بخشی از مقاله
چکیده - بهرهگیری حداکثری از نور طبیعی خورشید در ساختمان جهت روشنایی، یکی از اصول ساختمان سازی است. ولی به دلیل محدودیت برخی بخشهای ساختمان امکان دسترسی مستقیم به نور طبیعی وجود ندارد. در این پژوهش، سیستمی مبتنی بر عدسی فرنل و فیبر نوری پلاستیکی جهت انتقال نور طبیعی خورشید طراحی و ساخته شده است که توانایی ردیابی خورشید با حداکثر دقت 0.1 درجه را دارد. همچنین با روشی جدید و با استفاده از یک سیستم گردش آب ساده و بدون استفاده از فیلتر مادون قرمز، آینه سرد یا آینه گرم از آسیب دیدن فیبرها توسط تشعشع متمرکز شده خورشید در کانون عدسی جلوگیری می شود. بازده شدت روشنایی 2.8 درصد و توان گرمایی 18 وات با این روش جدید به دست آمد.
-1 مقدمه
سامانه های روشنایی روز - Solar Daylighting - برای انتقال مستقیم نور خورشید به داخل ساختمان و روشنسازی فضای داخلی ساختمان با نور خورشید و همچنین در بعضی موارد برای استفاده همزمان از گرمای خورشید استفاده می شوند. این سیستم ها نور خورشید را توسط آینه سهموی یا عدسی فرنل جمعآوری کرده و با استفاده از لوله های نوری یا فیبرهای نوری پلاستیکی - POF - به داخل ساختمان منتقل می کنند.
هدف این سیستم ها انتقال بیشترین نور با کمترین هزینه به داخل ساختمان و استفاده همزمان از حرارت تولید شده است. مزیت فیبرهای نوری پلاستیکی، انعطاف پذیری بالا و قیمت مناسب آنهاست. ولی برای استفادهی عمده از این فیبرها باید مشکل حرارتی آنها حل شود .[1] به دلیل کانونی شدن نور در کانون کلکتور که می تواند آینه سهموی یا عدسی فرنل باشد، گرمای زیادی در کانون ایجاد می شود و موجب سوختن فیبرهای نوری پلاستیکی می شود.
در سال 2009 میلادی کاندیلی و همکارانش سیستمی با بازده 59 درصدی ارائه دادند اما اشاره ای به روش محافظت از فیبرها نکردند ولی در بخش نتیجه گیری روش جدیدی پیشنهاد دادند: اتصال و کوپلینگ فیبر پلاستیکی و فیبر سیلیکا برای بهره مندی از هر دو ویژگی انعطاف پذیری و تحمل دمای بالاتر .[2] استفاده از فیبرهای شیشه ای یا سیلیکا سه مشکل عمده دارند: عدم انعطاف پذیری، قیمت بسیار زیاد و اتلاف زیاد نور به خاطر کوپلینگ و اتصال این فیبرها با فیبرهای پلاستیکی. استفاده از آینه یا عدسی دوم - به همراه لایه نشانی فیلتر گرمایی - ، یک راه برای کاهش مشکل حرارتی است ولی در این حالت نور خروجی غیر یکنواخت شده و بازده کاهش می یابد .[3]
در سال 2013 میلادی سپیا سیستمی با رفلکتوری که از چندین آینه سرد ساخته شده بود پیشنهاد داد .[4] در این سیستم، آینه سرد اشعه مادون قرمز را عبور داده و نور مرئی را به داخل فیبر منعکس می کرد. از مادون قرمز نیز برای تولید برق به وسیله پنل و ذخیره و مصرف در شب استفاده میشد. استفاده از آینه سرد برای حل مشکل حرارتی روشی امیدبخش بود اما میزان و سطح فیلرینگ و مشخصات نوری آینه سرد بر اساس سطح تمرکز نور تغییر می کند. مشکل دیگر این روش ایجاد سایه در قسمت مرکزی فیبر توسط رفلکتور بود که سبب غیر یکنواختی نور می شد.
در روش های مرسوم از فیلترهای مادون قرمز و گاهی چند فیلتر برای حذف گرما و محافظت از فیبرها استفاده می شود. برای توزیع و انتقال یکنواخت نور با استفاده از عدسی یا آینه دوم، پرتوهای نور را موازی می کنند که البته این کار فیبرها را نسبت به حرارت نیز مقاومتر می کند. این مقاله، بر روی اثر گرمای زیاد کانون کلکتور بحث کرده و روشی برای حل این مشکل و جلوگیری از آسیب به فیبرهای پلاستیکی ارائه می دهد. در اینجا به فاکتورهای یکنواختی نور پرداخته نمی شود.
در این پژوهش، نور با استفاده از عدسی فرنل جمعآوری و کانونی میشود. برای انتقال نور از 260 تار نوری به ضخامت 0.85 میلیمتر استفاده شده که در مجموع قطر باندل آنها در حدود 14 میلیمتر و طول باندل در حدود 8 متر است. سیستم ردیابی طراحی شده قادر به ردیابی با دقت 0.1 درجه و در حد نیاز می باشد. بدون استفاده از فیلترهای مادون قرمز روشی برای محافظت فیبرهای نوری از ذوب شدن ارائه می شود.
-2 سیستم ردیابی خورشیدی
برای ردیابی از 4 عدد مقاومت نوری - LDR - که بین آنها 2 تیغه 20 سانتیمتری قرار داده شده، استفاده شده است.
-3 روشی جدید برای حل مشکل حرارتی
فیبرهای نوری پلاستیکی - POF - در طول موجهای مادون قرمز، اتلاف و جذب بالایی دارند. هرچند بخشی از طیف مادون قرمز توسط فیبر منتقل می شود ولی حتی مقدار جذب شده کم هم کافی است تا فیبرها ذوب شوند. در این سامانه، برای محافظت از فیبرها، آنها را تا فاصله ی شکل -1 مدار کنترل و حسگر سامانه ردیاب حدودی 8 سانتیمتر از ابتدای دسته فیبرها در آب قرار داده ایم. آب توسط پمپ در چرخش است.
مقاومت سنسورها بر حسب شدت نوری فرودی بر آنها و در نتیجه ولتاژ دو سر آنها تغییر میکند. آردوینو - برد کنترل - با مقایسه مقادیر سنسورها موتورها را به گونه ای حرکت می دهد که ولتاژ تمام سنسورها با هم برابر شود. در این حالت سیستم دقیقا مقابل خورشید قرار دارد. عدسی بر روی یک سامانه مکانیکی با دو درجه آزادی - زاویه سمت و زاویه ارتفاع - قرار داده شده است. برای هر جهت حرکت، از یک موتور گیربکسدار DC استفاده شده است - در شکل 2، زاویه سمت توسط موتور اول و زاویه ارتفاع توسط موتور دوم تنظیم می شود - .
