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Iluminación natural interna por guías de onda

y fibra óptica

Julio Lucas Warthon Ascarza

ILUMINACIÓN NATURAL INTERNA

POR GUÍAS DE ONDA

Y FIBRA ÓPTICA

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Julio Lucas Warthon Ascarza

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0514

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

X Simposio Peruano de Energía Solar

ILUMINACION NATURAL INTERNA POR GUIAS DE ONDA Y FIBRA OPTICA

Mg. Julio Lucas Warthon Ascarza Facultad de Ciencias Químicas, Física y Matemáticas, Departamento Académico de Física

Universidad Nacional De San Antonio Abad Del Cusco

Colaboradores Qmco. Amanda Olarte Pérez Est. Juan José Zuñiga Negrón

Est. Jesús Rubio Cáceres Est. Rubén Inglés Atauchi

INTRODUCCIÓN

Las guías de onda y en particular la fibra óptica actualmente comienzan a tener importancia dentro de la ciencia y la tecnología, puesto que sus aplicaciones son múltiples, como es en comunicación (teléfonía, cable mágico, internet), en medicina (endoscopios), etc.; sin embargo su aplicación en el campo de las energías renovables aún no se da en la misma medida que en las otras áreas, y lo mismo ocurre en el campo de la iluminación natural interna. La importancia radica en el aporte a la conservación del ambiente indirectamente, ya que la energía eléctrica que se utiliza para el funcionamiento de los focos o fluorescentes durante el día, podría redistribuirse y sustituir a los combustibles no renovables como es el petróleo, gasolina y kerosene. Por otra parte se tiene la posibilidad de contribuir al ahorro energético y de las economías de los usuarios. Este trabajo constituye una propuesta innovadora en el campo de las energías renovables y de la iluminación de interiores en el día, por tanto se puede considerar como el inicio de nuevas investigaciones.

LUZ SOLAR La luz solar y artificial son ondas electromagnéticas que se encuentran dentro de un intervalo pequeño del espectro electromagnético. La transmisión de luz por guías de onda y fibra óptica se fundamenta en la teoría electromagnética. LEY DE SNELL Es una ley de mucha importancia en óptica y su representación para la refracción de una onda es:

n sen n seni i t

REFLEXION, ABSORCION Y TRANSMISION Cuando la luz incide sobre un cuerpo cualquiera se produce tres fenómenos a la vez: reflexión, transmisión y absorción. Para determinar las cantidades o porcentajes de luz que regresan al medio, las que son transmitidas o son absorbidas, se utilizan los coeficientes denominados como reflectancia, transmitancia y absortancia.

R II

r

i

=La reflectancia R es la razón del flujo (o potencia) reflejado al incidente:

La transmitancia T es la

ón del flujo transmitido ncidente:

razal i

T II

t t

i i

=coscos

θθ

La absortancia A es la razón del flujo absorbido al incidente: A=Fa/Fi Como consecuencia del principio de la conservación de energía se cumple: R+T+A=1 De igual forma se cumple: Ir +It +Ia = I REFLEXION INTERNA A continuación se tienen casos de reflexión, considerando que el medio 1 tiene un índice ligeramente mayor al del medio 2.

tθ θ= Onda transmitida N N

Medio 2 menos denso

Onda transmitida

Medio 2 menos denso

θt θt

Medio 1 más denso

Medio 1 más denso θr θi θi θr Onda

incidente Onda reflejada totalmente

Onda reflejada

Onda incidente

(b) (a)


Figura 1 (a) Reflexión y refracción. (b) Reflexión interna total de una onda incidente con una onda superficial acompañante. REFLEXIÓN INTERNA TOTAL El principio de reflexión interna total ocurre cuando: "La onda incide de un medio más denso a otro medio menos denso, con un ángulo igual o mayor que el ángulo crítico, la onda será reflejada totalmente en forma interna y será acompañada también por una onda superficial en el medio menos denso". Figura 2 Reflexión interna total de ondas incidentes con ángulos mayores o iguales al ángulo crítico.

sen nnicθ = 2

1 Por ejemplo en el caso de un sistema vidrio-aire, el ángulo crítico se encuentra entre 41º a 43º (debido al tipo de vidrio), los rayos de luz que inciden con ángulos mayores al ángulo crítico se reflejan totalmente al interior del vidrio.

GUIAS DE ONDA Las guías de onda son en general, dispositivos que confinan o guían la propagación de ondas electromagnéticas a lo largo de un camino definido; a la cual se denomina línea de transmisión. Las líneas de transmisión que pueden transportar sólo ondas electromagnéticas con modos de orden superior, se llaman por lo común guías de onda. Figura 3 Guía de onda electromagnética: tubo cilíndrico hueco de metal En la figura 3 se tiene un tubo cilíndrico hueco de metal que puede transmitir luz de un extremo a otro por reflexión interna, la luz tiene una frecuencia extremadamente alta (1014 Hz).

FIBRA OPTICA Una Fibra óptica es una guía de onda dieléctrica, que se caracteriza fundamentalmente por su diámetro pequeño, consisten típicamente en una

fibra de núcleo transparente de índice de refracción η1 rodeada por un revestimiento de vidrio transparente de índice η2 ligeramente inferior, estando cerrados ambos en una funda protectora opaca. Desde 1964 hasta la fecha se han realizado investigaciones para aplicar la fibra óptica en el campo de las comunicaciones, de la medicina, de la industria, etc., sin embargo en el campo de las energías renovables y de la iluminación natural interna las investigaciones han sido puntuales. TRANSMISION DE LUZ POR FIBRA OPTICA Debido a la diferencia de índices de refracción entre el núcleo y el revestimiento la luz se refleja al interior de la guía totalmente, describiendo líneas en zigzag (Si los índices de refracción no varían en función del radio r del núcleo).

Figura 4 Reflexión interna total en una fibra óptica. En la figura 4 se muestra una sección transversal a lo largo del eje de un núcleo de una fibra óptica de índice de refracción n1 con revestimiento o recubrimiento de índice n2. Un rayo que entra al núcleo desde un medio externo de índice n0 con un ángulo θe formará un ángulo θt respecto al eje interior del núcleo. La relación entre los ángulos, dada por la ley de Snell, es:

Finalmente se tiene:

Donde θe= ángulo de entrada respecto al eje del núcleo, rad o grad n1= índice de refracción del núcleo, adimensional n2= índice de refracción del recubrimiento, adimensional n0= índice de refracción del medio externo, adimensional Para el aire como medio externo (n0=1), luego la anterior ecuación se reduce a:

senn n

neθ =−1

222

0

sen nn

sent eθ θ= 0

1

sen n neθ = −12

22

n1 n1

n1

N Medio 2 menos θt Rayo

Medio 1 más Rθic θI RI

I ROndas incident

Ondas reflejada

Forronn0 Núcleo θi n1θ

Eje θe r

n2 Forro


ATENUACION Se define como la pérdida de potencia óptica del haz de luz que discurre por la fibra, la atenuación está relacionada directamente con la longitud de onda y se mide en decibelios por kilómetros (dB/km.). Los factores que influyen en la atenuación son muy variados, debiendo considerase la difusión de la luz, las deformaciones mecánicas y las absorciones a causa de las impurezas. La característica más importante en la transmisión de luz por fibra óptica es la atenuación. La atenuación depende del material empleado en las fibras ópticas, a mayor pureza de concentración las pérdidas son menores, por otra parte la absorción de ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) depende de la pureza de sílice; es decir de los dopantes en el interior del sílice. LEY DE INVERSA DE LOS CUADRADOS DE LAS DISTANCIAS La iluminación sobre una supeficie es la intensidad de iluminación (la energía que transporta un rayo de luz, las candelas) dividida por el cuadrado de la distancia del foco a la superficie. Esto es debido a que la iluminación se define como la cantidad de energía luminosa que atraviesa una superficie.

Actualmente no existen guías de onda en el mercado local para transmisión de luz solar, que tenga como fin la iluminación ambiental durante el día, ésto hace que nuestra propuesta sea innovadora y creativa, por esta razón durante los seis últimos años se ha planificado y construido guías de onda, investigando en lo que respecta al diseño y a los tipos de materiales que reúnan las mejores propiedades para la transmisión de la luz, tanto por reflexión interna total (guía de .material dieléctrico) y por reflexión interna (material reflectante).

Figura 5 Variación de la iluminación respecto al inverso del cuadrado de la distancia

Esta Ley no es aplicable a fuentes de iluminación extensas (techos luminosos, etc.)

Tabla 1.- Iluminación debida a diferentes fuentes de energía. FUENTE LUMINICA ILUMINACION( lux ) Bujía 1,20 Lámpara incandescente de 100 W 1200 Tubo fluorescente de 1,5 m 5000 Luz del Sol 100000 Lámpara halógena cuarzo de 150 W 2000000

En un día de sol, la iluminación es de 50,000 a 100000 luxes, y la luz artificial esta entre 10 a 200 luxes. Una habitación doméstica quizás no pase de 100 lux. Una habitación muy bien iluminada para usos que requieren gran resolución, como talleres de dibujo, puede tener sobre 500 lx y en lugares como mesas de operaciones puede llegarse a los 1000 lx.

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE

ONDA Uno de los objetivos de este trabajo es el diseño y construcción de guías de onda empleando materiales de bajo costo; estos materiales deben tener buena reflectancia, y en otros casos poseer la mayor transparencia posible. Como una alternativa a la falta de tecnología en la fabricación de fibra óptica en nuestro medio se ha construido diferentes guías de onda empleando materiales dieléctricos (resina) y espejos (deposición de nitrato de plata).

E Id

= 2 A3=9

A2=4Fuente puntual

A1Las guías de onda construidas en resina poliester están dentro de las guías dieléctricas, las cuales transmiten la radiación por reflexión interna total. El objetivo de su diseño y construcción es de analizar su capacidad de transmisión, puesto que no se tiene información en este sentido en nuestro medio. Actualmente la obtención de guías de fibra en base a sílice es costosa, por esta razón una alternativa es la construcción de guías de onda que cumpla los requerimientos mínimos para la transmisión de luz solar.

E1 1 E2=E1/4

2 m E3=E1/

3

La guía de onda de sección cuadrada hueca que se ha construido es de espejo simple de sección transversal, esta guía debido a su reflectancia, puede transportar mayor energía solar en el rango correspondiente al espectro de radiación infrarroja; es decir con esta guía se logra transmitir mayor energía calorífica. ELECCION DE MATERIALES La elección de materiales para obtener guías de onda, se clasifica en: a) Materiales alternativos b) Materiales de alta eficiencia a) MATERIALES ALTERNATIVOS Son los materiales que son accesibles de obtener en


el mercado local y que tienen propiedades de transparencia y reflectividad, como: - Resina poliester (polímeros) - Espejos de vidrio (recubierto con nitrato de plata)

0,014

0,014m

0,945m

b) MATERIALES DE ALTA EFICIENCIA Son los materiales que por sus características y propiedades transportan luz solar con bajas pérdidas, estos materiales son producidos con alta tecnología, y actualmente sólo lo producen algunos países; el material que tiene estas propiedades es el sílice, en función al cual se fabrican las fibras ópticas, su desventaja es su costo, comparado con los materiales alternativos (espejos y resinas). DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDA Se tiene los siguientes casos: 1.- Diseño y construcción de guías ondas en resina poliester 2.- Diseño y construcción de guías ondas en espejos de vidrio (recubrimiento de nitrato de plata) 3.- Diseño de guías de onda en materiales altamente transparentes (fibra óptica ) DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDA EN RESINA POLIESTER El diseño de guías de onda para aplicación en Energías Renovables, está en función de los objetivos que se desean alcanzar; se han realizado los siguientes diseños: a) Guía de onda cilíndrica: Tubo recto de resina b) Guía de onda cilíndrica: Tubo curvo de resina c) Concentrador cónico de resina d) Concentrador cónico acoplado a un tubo cilíndrico de resina GUIA DE ONDA CILINDRICA DE RESINA : TUBO RECTO Figura 6 La guía de onda esta hecha en base a resina que viene ha ser un material dieléctrico. GUIA DE ONDA CILINDRICA DE RESINA: TUBO CURVO

CONCENTRADOR CONICO DE RESINA 0,06 m

A1 (área de captación) A2 (área de

concentració

Luz 0,014m

0,1 m

Figura 8 Concentrador cónico hecho en resina (material dieléctrico). DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDA CON ESPEJOS PLANOS DE VIDRIO Los espejos planos de nitrato de plata sobre vidrio, se conoce en las vidrierías de acuerdo a su grosor (simple, semidoble o doble). Se han realizado los siguientes prototipos: a) Guía de onda de sección cuadrada hueca b) Concentrador solar de espejos planos c) Concentrador solar acoplado a guía de onda de

sección cuadrada hueca. GUIA DE ONDA DE SECCION CUADRADA HUECA Esta guía de onda electromagnética esta construida de espejo de vidrio simple, el cual por su alta reflectancia transmite la luz solar entre sus extremos. Debido a sus características de revestimiento de nitrato de plata, es posible transmitir buena parte del espectro electromagnético de la radiación solar. Esta guía onda puede ser utilizada en la conducción de luz solar para iluminación ambiental y para fines de aplicación térmica.

Figura 9 En este caso la luz es transmitida a través de reflexión interna (no total) de un extremo a otro. CONCENTRADOR SOLAR DE ESPEJOS PLANOS El objetivo de este diseño es concentrar luz solar por medio de la unión de espejos planos en forma cónica. El área de captación es mayor al área de

n0 Aire

n1 Resin 0,01 4m

0,25 m 0,05 m

0,05m

1,00 m

Figura 7 Isométrico de la guía cilíndrica de


concentración. La luz solar que incide en el área de captación se refleja internamente hasta llegar al área de concentración. A medida que la luz solar atraviesa el sistema, la potencia se incrementa en forma similar al multiplicador de potencia. La salida del concentrador se comunica a la guía de onda para la transmisión de la luz concentrada, la que se puede aplicar para iluminación o acoplar a un sistema de calentamiento de agua. Figura 10 El objetivo de este diseño es concentrar radiación solar en un pequeño área.

ILUMINACION NATURAL DE INTERIORES

En el contexto cotidiano podemos percibir en diferente medida la iluminación del ambiente donde nos encontremos, algunos debido a su ubicación son iluminados artificialmente, otros son iluminados artificialmente y naturalmente y algunos son iluminados integramente de manera natural. La iluminación natural de interiores desde un enfoque físico es el proceso por el cual la luz solar incide directamente o por difusión en un ambiente interior de una vivienda o edificio.

El objetivo de iluminar naturalmente un ambiente es conseguir el confort visual, y por otra parte reorientar nuestras opciones hacia el uso de las energías renovables. Por otra parte la iluminación natural de interiores contribuye al ahorro de energía en términos generales, y consecuentemente el ahorro de las economias de los usuarios.

ILUMINACION DE AMBIENTES INTERIORES POR MEDIO DE GUÍAS DE ONDA Como se ha visto históricamente la iluminación de interiores durante el día se ha realizado de manera artificialmente y actualmente se utiliza muy poco los tragaluces para la iluminación de interiores de manera natural. La propuesta de la investigación que se ha hecho y se sigue desarrollando, es precisamente la de iluminar interiores con luz natural o solar por medio de guías de onda o fibras ópticas, que es una propuesta innovadora dentro de este campo de la iluminación ambiental diurna.

En los edificios, restaurantes, hoteles, centros comerciales, teatros, cinemas, aulas, oficinas, etc., se tienen ambientes que debido a su posición requieren de iluminación artificial durante el día, aun aquellos que dan a la calle. A través de las guías de onda en prueba y de la fibra óptica hemos podido ver que es posible el transporte de luz solar de un punto exterior a otro interior en magnitudes mayores a los estándares mínimos. Si se emplea únicamente guías de onda se logra conducir flujos de radiación luminosa que están en proporción al área de captación de dicha guía, pero si se adiciona al sistema una lente biconvexa o un concentrador de luz, entonces se consigue conducir mayor flujo luminoso.

Espejos planos 0,25m

Area de concentración0 1m 0 10m

0,05m DIAGRAMA DESCRIPTIVO DEL SISTEMA 0,25m

0,20m En la siguiente figura observamos la conducción de la radiación solar a través de un sistema de guías de ondas, consta de un concentrador de radiación solar acoplada a una guía de onda que transmite la radiación solar concentrada, hasta puntos interiores de una vivienda. Figura 11 La figura sintetiza el objetivo del proyecto, se puede apreciar la transmisión de la luz solar a través de la guía de onda. MEDICION DE ILUMINACION EN MAQUETA Para obtener datos cuantitativos de la iluminación natural por medio de guías de onda se ha construido una maqueta de una vivienda de dos plantas, cuatro ambientes en cada planta, los dos ambientes que dan al exterior han sido diseñados con similares características como el área, ventanas, puerta, color de las paredes y adornos en las paredes.

Luz solar

Concentrador de luz solar

Sol

Guía de onda


Los valores medios obtenidos en la habitación iluminada van desde 10 a 1500 lux, la variación depende de como se encuentre el cielo, es decir si esta nublado, parcialmente nublado o despejado. En el caso de la otra habitación los valores permanecen casi iguales a 2 lux. El objetivo de las mediciones, ha sido comparar las iluminaciones obtenidas en ambas habitaciones, una de las cuales no tiene la instalación de la guía de onda y la otra en cambio si la tiene. La habitación que fue iluminada con la guía de onda alcanza valores relativamente considerables respecto a la iluminación obtenida en la otra habitación en donde se midieron valores bajos y que no alcanzarón los estandares mínimos de iluminación reglamentadas Figura 11. Maqueta de una vivienda de dos plantas. La guía de onda de espejos planos conduce luz concentrada desde el techo hasta el ambiente derecho de la primera planta con el objetivo de iluminarlo naturalmente. ILUMINACION DE AMBIENTES INTERIORES POR MEDIO DE FIBRA OPTICA Las medidas de iluminación se hicieron con un luxometro de máximo rango 20 klux, las mediciones varían casi instantáneamente debido a la naturaleza no lineal de los cambios atmosféricos, es decir tienen una variación impredecible en el tiempo. La iluminación en el ambiente en donde se utilizó la fibra óptica estuvo entre los 10 a 1500 lux similar al obtenido con la guía de onda, en cambio en el ambiente donde no se utilizó la fibra óptica la iluminación media fue de 2 lux. CARACTERISTICAS DE LA FIBRA OPTICA - Alta transmisión de luz - Transmisión de ondas luminosas visibles (luz fria) - Su fabricación es compleja y en su obtención se aplica tecnología de punta.

- La comercialización en nuestro contexto aún no se da, sin embargo ya existen empresas en la capital. - Flexibilidad: es una característica importante para una instalación domiciliaria - Baja atenuación - Costo: su alto costo actualmente no permite su comercialización a gran escala ILUMINACION AMBIENTAL EN EL CONTEXTO GLOBAL El 27 de octubre de 1879 fue el inicio de la era de la iluminación ambiental con el invento de Thomas Alva Edison quien logró encender una lámpara de filamento de carbono durante dos días en Nueva York, desde entonces hasta la actualidad los avances han sido significativos en este campo, con la obtención de productos de alta eficiencia y con la reglamentación pertinente. La importancia radica sustancialmente en el ahorro de energía eléctrica y por tanto del ahorro económico, sin embargo repercute directamente en la conservación del medio ambiente. Cabe aclarar que la iluminación ambiental se divide en iluminación artificial e iluminación natural.

Luz solar

0.86 m El programa ELI del banco mundial actualmente desarrolla actividades en cuanto ha ilustración sobre iluminación artificial eficiente y ahorro de energía, por otra parte empresas transnacionales invierten actualmente sumas millonarias en investigación sobre sistemas y dispositivos de iluminación con el objetivo de lograr eficiencia y ahorro energético.

Luz solar

0.61 m 0.76 m

ILUMINACION EN EL CONTEXTO LOCAL 0.30 m 0.36 m En nuestro medio aún no se le da la importancia debida a la iluminación ambiental, en cuanto a normatividad, investigación y desarrollo tecnológico, esto se puede verificar a través de simples indicadores que están a la vista, como es la ausencia de instituciones dedicadas a la reglamentación jurídica sobre el tema, por otra parte no se tienen empresas en el medio dedicadas a la fabricación de dispositivos lumínicos de alta eficiencia y mucho menos se ha desarrollado investigación en el campo de la iluminación; frente a este contexto el programa ELI ha comenzado a realizar una serie de actividades a nivel internacional, nacional y local sobre iluminación artificial, pero en lo que respecta a iluminación natural no se tiene experiencias importantes. EVALUACIÓN DE LA ILUMINACION ACTUAL DE LAS EDIFICACIONES Los diseños arquitectónicos en las últimas décadas no han considerado aspectos que tiene que ver con los avances de la ciencia y le tecnología. Las edificaciones domiciliarias, industriales y construcciones verticales en términos generales tienen problemas de iluminación, calefacción, ventilación, instalaciones eléctricas, etc. Como ejemplo se tiene que la gran mayoría de edificios


públicos y privados, universidades, colegios, bancos, centros comerciales, etc. han tenido que realizar perforaciones en su estructura para el cableado de internet, estas nuevas instalaciones han debilitado de alguna forma la estructura de estas edificaciones y por otro lado han alterado su estética. - Iluminación interna producida artificialmente.- La gran mayoría de los locales son iluminados por luz artificial, es decir por emisores o fuentes luminosas que emplean energía eléctrica, como por ejemplo los focos incandescentes, fluorescentes, focos ahorradores, lámparas dicroicas, etc. - Iluminación interna producida naturalmente.- En menor proporción se da este tipo de iluminación, que consiste en la iluminación con luz natural que ingresa a los ambientes de diferentes formas: directa e indirectamente, o una suma de las anteriores. En el primer caso la luz puede ingresar a través de una ventana o tragaluz, en el segundo caso puede ser por difusión de la luz solar, y finalmente puede ser la suma de la radiación directa y la difusa. Para que esta iluminación pueda acercarse al confort visual, requiere un diseño especial, que considere ventanas grandes y/o tragaluces de tamaño considerable. MEDICION DE LA ILUMINACION INTERNA En el presente trabajo se ha realizado una evaluación cualitativa y cuantitativa de la iluminación interna en diferentes locales de la ciudad del Cusco, empleando una cámara filmadora digital de 8 mm y un luxometro digital MS-1300 de rango 0-50000 lux. MEDICION DE LA ILUMINACION EN LA UNSAAC El estudio hecho en la UNSAAC de la iluminación interna, tiene como indicador común el uso de luz artificial para la iluminación de los diferentes locales en el día, que se inicia con las actividades laborales que es a las 7:00 a.m. hasta que el sol comienza a perderse por el horizonte: 6:00 p.m. en promedio (esta en función de la estación). Los siguientes lugares han sido estudiados: - Aulas del primer nivel del pabellón de Ciencias (C) - Laboratorios de Física y Biología, pabellón C - Oficinas administrativas del pabellón A y C AULAS El estudio de la iluminación interna en diferentes ambientes de la UNSAAC, se hizo de manera cualitativa y cuantitativa. En la evaluación cualitativa se empleo una filmadora, donde se pudo

registrar que las aulas se encontraban iluminadas por luz artificial provenientes de los fluorescentes y a la vez por la luz natural difusa. Posteriormente se hizo la medida de la iluminación en las aulas empleando un luxometro MS-1300 de rango 0-50000 lux. En el siguiente gráfico se observa una vista de planta del aula C-122, en el cual se indica los valores de la iluminación (lux) en diferentes puntos a una altura donde se encuentra el área de trabajo; se midió a las 12:58 p.m. durante 6 minutos y con cielo despejado.

00

0

6000 80 44Ventana Puerta

N 5000 4058

E W

1260 342 32S Aula C-

COSTO POR CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN FLUORESCENTES Para determinar el costo por consumo de energía eléctrica que se utiliza para iluminación interna se realiza el siguiente procedimiento: COSTO POR CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA POR DIA.- Se determina por medio de la siguiente expresión: C P td = . .T Cd: Costo por consumo de energía eléctrica por día, nuevos soles P: Potencia, kW t: tiempo, horas T: Tarifa (BT5B) COSTO POR CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA MENSUAL.- Resulta de multiplicar el costo de un día por treinta. C Cm d= 30. COSTO POR CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA ANUAL.- Resulta de multiplicar el costo mensual por doce. C Ca m= 12 En función a los ejemplos anteriores, se tiene el consumo diario, mensual y anual de n fluorescentes de 40 W cada uno, considerando que están prendidos durante 10 horas al día en promedio. Es el caso de instituciones, hospitales y empresas que


mantienen encendido fluorescentes desde las 7 a.m. hasta las 5.00 p.m. o más.

ILUMINACION NATURAL Y AHORRO DE ENERGIA La crisis energética vivida en la década del 70 ha hecho que se intensifiquen los estudios sobre las reservas energéticas en los distintos países para planear su explotación futura y crear conciencia de la necesidad de disminuir el consumo dentro de los límites compatibles con el desarrollo de las naciones. Cuando iluminamos un ambiente de manera natural estamos haciendo un uso racional de la energía, y a la vez conseguimos confort visual y térmico. PROPUESTAS Las propuestas que planteamos en la iluminación interna por medio de guías de onda y fibra óptica son las siguientes: PROPUESTA 1: Iluminar interiores de domicilios PROPUESTA 2: Iluminar ambientes administrativos de instituciones públicas y privadas PROPUESTA 3: Contribuir en la iluminación de interiores de microempresas y empresas previo estudio de factibilidad PROPUESTA 4: Contribuir en la iluminación de los pasadizos de instituciones educativas: centros educativos de educación básica, institutos superiores, universidades PROPUESTA 5: Iluminar las aulas de instituciones educativas: centros de educación básica, institutos superiores, universidades. PROPUESTA 6: Iluminar escaleras rampas y gibas que se encuentren en el interior de las edificaciones. PROPUESTA 7: Iluminar túneles para tránsito motorizado. PROPUESTA 8: Iluminar túneles de minas PROPUESTA 9: Iluminar sótanos de viviendas, fabricas o edificios.

BIBLIOGRAFIA Cariou, J.M., Dugas, J. y Martin L.: Transport of solar energy with optical fibres. Toulouse , 1981. Bianchi, A.N.: Sistemas de Ondas Guiadas. Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1980.

n P ( kW)

t ( h )

E (kW-h)

Costo-día( S/.)

Costo-mes (S/.)

Costo-año (S/.)

1 0.04 10 0.4 0.144 4.32 1.84 2 0.08 10 0.8 0.288 8.64 103.68 3 0.12 10 1.2 0.432 12.96 155.52 4 0.16 10 1.6 0.576 17.28 207.36 5 0.20 10 2.0 0.720 21.60 259.20 6 0.24 10 2.4 0.864 25.92 311.04 10 0.40 10 4.0 1.440 43.20 518.40 50 2.00 10 20.0 7.200 216.0 2592.00 100 4.00 10 40.0 14.40 432.00 5184.00

Hecht, Zajac.: Optica. Segunda edición, Editorial Trillas, Méxixo, 1984. Jeunhomme, L.B.: Single-mode fiber optics. Marcel Dekker, INC., New York,1983. Kraus, J.D.: Electromagnetismo. Tercera edición, Mac Graw-Hill, México, 1986. Lomer, M.: Optica integrada. Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, 1998. Sears, F.W., Zemansky, M.W., y Young, H.D.: Física Universitaria. Sexta edición, Fondo Educativo Interamericano, México, 1986. Sybil P. Parker.: Diccionario McGraw-Hill de FISICA. Tomo I y II. México, 1991. Tur Terrasa, J. y Martinez Jimenez, Ma.R.: Todo sobre las fibras ópticas. Primera edición, Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1989. American Journal of Physics, March 2001 América Renovable. Revista Especializada en Energía Renovable y Medio Ambiente, Números 2,3 y 4. Grupo de apoyo al sector rural, Lima, 1997. WEBGRAFIA http:/usuarios.tripod.es/Fibra-optica/ http:/www.iayc.com/proaudio/iluminacionfibra/iluminacionfibra http:/solartoday.org/ http:/www.nrel.gov/basic_sciences/ http:/waveguide-components.com/


Mg. Julio Warthon Ascarza

I FUNDAMENTOS DEELECTROMAGNETISMO

-Introducción- Ondas electromagnéticas -Ecuación de onda para el campo eléctrico y magnético

- Densidad de energía- Vector de Poynting- Intensidad de onda electromagnética.

- Espectro electromagnético

INTRODUCCION

La transmisión de luz por guías de onda y fibra óptica se fundamenta en la teoría electromagnética. Las ecuaciones de Maxwell son las que describen la transmisión de la radiación a través de las guías de onda.

La naturaleza ondulatoria inherente del mecanismo de transmisión es de poca importancia y el proceso obedece las familiares leyes de la óptica geométrica.

ONDAS ELECTROMAGNETICAS

Una onda electromagnética es la propagación de un campo eléctrico y magnético en el espacio-tiempo, transporta energía y momentum. Toda onda electromagnética se propaga en el vacío con una velocidad constante de aproximadamente 300 000 km/s.

z

y

x

Ey

Hz

c

ECUACIÓN DE ONDA PARA EL CAMPO ELÉCTRICO Y MAGNÉTICO

en general se expresan por las Las ecuaciones diferenciales de onda electromagnética siguientes expresiones:

∂∂ µ

∂∂

2

2

2

2

1

.

Et

Ex

y y=∈

(1)

∂∂ µ

∂∂

2

2

2

2

1

.

Ht

Hx

z z=∈

(2)

(2)

Las ecuaciones (1) y (2) relacionan la variación de los campos eléctrico y magnético en el espacio y en el tiempo. La velocidad de onda electromagnética se define por:

∈=µ12v

Las ecuaciones anteriores (1) y (2) se convierten en:

∂∂

∂∂

2

22

2

2

.

Et

vEx

y y= (4)

∂∂

∂∂

2

22

2

2

.

Ht

v Hx

z z= (5)

Si se propaga en el vacío:

12 3001 −=∈

= Mmsvooµ

Sus soluciones son:

E E sen x vty = −0 β.( )

H H sen x vtz = −0 β.( ) (8)

(7)

Donde ν : velocidad de fase, ms-1

t: tiempo, sλ: Longitud de onda, mβ: Número de onda, m-1

DENSIDAD DE ENERGIA.- La densidad de energía total ω en una región del espacio donde existen los campos y , está dada por la suma de densidad del campo eléctrico más el campo magnético:

λβ Π

=2

ω ε= E 2(10)

VECTOR DE POYNTING .- El vector de Poynting es la cantidad vectorial que describe la magnitud y dirección de la variación de flujo de energía por unidad de tiempo.*

(11)

La magnitud del vector de Poynting es:

HxESrrr

=

S E Hx y z=

INTENSIDAD DE ONDA ELECTROMAGNETICA

La intensidad de onda electromagnética se define como la energía que se transmite en un tiempo t y por unidad de área A. La dirección de la transmisión de la energía es paralela a la dirección de propagación de la onda, y su unidad es Watt/m2:

I PA

= (12)

EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

La luz es una pequeña parte de una clase muy extensa de radiaciones electromagnéticas. Las longitudes de onda de la luz visible (Es decir, de las ondas electromagnéticas perceptibles por el sentido de la vista) están en el intervalo comprendido entre 4 y 7 x 10 -7 m. El correspondiente intervalo de frecuencias es aproximadamente de 7,5 a 4,3 x 10 14 Hz.

Rayos gamma Rayos XUltravioleta

Opticas Infrarrojo Radio

Frecuencia, Hz1023 1019 1018 1016 1015 1014 1012 10Longitud de onda, nanómetros10-5 10-1 102 103 104 106 1016

II OPTICA - Óptica geométrica- Óptica física- Espejos- Espejos planos- Naturaleza y propagacion de la luz- Propiedades elementales de la luz - Incidencia oblicua - Leyes de la reflexión y refracción - Indice de refracción absoluto - Coeficiente de reflexión y transmisión - Dispersión - Absorción- Factor de reflexión- Reflexión interna - Reflexión interna total

OPTICA GEOMETRICAEn la óptica geométrica se representa la luz como rayos, las cuales se desvían en una superficie reflectorao refractora.

OPTICA FISICAEs la rama de la óptica donde la luz es tratada comouna onda electromagnética, y en esencia la luz es unaOnda. Los efectos ópticos que dependen de la

naturaleza de la luz son la interferencia y difracción.

ESPEJOS

Superficies finamente pulida. En el pasado se hacían generalmente recubriendo vidrio con plata, escogiéndose esta última por su alta eficiencia en el UV y el IR, y el primero por su rigidez. En tiempos recientes los recubrimientos de aluminio evaporados en vacío sobre substratos altamente pulidos han quedado como el estándar para espejos de calidad.

ESPEJOS PLANOS

De manera similar que otros tipos de espejos, los planos se pueden recubrir en la superficie frontal o posterior. En el segundo caso la cubierta metálica reflectora queda completamente protegida detrás del vidrio, sin embargo, la mayoría de los espejos diseñados para uso más técnico, se recubren al frente.

P P´

Espejo plano

Figura 2-1 Los rayos que salen del punto objeto P inciden sobre el espejo plano, reflejandose e incidiendo en el ojo

NATURALEZA Y PROPAGACION DE LA LUZ

La luz es una onda electromagnética que transporta momentum y energía, se encuentra dentro de un rango determinado de frecuencias y longitudes de onda del espectro electromagnético. La velocidad de la luz en el vacío es 299792458 m/s . Para efectos prácticos se aproxima a 300 000 km/s. La luz solar está compuesta por una serie de ondas electromagnéticas que se encuentran dentro del rango visible y no visible; diferenciándose por sus longitudes de onda.

PROPIEDADES ELEMENTALES DE LA LUZ

La propiedad fundamental de la luz, conforme se pone de manifiesto por medio de la óptica geométrica es su propagación lineal, así como la posibilidad de cambiar su dirección. Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de separación entre dos medios, se produce reflexión y refracción.

La luz natural es un rayo polarizado elípticamente.

LEYES DE LA REFLEXION REGULAR

En el fenómeno de reflexión de la luz se cumple:1.- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión

2.- El rayo incidente, la normal a la superficie, y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.

III GUIAS DE ONDA- Introducción

- Guías de onda- Formas geometricas y materiales utilizados en guías de onda- Longitud de onda de corte - Atenuacion en guias de onda- Atenuación a frecuencias menores que la de corte- Atenuacion a frecuencias mayores que la de corte- Potencia promedio en una guía- Multiplicador de potencia- Varilla dieléctrica- Longitud de la trayectoria recorrida- Número de reflexiones

INTRODUCCION

Este capítulo es fundamental debido a que se analiza los aspectos teóricos sobre las guías de onda, que en esencia es el medio por el cual se transmiten las ondas electromagnéticas y es a la vez el sistema material que reúne las condiciones ópticas para el fin de la investigación; es decir es el medio que proponemos para la aplicación a la iluminación natural interna.

GUIAS DE ONDA

Las guías de onda son en general, dispositivos que confinan o guían la propagación de ondas electromagnéticas a lo largo de un camino definido que se denomina línea de transmisión.

n1

n1

n1

Figura 3-1 Guía de onda electromagnética: tubo cilíndrico hueco de metal

Aire

Aire

Aire

Material dieléctrico

Aire

Material dieléctrico

Aire

AireAire

AireDieléctrico

Aire

Camisa protectora opaca

Núcleo de fibraForro o funda

≈ 100 µ m

5 a 50 µ m

Guía de onda de sección rectangular hueca

Guía cilíndrica hueca (Metálica)

Guía de onda de forma cónica (Dieléctrico)

Guía de onda de lámina dieléctrica

Guía de onda de sección circular

Guía de onda de fibra dieléctrica y de varilla

TIPO DE GUIA GEOMETRIAFORMAS GEOMETRICAS Y MATERIALES UTILIZADOS EN GUIAS DE ONDA

POTENCIA PROMEDIO EN UNA GUIA

La potencia promedio en la guía varía con la distancia x en la dirección de transmisión, y se da por medio de la relación:

(32)

P0 = potencia promedio en el punto de referencia (x=0), W

x = distancia en la dirección de transmisión, mα = constante de atenuación

xePP α20

−=

PoP

x

Figura 3-3 La potencia pérdida en las paredes de una guía de onda produce atenuación.

MULTIPLICADOR DE POTENCIA

Viene ha ser un dispositivo de guías de onda que tiene por finalidad el de incrementar la potencia, puede ser de material dieléctrico o de material reflectante (Internamente).

Figura 3-4 La luz solar ingresa por dos líneas convergentes o guías de onda convergentes,concentrándose en una sola línea principal.

Líneas convergentesLuz concentrada

Línea principalh

h

h

Luz solar

Luz solar

LONGITUD DE LA TRAYECTORIA RECORRIDA

En un varilla o fibra de diámetro D y longitud L, lalongitud l de la trayectoria recorrida por el rayoserá:

o de la ley de Snell

l =L

tc o s θ

l = − −n L n s e nf f i( ) /2 2 1 2θ (34)

(33)

NUMERO DE REFLEXIONES

El número N de reflexiones a través de la longitud lde la trayectoria es:

Sustituyendo l en N:

ND sen t

= ±l

/ θ1

N LsenD n sen

i

f i

=−

±θθ( ) /2 2 1 2 1 (36)

(35)

CAPITULO IV FIBRAS OPTICAS

- Fibras ópticas- Obtención de fibras ópticas - Partes y dimensiones de las fibras ópticas - Clases de fibra- Características técnicas:- Características mecánicas- Dimensiones y formas- Fabricación de fibra óptica- Transmisión de luz por fibra óptica- Cono de aceptación - Angulo de admisión- Angulo de emisión- Atenuación

FIBRA OPTICA

- Una Fibra óptica es una guía de onda dieléctrica, que se caracteriza fundamentalmente por su diámetro pequeño, consisten típicamente en una fibra de núcleo transparente de índice de refracción η1 rodeada por un revestimiento de vidrio transparente de índice η2ligeramente inferior, estando cerrados ambos en una funda protectora opaca.

La condición de conducción de luz se da cuando el diámetro de estas fibras sea grande comparado con la longitud de onda de la energía radiante.

OBTENCION DE FIBRAS OPTICAS

Las fibras ópticas se obtienen a partir de elementos de origen natural por medio de procedimientos polimerizantes. La primera materia natural es sílice (SiO2), se encuentra en la arena común y sirve como materia prima para la fabricación de vidrio y al refinarse se obtiene cristales.

Las fibras ópticas obtenidas mediante proceso químico son de mayor eficacia que las derivadas del vidrio y se obtienen a partir de materiales poliméricos. Las fibras ópticas de buen rendimiento son las de núcleo de sílice dopada por medio de óxido de titanio, de germanio o de boro, con un revestimiento de sílice en absoluto estado de pureza

PARTES Y DIMENSIONES DE LAS FIBRAS OPTICAS

Núcleo de fibra

Camisa protectora opaca Forro o funda

≈ 100 µ m

Transparente

5 a 50 µ m

Cuarzo Dióxidode silicio

Otros elementos

Vidrio externo

Fibra ópticaHiladura mediante

dos crisoles

Vidrio del núcleo

a) Materia prima: Arena común b) Fundición (2300 ºC)

c) Purificaciónd) Fabricación de Fibra óptica

FABRICACION DE FIBRA OPTICA

Figura 4-3 Reflexión interna total en una guía óptica.

Ejer

θt θi

θe

n0

n2 Forro

n2

n1 Núcleo

Forro

TRANSMISION DE LUZ POR FIBRA OPTICA

El rayo que continúa incidirá en la frontera núcleo-recubrimiento con un ángulo θi. Si θi > θic , donde θic es el ángulo crítico, el rayo se reflejarápor completo en forma interna y continuarápropagándose dentro del núcleo.

sen nnicθ = 2

1

CONO DE ACEPTACION .- La luz puede entrar en la fibra si esta dentro de cierto ángulo o cono de aceptación definida como abertura numérica (AN).

Eje de la fibra

Cono deaceptación

R1

R2

n1

n0

5 FOTOMETRIA

La luz natural y artificial excita nuestros ojos permitiéndonos la visión del mundo que nos rodea, y la iluminación mínima promedio para lectura es de 50 lux, viene a ser un indicador referencial.

POTENCIA RADIANTE O FLUJO RADIANTE

INTENSIDAD LUMINOSA O LUMINICA (I)

P E=

t

I dFd

=Ω

ILUMINACION O ILUMINANCIA (E)

La iluminación a se define como el flujo luminoso por unidad de área, y se designa por E:

E FA

=

Fuente de luz puntual

d

A

E

Ω

Tabla 5.1.- Iluminación debida a diferentes fuentes de energía.

FUENTE LUMINICA ILUMINACION(lux )Bujía 1,20Lámpara incandescente de 100 W 1200Tubo fluorescente de 1,5 m 5000Luz del Sol 100000Lámpara halógena cuarzo de 150 W 2000000

En un día de sol, la iluminación es de 50,000 a 100000luxes, y la luz artificial esta entre 10 a 200 luxes.

Una habitación doméstica quizás no pase de 100 lux. Una habitación muy bien iluminada para usos que requieren gran resolución, como talleres de dibujo, puede tener sobre 500 lx y en lugares como mesas de operaciones puede llegarse a los 1000 lx.

LEY DE INVERSA DE LOS CUADRADOS DE LAS DISTANCIAS

E Id

= 2

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS

DE ONDA

Uno de los objetivos de este trabajo es el diseño y construcción de guías de onda empleando materiales de bajo costo; estos

ELECCION DE MATERIALES

a) Materiales alternativosb) Materiales de alta eficiencia

a) MATERIALES ALTERNATIVOSSon los materiales que son accesibles de obtener en el mercado local y que tienen propiedades de transparencia y reflectividad, como:- Resina poliester (polímeros)- Espejos de vidrio (recubierto con nitrato de plata)

b) MATERIALES DE ALTA EFICIENCIA

on los materiales que por sus características y propiedades transportan luz solar con bajas pérdidas, estos materiales son producidos con alta tecnología, y actualmente sólo lo producen algunos países; el material que tiene estas

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDASe tiene los siguientes casos:1.- Diseño y construcción de guías ondas

en resina poliester2.- Diseño y construcción de guías ondas

en espejos de vidrio (recubrimiento de nitrato de plata)

3.- Diseño de guías de onda en materiales altamente transparentes (fibra óptica )

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDA EN RESINA POLIESTER

a)Guía de onda cilíndrica: Tubo recto de resina

b)Guía de onda cilíndrica: Tubo curvo de resina

c) Concentrador cónico de resina d)Concentrador cónico acoplado a un tubo

cilíndrico de resina

GUIA DE ONDA CILINDRICA DE RESINA : TUBO RECTO

0,01 4m

n0 Aire

0,25 m

n1 Resina

CARACTERISTICAS

Inoxidable, impermeable, lavable, ligeroanticorrosivo, fácil de moldear, estructuracristalina, rigidez, opacidad, bajo costo. Larigidez es la característica que se puedemodificar haciendo cambios en la mezcla.

GUIA DE ONDA CILINDRICA DE RESINA: TUBO CURVO

0,014m

0,014m

0,945m

CONCENTRADOR CONICO DE RESINA

0,06 m

0,1 m

0,014m

A1 (área de captación) A2 (área de

concentración

Luz

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE GUIAS DE ONDA CON ESPEJOS PLANOS DE VIDRIO

a) Guía de onda de sección cuadrada

hueca

CONCENTRADOR SOLAR ACOPLADO A GUIA DE ONDA DE SECCION CUADRADA HUECA

0,1m 0,10m

0,25m0,20m

0,25m Espejos planos

0,20m

0,65 mGuía de onda de sección cuadrada hueca

0.05m

ILUMINACION NATURAL DE INTERIORESLa iluminación natural de interiores desde

un enfoque físico es el proceso por el cual la luz solar incide directamente o por difusión en un ambiente interior de una vivienda o edificio.Contribuye al ahorro de energía en términos generales, y consecuentemente el ahorro de las economias de los usuarios.

DIAGRAMA DESCRIPTIVO DEL SISTEMA

Luz solar

Concentrador de luz solar

Sol

Guía de onda

MEDICION DE ILUMINACION EN MAQUETA

Los valores medios obtenidos en la habitación iluminadavan desde 10 a 1500 lux, la variación depende de como se encuentre el cielo, es decir si esta nublado, parcialmente nublado o despejado. En el caso de la otra habitación los valores permanecen casi iguales a 2 lux.

La habitación que fue iluminada con la guía de onda alcanza valores relativamente considerables respecto a la iluminación obtenida en la otra habitación en donde se midieron valores bajos y que no alcanzaron los estándares mínimos de iluminación reglamentadas.

Luz solar

Luz solar

0.61 m 0.76 m

0.86 m

0.30 m 0.36 m

MEDICION DE LA ILUMINACION EN MAQUETA UTILIZANDO FIBRA OPTICA

La iluminación en el ambiente en donde se utilizó la fibra óptica estuvo entre los 10 a 1500 lux similar al obtenido con la guía de onda, en cambio en el ambiente donde no se utilizó la fibra óptica la iluminación media fue de 2 lux.

ILUMINACION NATURAL Y AHORRO DE ENERGIA

Cuando iluminamos un ambiente de manera natural estamos haciendo un uso racional de la energía, y a la vez conseguimos confort visual y térmico.

iluminación natural interna por guías de onda y fibra … · de las universidades nacionales y,...

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