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jueves, 1 de agosto de 2013

ILUMINACIÓN SOLAR HÍBRIDA

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Esta es una traducción al español de la nota original en inglés Hybrid Solar Lighting, cuyo autor es Curt Maxey, ingeniero senior, investigador y desarrollador del Oak Ridge National Laboratory, en  Tennessee, EEUU y fue publicada por la revista Photonics Spectra en junio de 2008, quien gentilmente nos autorizó a realizar esta publicación.
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Fibra óptica trae la luz solar adentro

Los sistemas de iluminación solar híbrida(Hybrid solar lighting – HSL) enfocan la luz solar, altamente concentrada, en un haz de fibra óptica, para proporcionar luz solar en habitaciones sin ventanas, o sin tragaluces convencionales.Los flexibles haces de luz solar son facilmente enrutados a través de pequeñas aberturas y alrededor de obstáculos, para llevar la luz a donde es necesaria.Las fibras ópticas terminan en luminarias híbridas, donde la luz del sol es combinada con luz eléctrica, que es automáticamente ajustada, para mantener constante el nivel total de luz dentro del área iluminada.

El concepto de iluminación solar híbrida fue originalmente propuesto en el Oak Ridge National Laboratory(Laboratorio Nacional de Oak Ridge), en Tennessee, a mediados de la década del 90, pero los obstáculos de financiación impidieron la idea de ver la luz del día durante más de cinco años. La iluminación solar híbrida fue promocionada como un medio para el uso de la energía solar directamente, sin ningún tipo de pérdidas de conversión y para aumentar la calidad visual de la iluminación interior. Como tal, prometía ser a la vez eficiente y estéticamente atractiva, pero su complejidad técnica hace a los potenciales promotores ser cautelosos. Ellos tenían que estar convencidos de que el concepto de iluminación podría ser aceptado en el mercado y que los sistemas podrían ser fabricados a un costo aceptable.

Un sistema anterior de iluminacion con luz del día, comercializado a principio de los 90, usaba caras fibras ópticas de cuarzo para distribuir la luz y sirvió solo a un nicho de mercado que estaba dispuesto a pagar un precio alto por la novedad. En contraste, el sistema solar híbrido propuesto usa fibras ópticas baratas de plástico con luminarias híbridas(luz solar/eléctricas) que podrían ser tanto visual, como funcionalmente idénticas a las luminarias convencionales.
De esta manera, la iluminación podria ser integrada sin problema dentro del concepto de diseño  existente y entonces facilmente aceptado por los arquitectos y diseñadores de iluminación como un medio para ofrecer luz de dia como una opción de iluminación.

Finalmente, después de recibir su financiación inicial del  Departamento de Energía de los EEUU, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge dio a conocer en 2002 el primer prototipo del sistema de iluminación solar híbrido, que iluminaba la mitad del espacio de un laboratorio del 2do piso. Durante el primer tiempo, los visitantes podían comparar la calidad de la iluminación solar acoplada por fibra, en una parte de la habitación, con la luz del sistema fluorescente convencional del otro lado.

La forma en que funciona es que un seguidor(o rastreador) solar arriba del techo sigue al sol en el cielo (Figura 1). Entonces, los sensores recolectores de la luz del día mantienen un nivel constante de iluminación, aunque las nubes bloqueen al sol. Con el concepto demostrado con éxito, los siguientes esfuerzos de la investigación fueron dedicados a la reducción de costos y a la confiabilidad de los componentes.

Figura 1. Arriba del techo, el sistema controlador del seguidor se mueve con  
   el sol, captando la luz dentro de un haz enfocado que ingresa en la fibra óptica.
     Las longitudes de onda de IR y UV son dejadas afuera antes de que la luz visible
sea enviada dentro del edificio.

La complejidad técnica de la iluminación solar híbrida no es fácilmente trasladable dentro de un sistema de iluminación de costo razonable. El sistema debe seguir al sol con una exactitud de 1/8 de grado angular, independientemente de las condiciones del cielo y debe concentrar la luz solar(400x)dentro de un haz enfocado que sea estrecho como para entrar en la apertura numérica de la fibra óptica. También debe dejar fuera las longitudes de onda del infrarrojo(IR) y del ultravioleta(UV), a causa de que ambos son potencialmente dañinos para la fibra.

El sistema de iluminación solar usa un controlador de seguimiento, diseñado específicamente, que constantemente calcula la posición del sol(basado en la latitud, longitud, fecha y hora)y envía las señales de control de movimiento a las unidades de motor de azimuth y zenith(Figura 2). Un receptor del sistema de posicionamiento global, de bajo costo, proporciona un clock, continuamente actualizado, para asegurar el seguimiento confiable.El espejo parabólico primario de 1,2 m de diámetro es una superficie de 2da, aluminizada, de óptica plástica termo-formada, cuyo performance podría ser mejorado solo mediante el avance  de la tecnología en la fabricación de los espejos de plástico.El espejo secundario de silicato de boro está formado usando vidrio abajo para producir un elipsoide con una superficie cóncava, con un revestimiento dieléctrico multicapa que refleje solo las longitudes de onda de luz visible, quitando entonces el UV y el IR de la luz reflejada.

Figura 2. La luz del sol es captada cuando el mecanismo de seguimiento se
mueve hacia el sol y una serie de espejos enfoca elhaz dentro del receptor.

Desde el espejo secundario, la luz visible viaja al receptor de fibra óptica, donde es homogeneizada para asegurar su uniformidad antes de entrar en el haz de fibra óptica. El receptor es el componente final en la cadena de administración térmica y su diseño propietario ha evolucionado a través de una serie de procesos analíticos y empíricos. Igual con la longitudes de onda del IR eliminadas, introducir luz del sol altamente concentrada dentro de un haz de fibra óptica de plástico ha sido un desafío desalentador de administración térmica. El camino hacia el éxito ha sido difícil, con muchos prototipos carbonizados y derretidos durante el recorrido.

Sunlight Direct Inc. de  Oak Ridge, Tennessee, tiene la licencia de la tecnología y han sido instaladas aproximadamente 25 unidades en distintos lugares de los EEUU continental y Hawaii. Los primeros usuarios se sienten atraídos por la iluminación solar híbrida por su calidad, que es prácticamente indistinguible de la luz natural del día (Figura 3).





Figura 3. Se muestra una comparación del espectro de la luz solar visible(Sunlight) y la luz existente en el sistema solar híbrido(HLS), versus el espectro de una lámpara fluorescente típica de 4000ºK. La respuesta espectral del ojo humano es similar al   espectro solar y completamente diferente de la distribución espectral de la lámpara fluorescente. Esto puede explicar la preferencia  subjetiva que las personas tienen por el espectro de la luz del día.
Los próximos usuarios serán atraídos por la iluminación solar híbrida a causa del ahorro de  energía y de costo; por lo tanto, muchas de las instalaciones actuales son sitios de test beta , donde son instalados los instrumentos para determinar el ahorro de energía del sistema de iluminación. El costo aproximado es U$A 20.000  para iluminar un área de 1000 pié cuadrados(aprox. 93m2).Un sistema de iluminación solar híbrido paroduce hasta 50.000 Lúmenes.La electricidad ahorrada depende del tipo de luz eléctrica que está siendo reemplazada.Por ejemplo, el ahorro de electricidad es menos de 500W, cuando se reemplaza la iluminación fluorescente, pero puede ser más de 3.000W para incandescente.

Los incentivos fiscales y las tasas de servicios públicos locales, disponibles dentro de una región determinada, afectan significativamente el beneficio económico. Con los cambios de diseño actuales, se espera que el costo de la iluminación solar híbrida baje más de un 50 por ciento en los próximos dos años. Cuando esto suceda, el verde que va asociado con la luz solar acoplada por fibra estará al alcance de muchos más consumidores.


Meet the author
Curt Maxey is a senior research and development engineer at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee; e-mail: 
maxeylc@ornl.gov.





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