illumind
Proyecto 1 Sistema de captación,colección y transporte vertical de luz natural mediante fibra óptica
Instituto Tecnológico De Costa Rica Ingeniería En Diseño Industrial Diseño V Prof. Mario González
Elaborado Por: Manuel Campabadal Daniela Pérez Andrea Zamora David Zamora
Índice Introducción.................................................................................................................................................. 1 Antecedentes................................................................................................................................................ 2 Justificación...................................................................................................................................................3 Especificaciones........................................................................................................................................... 4 Alcances y limitaciones................................................................................................................................. 5 Segmentación de mercado........................................................................................................................... 6 Espacio Vertical............................................................................................................................................ 7 Caracteristicas de CR................................................................................................................................... 8 Tipos de luz................................................................................................................................................. 10 Marco teórico............................................................................................................................................... 11 Análisis de lo existente................................................................................................................................ 18 Análisis de las propuestas .......................................................................................................................... 33 Propuesta de solución.............. ...................................................................................................................35 Gradientes de mejoramiento........................................................................................................................ 40 Conclusiones y recomendaciones................................................................................................................ 41 Bibliografía.................................................................................................................................................... 42 Anexos...........................................................................................................................................................43
Introducción Hoy en día, la tecnología ha dejado de ser una variable más a tomar en cuenta y se ha incorporado como herramienta estratégica fundamental, tanto a nivel de cada empresa como a nivel del país en conjunto, por lo cual se trata de incursionar en una tecnología que permita un tipo de iluminación natural, sin ningún requerimiento eléctrico que logre mitigar el consumo de esta y el daño ambiental que su uso conlleva. A partir de una investigación sobre sistemas de iluminación natural existentes se determina que el uso de fibra óptica es esencial para el transporte de la luz, por lo cual se decide incursionar en sus características y componentes para lograr iluminar espacios durante el día. El uso de electricidad para iluminación es una de las mayores fuentes de consumo a nivel nacional, dado el impacto ambiental que este provoca se buscan fuentes alternas y se determina que la iluminación mediante luz directa proveniente del sol es una fuente muy poco explotada en el ámbito de iluminación de interiores, por lo cual se decide tomar provecho de esta y crear un sistema que permita la iluminación durante el día de espacios diversos. En el siguiente trabajo se muestra detalle a detalle cada una de las partes que conforman el sistema desarrollado para tal uso, logrando la iluminación deseada para espacios seleccionados.
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Antecedentes La mayoría de los sistemas de transporte de luz desarrollados hasta la fecha incluyen la utilización de una fuente alterna, siendo la electricidad la más utilizada. Las primeras aproximaciones científicas de iluminación mediante electricidad se hicieron en los siglos XVII y XVIII por investigadores sistemáticos, sin embargo la generación masiva de electricidad comenzó a fines del siglo XIX, cuando esta se extendió a las calles y casas. La creciente sucesión de aplicaciones posteriores tratadas con esta forma de la energía hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices, utilizada con prioridad en la segunda revolución industrial. La lámpara incandescente, invento mayormente atribuido a Thomas Alva Edison funcionaba a sus inicios con un filamento de carbono. La lámpara consta de un filamento de wolframio muy fino, encerrado en una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío, o se ha rellenado con un gas inerte, para evitar que el filamento se volatilice por las altas temperaturas que alcanza. Se completa con un casquillo metálico, en el que se ubican las conexiones eléctricas. La lámpara incandecente o bombilla es uno de los inventos más utilizados por el hombre desde su creación hasta la fecha. Las lamparas flourecentes, data del año 1856 cuando se realiza un dispositivo mediante el cual se obtuvo una luz de brillo azulado a partir de un gas encerrado en un tubo y excitado con una bobina de inducción, luego en 1926, se propuso incrementar la presión del gas dentro del tubo y recubrirlo internamente con un polvo fluorescente que absorbiera la radiación ultravioleta emitida por un gas en estado de plasma, y la convirtiera en una luz blanca más uniforme, con un casquillo metálico dnde se ubican las conexiones eléctricas.
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Justificación Dado el surgimiento de nuevas tecnologias de transporte de luz mediante fibra óptica sin intervención de electricidad se propone diseñar un sistema que logre colectar la luz del sol,y la transporte verticalmente hacia un espacio interior, por medio de una línea de conducción (en este caso fibra óptica) y concentrarla en los puntos donde se requiera. El transporte de luz actual se genera mayoritariamente mediante electricidad, la cual es una fuente efectiva, pero que requiere del consumo de gran cantidad de recursos, por lo cual surge la necesidad de aprovechamiento de la luz natural. Por lo tanto se crea y se detalla un sistema colector y un sistema de transporte de luz natural, cada uno de ellos desarrollado atravéz de tecnologías actuales compuestos por distintos elementos y materiales especificados durante el desarrollo del trabajo. Se utiliza el transporte de luz natural mediante fibra óptica ya que esta cuenta con caracteristicas altamente efectivas para iluminación, lo que permite mejorar la forma de iluminar espacios, además de reducir costos ya que no estaría presente el uso de electricidad y por consiguiente se aumenta la satisfación del cliente o usuario final. Tomando como referencia sistemas actuales que utilizan la tecnolgía de transporte de luz mediante fibra óptica se diseña un producto que capta la luz mediante lentes, siguendo el movimiento de la tierra con referencia al sol, y la transporta mediante un sistema de fibra óptica explicado a continuación.
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Especificaciones Concepto
Colectar la luz del sol, transportarla hacia el espacio interior, por medio de una línea de conducción y concentrarla en los puntos donde se requiera
Problema
Como diseñar un sistema de captación y colección de luz, para luego transportarla verticalmente a diferentes espacios internos.
Objetivo General
Diseñar un sistema de capte, colecte, y genere un transporte vertical de la luz solar directa para iluminar espacios interiores.
Objetivos específicos
1. Captar y trasnportar la luz solar directa 2. Crear una fuente luminosa natural que distribuya la iluminación en cierto espacio. 3. Crear un sistema de colección y difusión de luz solar directa.
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Alcances y limitaciones Alcances
El sector donde se planea poner en uso el producto abarca el valle central de Costa Rica, donde las horas efectivas de luz solar corresponden de 7 a 8 de enero a abril y de 4 a 6 de mayo a diciembre. La iluminación que alcanzará el producto logra cubrir un lugar de al menos 11,5 metros cuadrados, apegados a una base con el requiriemiento de 500 lux en toda el área, a como se va ampliando el área la luz comienza a difuminarse, y la única forma de lograr este requirimiento es la distribución adecuada de la luz transportada. Se requiere que la iluminación producida finalmente sea equivalente a 4 flourecentes T8 de 48 pulgadas en un espacio definido.
Limitaciones
Los movimientos de rotación de la tierra no varían, por lo cual la eficiencia alcanzada por nuestro producto solo se podría ver afectada por algún cambio en las condiciones climáticas del sector especificado.
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Segmentación de mercado La búsqueda de sistemas que por función redirigan la luz natural y que se pueda utilizar para espacios habitables donde la luz natural es casi imposible de utiizar; por este motivo se aproxima dirigir el proyecto a personas que hacen uso diario de espacios internos donde se hace difícil la llegada de luz natural, como lo es los edi�cios de gran cantidad de pisos, casas amplias y con pocas entradas de luz,edi�caciones de ; esto nos reduce la segmentación de mercado a dos tipos, geográ�co y psicográ�co o social-económico.
Segmento geográfico
Se establece que el sistema a generar se debe enfocar principalmente a ubicaciones done se concentra la mayor cantidad de edi�caciones, donde el sistema logre su mayor e�ciencia en la tarea; generalemente las grandes edi�caciones se encuentran en las cuidades bien formadas por lo que en el caso de Costa Rica, San José sería el lugar idóneo.
Segmento sociocultural
El proyecto establece buscar la e�ciencia y el transporte de la luz natural a lugares donde recibir este tipo de luz desde la parte superior de una edi� cación es casi imposible, por lo que la investigación y desarrollo del mismo sería adecuado para empresas, o personas con poder adquisitivo un poco elevado para generar una inversión a largo plazo de la nueva forma de transporte de luz.
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¿Que es un espacio vertical? En el siglo XlX se empieza a sustituir la edificación “maciza” o independiente, por la construcción que hacía posible la edificación de alturas mayores, en un tiempo menor y con mayores beneficios. El crecimiento demográfico de las ciudades ha provocado un incremento en la edificación vertical, dado el aprovechamiento de espacio y recursos, además de que el tiempo de construcción se reduce. Las edificaciones verticales consisten en construcciones de varios niveles, algunas veces llamados pisos, los cuales comparten una misma base. Dentro de ellas se ha implementado el uso de eco-tecnologías y ahorro de energía por medio de paneles y otros. Este tipo de edificaciones está en crecimiento gracias al ahorro que producen en cuanto a material y terreno, además de servicios que se comparten en la edificación como seguridad, limpieza y utilización de recursos.
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Características de Costa Rica Posición geográfica de C.R. Costa Rica se encuentra localizada dentro de las coordenadas geográficas 8° y 11°15', de latitud norte 82° y 85°, de longitud oeste. Cuenta con dos épocas bien definidas: la seca y la lluviosa. La época seca inicia a principios de diciembre y culmina en abril, y la lluviosa inicia en mayo y termina a finales de noviembre.
Distribución solar mundial
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An谩lisis
Horas
Promedio regional de luz solar 11 10 9
Los cuadros anteriores muestran que los meses donde hay mas presencia de luz solar por mas horas (entre 7 y 8) son de enero a abril, en todas las regiones, mientras que de mayo a diciembre vara entre las 4 y 6 horas diarias.
8 7 6 5 4 3 2 1
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SET
OCT
NOV
Horas
Promedio de luz solar en la regi贸n del Valle central
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ENE
FEB
Pac Norte
MAR Pac Sur
ABR
MAY
JUN
Valle Cen
JUL
AGO
Pac Central
SET
OCT
NOV
Zona Norte
Promedio de luz solar en todas las regiones
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Tipos de luz Tipos de iluminación Iluminación directa: Es en la cual la fuente luminosa está dirigida directamente hacia el área que se desea iluminar Iluminación Semi-directa: Proviene de la combinación de la luz directa de la fuente de luz y una parte del flujo luminoso que se refleja. Iluminación Indirecta: Es en la que la fuente luminosa es dirigida a una pared, techo o mobiliario la cual o las cuales reflejan al flujo luminoso a la zona a iluminarse. Iluminación Semi-indirecta: Es aquella en la cual la fuente emite flujos luminosos, unos inciden en el techo o en otro tipo de superficie que los refleja hacia la zona de trabajo, y las otras traspasan directamente superficies opacas y se distribuyen en todas las direcciones. Iluminación Difusa: Es aquella iluminación en la que la fuente luminosa emite rayos, y estos son dirigidos directamente a una superficie opaca y al traspasarla la luz se reparte uniformemente en todas las direcciones del área de trabajo.
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Marco Teórico Captador y Transportador de luz natural Son sistemas que poseen una alta tecnología para la captación y transporte de luz natural a espacios internos, donde esta se vi limitada o no es capaz de llegar. Existen muchas variedades de sistemas que desempeñan esta función como lentes, espejos, pmma, abs, ductos prismáticos y fibra óptica. En esta investigación nos basaremos en la creación de un diseño cuyo funcionamiento será por fibra óptica. En su mayoría son sistemas que constan con una unidad de lentes, que se enfocan en dirección a la luz solar, poseen terminales de cables de fibra óptica. La fibra óptica transportara la luz solar captada, de forma eficiente, hasta el punto de salida, en este caso el espacio que se necesita iluminar. Estos sistemas, vienen dotados por mecanismos de seguimiento automáticos, que facilitan la detección de la posición del sol con gran precisión para obtener un máximo rendimiento a lo largo del día.
Ejemplo de Sistema (himawari)
capta la luz
La focaliza
La transporta
Sale la luz natural
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Marco Teórico Fibras óptica La fibra óptica es un medio de transmisión usado comúnmente en redes de datos. Consiste en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan lo transmitido. El haz de luz se extiende por el interior de la fibra, donde se va reflejando contra las paredes ángulos muy abiertos, por lo que avanza por su centro. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se usan en telecomunicaciones, porque permiten enviar gran cantidad de datos a en grandes distancia, con altas velocidades. Es el medio de transmisión por excelencia al ser resistente a la interferencia electromagnética. También se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión. Actualmente, esta siendo utilizada para el transporte de luz solar, por su eficiencia.
Fibra Óptica
Ventajas de la Fibra - Tamaño pequeño - Es flexible, radio de curvatura puede ser 1 cm - Gran ligereza - Resistencia a la interferencia electromagnética. - Gran seguridad - No produce interferencias - Gran resistencia mecánica - Resistencia al calor, agua, frío y corrosión - Costo menor a el del cobre. - Puede transportar el haz de luz de cualquier color 12
Marco Teórico Fibras Multimodo y Monomodo 1. Fibras monomodo Esta es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. El diámetro del núcleo de la fibra es de t 8,3 a 10 micrones que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo. Permiten alcanzar grandes distancias, hasta 400 km como máximo, mediante un láser de alta intensidad y transmitir elevadas tasas de información 2. Fibras Multimodo: En este tipo de fibra los haces de luz pueden circular por varios caminos o modos. Por lo cual no llegan todo a la vez, puede tener más de mil modos de propagación de luz. Se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 2 km. Cuentan con un índice de refracción superior, el núcleo de una fibra multimodo es de gran tamaño, por lo cual es más fácil de conectar y tiene mayor tolerancia a componentes de menor precisión. 2.1 Fibra multimodo de índice escalonado: En este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica. 2.1 Fibra multimodo de índice gradual: En este tipo de fibra el índice de refracción no es constante y el núcleo se constituye de distintos materiales.
Monomodo
Núcleo
Has de luz
Multimodo
Núcleo
Has de luz
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Marco Teórico Lentes Fresnel Son lentes de vidrios tallados o plásticos. Su diseño consiste en lentes que poseen anillos circulares, concéntricos y consecutivos con distintos cortes que trabajan como uno solo. Su diseño permite hacer que los rayos de luz lleguen paralelos al eje óptico y tiendan a concentrarse en un punto, focalizándose. Se caracterizan por poseer una gran apertura y una corta distancia focal, sin el peso y volumen de materiales que deberían usarse en el lente convencional para obtener el mismo resultado. Se utiliza en aplicaciones cinematográficas, reflectores para cocinas solares e iluminación interior.
Funcionamiento del lente fresnel
Iluminación interior Dependiendo de la distancia entre el lugar que se quiere iluminar y la cubierta de un edificio se puede introducir luz natural, sin transferencia de calor. Un sistema de captación y transporte de luz natural puede estar equipado con lentes Fresnel. El lente será el que capte los rayos de luz solar en forma perpendicular y los reflejara de manera puntual en el sistema de transporte utilizado, en este caso al conector de entrada de la fibra óptica.
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Marco Teórico Movimiento del sol segun CR Los mecanismo de seguimiento son necesarios por los diferentes fenómenos astronómicos que se desarrollan a lo largo del año. Estos permiten posicionar los paneles de tal forma que se largo un mayor aprovechamiento solar no solo a lo largo del día sino a lo largo del año. Solsticios Solsticio se relaciona con el movimiento anual del Sol. Los solsticios son los momentos del año en los que el Sol alcanza su mayor o menor altura en el cielo. Por lo que la duración del día o de la noche son las máximas del año. En el hemisferio Norte el solsticio de verano es el 20 de junio mientras el de invierno es el 21 de diciembre. En los trópicos la diferencia no es tan marcada. En el caso de Costa Rica el solsticio de verano dura 12 horas 40 minutos, sólo 1 hora 10 minutos más que su día más corto. Mientras que el solsticio de diciembre, es el más corto del año en el hemisferio norte. En los solsticios el Sol alcanza la máxima declinación ya sea en el norte con +23º 27’ o en el sur con −23º 27’ respecto al ecuador terrestre. Costa Rica, sufre declinaciones similares, causando alcanzar un ángulo de 13º en junio y de 33º en diciembre.
Solsticio de junio
Solsticio de diciembre
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Marco Teórico Equinoccio Se conoce como equinoccio al evento astronómico que ocurre dos veces al año. El sol se sitúa en el plano del ecuador terrestre, es decir los dos polos se encuentran a igual distancia del sol, siendo la cantidad de luz solar igual en ambos hemisferios. Por lo que el día y la noche tiene la misma duración. Este fenómeno es exclusivo de las regiones que se ubican entre las latitudes de 23,5° Norte y 23,5°Sur. En Costa Rica se desarrolla ente el 9 y 18 de abril y por segunda vez entre el 23 de agosto y 1 de setiembre. Radiación Solar en Costa Rica Costa Rica cuenta con dos etapas climatológicas, la seca y la lluviosa. Durante la época seca el gradiente radiactivo aumenta, por la disminución de la nubosidad y al aumento de la transparencia atmosférica. En el caso de la estación lluviosa este gradiente disminuye ya contara con mayor nubosidad lo que provocara menor variación espacial de la radiación solar; al lo que se le sumara un aumento en la precipitación.
Equinoccio
Promedio medio anual de la radiación solar en CR
Cantidad
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Marco Te贸rico Componentes Diametro: 5 x 5 In Distancia focal: 2,8 in
Lente fresnel
Diametro entrada: 14 mm
Inlet Crimp
Diametro salida: 10 cm
Motor paso a paso y servomotor *ver propuesta final
paso a paso
Servomotor
de doble capa
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An麓alisis de lo existente (mercado) Clasificaci贸n de sistemas comerciales de transporte de luz
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An´alisis de lo existente
Himawari
Parans
Fotosensor: sigue la trayectoria del sol durante el día Capacidad de giro de 352° Lentes asféricas que dirigen la luz solar, , a un cable de fibra optica Diametro del cable 7,5 mm Recorrido de la luz: 150 m
Fotosensor: sigue la trayectoria del sol durante el día Capacidad de giro total Cables de fibra [optica que dirigen la luz hasta las luminarias interiores Combinaci[on de la luz solar y luces LED Recorrido de la luz: 200 m
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Análisis de lo existente
Ciraligth
Solatubs
Espejos reflectores Un controlador auto-programado para conocer la posición exacta del sol Ánguo de 10° sobre el horizonte Inyecta la luz mediante lentes difusores Aprovechamiento de la luz del sol de 9.2 horas hasta 13 horas
Tragaluces tubulares Sistema de luces LED Material del tubo: Reflectante Angulos de 25° para distribuir la luz Duracion de hasta 20 años Radios de distribución de hasta 5 m
*Iluminación mediante lentes y espejos 20
Parans (receptor) Sp3 reciver 570 mm
Cable de 35m de diámetro 6 cables de fibra óptica 1140 mm
270 mm
Tabla de especifícaciones Parans System Longitud Cable de fibra óptica Cable de alimentación Conducto protector, longitud Conducto protector, diámetro Conducto protector, diametro interno Conducto ,protector, lmaterial Diametro del cable de fibra óptica Extremo del cable Material de la fibra óptica Material de revestimiento Transmision de luz Salida de luz Salida de luz de cada cable Angulo de exanción de luz Radio máximo de doblado
SP3 5 5m 6 pcs 1 pcs primeros 3 m 35 mm 29 mm PA6 7 mm 18 mm Acrílico PE 96 %/m 4360 lm 730 lm approx. 60° 50 mm
SP3 10 10 m 6 pcs 1 pcs primeros 3 m 35 mm 29 mm PA6 7 mm 18 mm Acrílico PE 96 %/m 3670 lm 610 lm approx. 60° 50 mm
SP3 15 15 m 6 pcs 1 pcs primeros 3 m 35 mm 29 mm PA6 7 mm 18 mm Acrílico PE 96 %/m 3090 lm 510 lm approx. 60° 50 mm
SP3 20 20 m 6 pcs 1 pcs primeros 3 m 35 mm 29 mm PA6 7 mm 18 mm Acrílico PE 96 %/m 2590 lm 430 lm approx. 60° 50 mm 21
Himawari Sistema de iluminaci贸n natural.
Himawari System Diametro de lentes Cable de fibra 贸ptica Area de recepcion solar Peso Liminosidad
12 lentes 95 m 2 pcs 2552 cm2 14 Kg 3840 lm
36 lentes 95 m 6 pcs 851 cm2 88 Kg 11526 lm
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Análisis de lo existente Patente US 6341041 B1
Patente WO 2012062941 A1
https://www.google.com/patents/US6341041?dq=US6341041&h l=en&sa=X&ei=j2o6UobZEYm49QS6woDQDw&ved=0CDkQ6A EwAA
https://www.google.com/patents/WO2012062941A1?cl=en
Internal natural light delivery system
Sistema de suministro de luz natural para interiores. Recoge los rayos de luz a través de una serie de superficies reflectantes que dirigen la luz a un área determinada de un edificio. El sistema incluye un colector con un sistema de seguimiento del sol y un reflector principal, que están situados en el interior, en una cavidad que es adyacente a una estructura translúcida dentro del edificio. Además contiene un difusor para la dispersión de los rayos de luz en el espacio interno deseado.
System for natural lighting by optical waveguiding and light extraction, applied to buildings
Sistema óptico para el transporte de la luz natural en un edificio, formado por una guía hueca que tiene una capa periférica formada por dos tipos de láminas de plástico prismáticos que realizan funciones de guiado y de extracción, sin elementos geométricos adicionales. La hoja realiza las funciones de extracción. La cantidad de luz extraída en una posición determinada de la guía puede ser regulada por medio del aumento o la disminución en el área de la hoja de extracción.
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Análisis de lo existente Patente EP 2444719 A2
Natural lighting apparatus and hybrid illumination system using same https://www.google.com/patents/EP2444719A2?cl=en&dq=EP24 44719A2&hl=en&sa=X&ei=OWs6UoC7D4Ky9gS1joDwAQ&ved =0CDkQ6AEwAA Sistme de iluminación natural. Focaliza la luz del sol en un solo lugar por medio de componentes de condesacion, de este modo es capaz de suministrar la luz del sol de un alto flujo luminoso en interiores. Además, la presente invención se refiere a un sistema de iluminación híbrido que posee el sistema de iluminación natural junto con una iluminación artificial. Sin embargo, se utiliza al máximo el sistema de iluminación natural, permitiendo así que el ahorro de energía.
Patente US 7057821 B2
Integrated artificial and natural lighting system https://www.google.com/patents/US7057821?dq=US7057821&h l=en&sa=X&ei=X2s6UuejE5G89QSpz4DwCA&ved=0CDkQ6AE wAA Sistema de iluminación artificial y natural, situado en la azotea de un edificio. Una célula fotovoltaica suministra electricidad almacenada en una batería. Un revestimiento interior altamente reflectante, aplicado al eje, maximiza la intensidad de la luz. Un sensor detecta la intensidad de la iluminación y la temperatura dentro de la cavidad de luz para controlar el equilibrio de la luz natural y artificial, tratando de mantener la intensidad de iluminación predeterminado. El eje de la luz está aislada para reducir la transferencia de calor y un colector térmico elimina el calor del edificio. En una forma de realización, una lente de Fresnel se utiliza para enfocar la luz natural en la célula fotovoltaica.
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Análisis de lo existente Patente US20130155643 A1
Patente 20130069532
http://patents.com/us-20130155643.html
http://patents.com/us-20130069532.html
Sistema de iluminación de la luz natural. Un colector de luz del día recoge la luz solar, que es guiado al interior de un edificio que se quiera iluminar. Un material fotoluminiscent está dispuesto dentro de la trayectoria óptica y emite luz fotoluminiscente que compensa la absorción de la luz solar por la guía de luz. Esto permite proporcionar compensación de iluminación la luz del día de una manera técnicamente relativamente simple.
Sistema para la iluminación de interiores. Un conducto de luz se coloca en la acera que tiene una superficie interior reflectante para la transferencia de la luz natural. Una lámpara está conectada a una salida del conducto de luz de tal manera que la luz natural y la luz artificial se emiten desde el artefacto de iluminación al interior del edificio. Un fotosensor se coloca en el interior del edificio para detectar un nivel de iluminación en el mismo. Un controlador se comunica con el sensor y la luminaria se programa para ajustar la cantidad de luz que se desea emitir, en respuesta a las fluctuaciones en el nivel de iluminación detectada en el interior del edificio.
Daylight illumination apparatus
Lighting System Combining Natural and Artificial Light
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Análisis de lo existente Patente EP 1174658 B1
Patente US5575860 A
https://www.google.com/patents/EP1174658B1?cl=en&dq=EP11 74658&hl=en&sa=X&ei=qWs6Up6vH4e48wTY3oHoCg&ved=0C DcQ6AEwAA
https://www.google.com/patents/US5575860?dq=US5575860+A &hl=en&sa=X&ei=0ms6UpC4GZLI9gSPnoGwCg&ved=0CDkQ6 AEwAA
Sistema portador de luz natural. Contiene un sensor de luz solar situado fuera del edificio, una guía de luz y un difusor. La superficie de salida del difusor se compone de una película de iluminación óptica que descansa sobre una hoja de policarbonato transparente. El sensor de luz solar es capaz de seguir el curso del sol, de forma activa, siguiendo la altura sobre el horizonte para aprovechar sus capacidades para recibir la luz y está equipado con una lente de Fresnel que consiste en una película y se establece una concentración de luz en una habitación estrecha y donde el interior de la unidad es compuesta de la guía de luz y el difusor, hay un reflector de aluminio que se curva desde la guía de luz a la base del difusor.
Un sistema de generación de energía solar de fibra óptica, Contiene una torre fuera del eificio con una multiplicidad de colectores de luz. Un tronco de fibra óptica lleva la energía óptica recogida a la estructura. Una instalación fotovoltaica distribuye la luz desde el tronco de la fibra óptica hasta las salidas dentro del eificio. Los transductores no deben ocupar grandes zonas de la propiedad.
Light carrier system for natural light
Fiber optic power-generation system
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Análisis de lo existente Patente US 4297000 A Solar lighting system
https://www.google.com/patents/US4297000?dq=US+4297000+A &hl=en&sa=X&ei=82s6UqP4DYr48gTYyoDICQ&ved=0CDcQ6AE wAA La energía de luz del sol se dirige por un dispositivo colector solar en el extremo de un haz de fibras ópticas. Los medios que podrán incluir un sistema de seguimiento se proporciona para mantener el dispositivo colector dirigida hacia el sol durante todo el día para que la máxima cantidad de energía de la luz sea recogida. El haz de fibra óptica puede ser escendido para proporcionar la luz en diversas áreas a través de diversos dispositivos de utilización como lámparas.
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Análisis de lo existente Cuadro comparativo de patentes Frecuencia Sistema de Condensación
1/9
Espejos cóncavos
5/9
Espejos Reflectores
6/9
Difusor de luz
4/9
Fotoceldas
4/9
Sistema Móvil
4/9
Sistema Giratorio
4/9
Localizador solar
5/9
Controlador de calor
1/9
Recolector de luz
7/9
Batería
1/9
Material fotoluminoso
3/9
Tubería de distribución
5/9
Fibras Ópticas
1/9
Lentes
4/9
US 6341041 B1
WO 20120 62941 A1
EP 2444719 A2
US 7057821 B2
US 201301 55643 A1
20130069532
EP1174658 B1
US5575860 A
US 4297000 A
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Conclusiones del análisis Definicion del espacio
Se determina un lugar de al menos 11,5 metros cuadrados, apegados a una base teórica que nos asegure que nuestro producto cubra esta área por completo con el requiriemiento de 500 lux en toda el área, a como se va ampliando el área la luz comienza a difuminarse, y la única forma de lograr este requirimiento es la distribución adecuada de la luz transportada.
6 lentes
12 lentes
6 cables
1920 lm
18 lentes
12 cables
3840 lm
18 cables
5760 lm
con iluminancia de 500 lux 29
Conclusiones del análisis Definicion del espacio
Por medio de un pequeño cálculo y uso de equivalencias, se determina que se requieren 5750 lumenes transportados para cubrir la zona de 11,5 m2; esto de una forma ideal y tomando en cuenta que el espacio se va alumbrar de forma uniforme. Si embargo por el ángulo de apertura de la fibra, este espacio puede ser iluminado 12 cables de 6 fibras cada uno, a unos dos metros de distancia entre el suelo y el techo.
Alcance real de luz de una fibra
Se dice que una fibra logra iluminar 3,8 m2 con una iluminansia de 500 lux a una altura de 2 m, esto por el ángulo de apertura, por lo que haciendo una recolección de datos del sistema Himawari, se podría iluminar de forma casi uniforme 53 m2 usando 12 cables de fibra óptica (esto usandolo de forma ideal despreciando la distancia de la salida de luz al suelo), por lo que a una altura de 2 m se logra iluminar 11 m2.
3m
1 cable
3,8 m
2m
3m
3,75 m diametro 2m
equivalencia de requerimiento 3800 lumenes son generados por al menos 4 fluorescentes T8 estándares de 48 pulgadas
Área iluminada El área iluminada corresponde a una oficia que requiere de 350 a 500 lux para ejecutar sus actividades
3,8 m2
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Conclusiones del análisis Arquitectura definida
A partir de la investigación previa de los sistemas existentes y de sus componentes, se toman las mejores características de los diferentes sistemas y se trata de generar una nueva arquitectura. Nuestro sistema de recolección cuenta con unificación de los diferentes productos existentes redirigiendolo a un fin distinto.
Lentes fresnel 95 mm
soporte estructural
proyector o sostén de lente
inlet de 4mm de diámetro motores paso a paso cajas de recolección
fibra óptica de 6 filamentos outlet de 14 mm de diámetro
Base ajustable
bombilla 31
Conclusiones del análisis Arquitectura definida
Sistemas Himawari
Sunlight direct
Parans
Fresnel 95 mm
Concavo
Convexo
Lentes fresnel 95 mm
Sensor óptico
sensor óptico fotoresistente
Proyector o sostén de lente Sosten o proyector
Paneles solares
paneles solares y su sistema de generación de energía
Panel de control
panel de control
inlet 5 mm entrada
4 mm entrada
14 mm entrada
fibra óptica monomodo
fibra óptica multimodo
salida 14 mm
salida 8 mm
salida 8 mm
tipo fluorescente
direccionadas en fila
direccionada en grupo
Fibra óptica
fibra óptica
Outlet
Bombilla
partes seleccionadas para nuestro producto 32
Análisis de las propuestas Propuesta 1
Conclusión
La geometría que daba forma a la distribución de los lentes fue cambiada ya que generaba mucho espacio vacío, y como consecuencia las dimensiones finales del producto eran más grandes de lo necesario, y el peso podía llegar a afectar el movimiento generado por los motores. También se disminuyó la cantidad de lentes de 18 a 12 ya que la cantidad de luz generada por 12 era suficiente para el espacio requerido, y dismiuía el tamaño final. 33
Análisis de las propuestas Propuesta 2
Conclusión
La forma de la base fue cambiada para que lográra albergar por completo el motor encargado del movimiento diario y los cables de fibra óptica. Tambien fue cambiado el sistema de giro del brazo por un sistema de rodamiento que resista más las condiciones a las que se verá expuesto. Además se define por completo el sistema de transmisión del motor que genera el movimiento anual.
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Propuesta de solución
Cúpula Lentes Fresnel
Soporte de Cúpula Lámina protectora Sist. soporte de lentes Sist. movimiento anual Servomotor Carcaza Cable Fibra Óptica Eje Central Brazo Base
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Propuesta de solución Movimiento
90
90
90
Movimiento diario
este
Movimiento anual
El sistema esta diseñado para capatar los rayos de luz del sol y transportarlos hacia un espacio interior que no tiene acceso a fuentes de luz natural. Mediante el uso de lentes Fresnel, se redirecciona y focaliza la luz de forma efectiva hasta el inicio de la fibra óptica. Cada lente esta sobre un sistema de transmisión y, por medio de una rueda dentada, faja dentada y brazo de transmisión, se genera el movimiento anual que se requiere, abarcando los ángulos de 33º y 13º. El conjunto de lentes se encuentra sobre una carcaza, que por medio de un sistema de movimiento que contiene dos brazo, un eje central y la base, es girada generando el movimiento diario. Es decir, la carcaza girará conforme el sol lo vaya haciendo, generando que los rayos solares siembre choquen perpendicularmente con los lentes para obtener su óptimo rendimiento. Estos movimientos permitirán un mejor aprovechamiento de la luz diaria durante todo el año. Cabe mencionar que la base es ajustable a cualquier techo para que el sistema funcione adecuadamente.
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Propuesta de solución
fibra óptica sujetador
protector final
espejo protector
lámina sujetadora
carcasa bombilla
bombilla sin carcasa
1 cable
58 grados 2m
Tetraedro permite lograr un menor traslape y cubrir mayor zona y con excelente intensidad luminica
3,8 m2
El sistema una vez que capta la luz por medio de los lentes Fresnel, es focalizada. El punto de focalización se da en el inlet o entrada del cable de fibra óptica. Se usarán 12 cables de fibra óptica, una por cada lente. Cada cable contiene 6 filamentos. Luego la luz es transportada por el resto del cable hasta llegar a la salida de él, llamada outlet. La fibra óptica permite un mayor aprovechamiento de la luz natural ya que es muy eficiente a la hora de transportarla. Una vez que la luz llega al outlet, esta debe de redirigirse de alguna forma, por lo que se se diseñó una bombilla con 3 cables de fibra óptica que puede llegar a iluminar hasta 3,8 m2 a una altura de 2 metros con una iluminasia de 500 lux. La salida tiene una configuración de tetraedro que no es perpendicular con el plano. Con esto se pretende aprovechar más el ángulo de salida de la luz. El ángulo brinda mayor covertura de luz en el espacio. 37
Propuesta de solución Mejoras
estética moderna
agrupación de cables
base ajustable
ligera cúpula
acabado
movimiento innovador de lentes
eficacia óptica
sistema sin electricidad 37
Propuesta de solución Sistema de transmisión (movimiento de lentes)
Para lograr un sistema de transisión eficiente, se necesita que cumpla y garantice dos puntos en específicos; 1 lograr un movimiento preciso y 2 que soporte movimientos bruscos como los causados por grandes rafagas de viento; por lo que se determina el uso del sistema de poleas dentadas.
Polea dentada
Sistema de transmisión
Para la transmisión entre dos ejes que estén separados a una distancia donde no sea económico o técnicamente imposible montar una transmisión por engranajes se recurre a un montaje con poleas dentadas que mantienen las mismas propiedades que los engranajes es decir, que evitan el patinamiento y mantienen exactitud en la relación de transmisión.
Faja dentada
Es uno de los más comunes métodos de transmisión de la energía mecánica entre un piñón de arrastre y otro arrastrado, mediante un sistema de dentado mutuo que posee tanto la correa como los piñones, impidiendo su deslizamiento mutuo. polea dentada
faja dentada 38
Propuesta de solución Motores
Los dos movimientos que seguirá el sistema seran realizados por dos motores un motor paso a paso( movimiento anual) y un servomotor(movimiento diario), ambos movimientos son sueves por lo cual no requieren de mucha fuerza. El servomotor puede ubicarse en cualquier posicición, está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control, su potencia es proporcional a las cargas mecánicas, por consiguiente tiene un consumo de energía reducido.
Servomotor
Salida de voltaje: 24 V Revoluciones: 4000rpm Diámetro de salida: 20mm Frecuencia: 3,15Hz(max)
El motor paso a paso, es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos,por lo cual es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.
Motor paso a paso
Salida de voltaje: 24 V Revoluciones: 4000rpm Diámetro de salida: 23mm Frecuencia: 3,15Hz(max) Peso: 150g
Dado que el voltaje normal que se maneja es de 110 V se utilizará un inversor de corriente (o una fuente de poder poder) para que se pueda adaptar a los 24V de los motores.
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Gradientes de mejoramiento Paneles solares móviles sin motores Los girasoles buscan la luz directa del sol y orientan sus hojas para recibir la mayor cantidad de radiación según cambia la posición del Sol en el cielo. Esto se conoce como heliotropismo. Basandose en ese fenómeno se desarrollado un sistema que imita este comportamiento sin necesidad de motores. A diferencia de todos los anteriores no requiere de ningún elemento mecánico. Se utiliza un elastómero cristalino líquido (LCE) y nanotubos de carbono que se contraen cuando reciben calor, orientando de forma óptima el panel solar. La luz choca en un espejo que se encuentra debajo del panel solar. Esto calienta los nanotubos de carbono, que reducen su tamaño (contraen) y hace que toda la instalación se incline hacia la fuente de luz. Cuando se enfrían el proceso es el mismo, pero los nanotubos de carbono esta vez aumentan su tamaño (expanden). Ventajas: - No utiliza motores ni componentes mecanicos. - No utiliza circuitos ni componentes electronicos - Aumentado el rendimiento en un 10%, - No necesita mantenimiento - Imita un movimiento que se genera en la naturaleza - Es muy eficiente
Panel Solar Soporte
Fibra
Inside la luz
Inside la luz
Concentrador de luz y el colector de calor 40
Gradientes de mejoramiento Paneles solares como fuente de poder El sistema actual se alimenta de la electricidad del espacio que se va a iluminar, pero dado que se quiere mitigar el daño ambiental que esta causa se propone para futuras mejoras el uso de paneles solares como fuente de alimentación. Un panel solar es aquella instalación en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante siguiente vía: Fotovoltaica: Hacen incidir las radiaciones solares sobre una superficie de un cristal semiconductor, llamada célula solar, y producir en forma directa una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico. Los paneles solares producen energía limpia sin comprometer al medio ambiente, por esta razón se propone su uso, ya que una de las caracteristicas principales del sistema planteado es el ahorro energético en el tema de iluminación.
Celdas fotovoltaicas
Conclusiones y recomendaciones Conclusiones
La geometría solar es la que rigue el movimiento total del recolector de luz, depende de la región donde este se instale, así es como se debe programar el sistema para garantizar su máxima eficiencia. La necesidad de una estabilizador de la estructura en la zona de la base, se hace casi que indispensable esto para brindarle al usuario un producto terminado, y mantener como único requerimiento el mantenimiento a la interperie e interno. Los materiales utilizados para la elaboración del recolector de luz, se establecieron para un país tropical como lo es Costa Rica, y se tomaron parámetros como la corrosión, la radiación directa, las largas temporadas de lluvia, entre otros; por lo que es aplicable en país que se encuentren más al norte y al sur del planeta. La eficiencia y la cantidad de luz que el sistema de recolección de luz brinda depende de factores en la composición del sistema, por lo que el sistema elaborado contempla parámetros previamente establecidos para garantizar la eficiencia vista desde estos.
Recomendaciones
Los métodos utilizados para el movimiento rotatorio del sistema son generados por motores, pero se propone un sistema en desarrollo mediante nanotubos de carbono que genere este movimiento por parte del mismo material utilizado, tecnología que se encuentra en desarrollo por la rama de la nanotecnología. La fibra óptica es conocida en mayor parte en su avance en las telecomunicaciones, sin embargo el transporte de luz también es uno de sus atributos, por lo cual sistemas como el propuesto podrían sustituir en gran parte el uso de electricidad para iluminación de espacios reduciendo el impacto ambiental que esta genera. Los materiales utilizados brindan soporte y estabilidad a la estructura, sin embargo gran cantidad de materiales reciclados o de menor impacto ambiental están incursionando en el mercado. Por lo cual partes como la carcasa que abarcan gran cantidad de material pueden ser sustituidas por este tipo de materiales siempre y cuando cumplan con las especificaciones que el producto requiere.
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Anexos Anexo1
Art铆culo sobre el movimiento de los Paneles solares m贸viles sin motores fuente: http://www.medioambiente.org/2012/08/paneles-solares-moviles-sin-motores.html 43
Anexos Anexo2
Video que muestra el movimiento de los Paneles solares m贸viles sin motores fuente: http://www.youtube.com/watch?v=NvDtNBvcAPg&feature=player_embedded#t=0 44
Anexos Anexo3
Art铆culo sobre el movimiento de los Paneles solares m贸viles sin motores fuente: http://www.ahorroenenergia.com/que-son-los-paneles-solares-moviles/ 45
Anexos Anexo4
Art铆culo sobre el movimiento de los Paneles solares m贸viles sin motores fuente: http://www.treehugger.com/solar-technology/sunflower-inspired-solar-tech.html 46
Anexos Anexo5
Art铆culo sobre el movimiento de los Paneles solares m贸viles sin motores fuente: http://www.news.wisc.edu/20967 47