پرتو نور در داخل قطعه میشکند، اگر به برش لیزری برخورد کند منعکس شده و منحرف میشود - . - fd در غیر این صورت با عبور از میان برشها منحرف نخواهد شد - . - fu مقدار نور منحرف شده یا منحرف نشده همچنین به زاویه نور ورودی و پارامترهای LCP بستگی دارد2]و.[4
شکل -42 زوایای برخورد و بازتاب در سطوح داخلی و خارجی 5]LCPو[2
دو حالت مختلف برای زاویه برشها وجود دارد. زمانی که = > 0 0و باشد. این دو حالت در زیر بررسی میشوند. حالت : 1 برشهای لیزری با زاویه . = 0 وقتی = 0 زاویه برخوردی i0 وجود دارد که در این زاویه تمام نور برخوردی به سطح پانل منحرف میشود. برای پیدا کردن i0 ، زاویه شکست r از طریق فرمول زیر محاسبه میشود:
