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Resumen— El presente trabajo describe las

generalidades constructivas y de funcionamiento de los sistemas de iluminación basados en la utilización de fibra óptica.

Keyword— iluminación, energía solar, fibras ópticas solares.

I. INTRODUCCIÓN

El creciente costo económico y ambiental de los combustibles fósiles ha promovido el desarrollo de fuentes renovables como alternativas energéticas. Entre las fuentes de energía renovable de mayor potencial figura la energía solar, disponible en todo el mundo y catalogada como un recurso universal que no tiene costo.

En respuesta al reto de mejorar la tecnología para el aprovechamiento de la energía solar y su aplicación en actividades concretas, la UTPL ha propuesto una línea de I+D+D, iniciándose con proyectos piloto como el levantamiento de línea base sobre los sistemas de iluminación utilizando fibra óptica solar, iniciativa denominada FOBLUX.

La bibliografía disponible describe como características principales de estos sistemas al mínimo consumo energético, un flujo luminoso aceptable, una alta eficiencia luminosa, una alta escalabilidad, una vida útil larga, entre otras [1]. Sin embargo la información sobre el diseño, instalación y operación de los sistemas es escasa, por lo que se planteó establecer una primera aproximación as este tema. Este documento recoge la información relevante obtenida en esta fase de la iniciativa.

II. SISTEMAS DE ILUMINACIÓN A TRAVÉS DE FIBRAS ÓPTICAS

El objetivo fundamental de la iluminación de

interiores es alcanzar un nivel de iluminación mínimo de tal modo que se satisfagan además las necesidades visuales de los ocupantes, representadas por unos parámetros fundamentales, que permiten que éstos puedan desenvolver sus tareas. Además debe garantizarse el confort visual de las personas de tal manera que tengan una sensación de bienestar [2]. Las estrategias de iluminación eficientes están dirigidas fundamentalmente hacia alcanzar el mayor nivel de iluminación para una determinada tarea con el mínimo consumo energético. Se calcula que los sistemas de iluminación eléctrica representan entre el 40 y 50% del consumo total de energía en un edificio, y, que provocan entre el 25 y 30% de las emisiones de gas de efecto invernadero causadas por edificios [2], [3]. Los sistemas de iluminación a través de fibras ópticas (SIFO) son una buena opción para contrarrestar estas cifras.

Un SIFO modelo, recoge la luz solar por medio de un concentrador solar y la lleva a través de una red de fibras ópticas a los puntos elegidos en los espacios interiores. La utilización de la luz solar en SIFOs reduce el costo de energía entre el 20 y 25%, y, reduce la emisión de gases de efecto invernadero entre el 10 y 15% [4].

Por otra parte, la utilización de sistemas de iluminación que aprovechen la luz solar, genera un aumento en la productividad del trabajo de entre el 6 y el 16% [5]. Esto se debe a que el espectro de la luz solar influye en las células ganglionares, controlando los niveles de melatonina y cortisol, que sincronizan el reloj biológico de las personas.

Los SIFO también permiten regular el calor en los

Sistemas de iluminación basados en utilización de fibra óptica solar

Esteban Gutierrez#1, Silvana Ortega#1, Ricardo Ortega#1, Luis Bustamante#1, Bruno Quichimbo#1

Jorge Jaramillo#2

#1Profesionales en formación de la EET, Universidad Técnica Particular de Loja #2 Docente de EET, Universidad Técnica Particular de Loja

Loja-Ecuador eagutierrez@utpl.edu.ec#1, seortega@utpl.edu.ec#1, jrortega1@utpl.edu.ec #1,

lwbustamente@utpl.edu.ec #1 , bgquichimbo@utpl.edu.ec #1jorgeluis@utpl.edu.ec#2

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espacios arquitectónicos, por cuanto trasmiten sólo el espectro visible de la luz y no las ondas de calor.

Como valor agregado, una correcta arquitectura del SIFO permite cambiar el color de la iluminación sin necesidad de cambiar de lámparas.

En forma general, un SIFO está conformado por los concentradores, la fibra óptica solar, los terminales, y, el sistema de control.

Los SIFO se construyen como sistemas mixtos (híbridos) que combinan el uso de la luz solar y de las lámparas eléctricas convencionales (ver Fig.1) [6]. El sistema electrónico de control permite que ambas fuentes de luz trabajen en conjunto, regulando la intensidad luminosa de las lámparas eléctricas en función de la intensidad de la luz del sol.

Fig. 1. Esquema general de un SIFO híbrido

A. Concentradores

Los concentradores solares son un tipo de colector solar capaz de concentrar la energía solar en un área reducida aumentando la intensidad energética (ver Fig.2) [7]. Los concentradores se utilizan para inducir luz en el SIFO.

Fig. 2. Esquema general de concentrador para un SIFO

En las versiones comerciales más livianas, similar a

una lupa enfocando su luz en un punto, los concentradores reflejan la luz solar por medio de un arreglo de espejos (lentes Fresnel) alineados hacia un objetivo capaz de captar dicha energía para su aprovechamiento (ver Fig.3) [8].

Fig. 3. Concentrador comercial de la firma PARANS Una combinación de concentradores, generadores de

luz o iluminadores de fibra, puede otorgarle al sistema la capacidad para inyectar luz polarizada en las fibras, lo que permitiría modificar el color de la iluminación con fines decorativos o estéticos.

B. Fibras ópticas solares

Las fibras ópticas solares funcionan sobre la base de la reflexión interna total. Constructivamente constan de un cilindro de material transparente (formando un núcleo) y revestido de una capa exterior de un material ligeramente distinto. Pueden estar construidas de cristal o de polímero, siendo estas últimas las más utilizadas, sobre todo las del tipo PMMA (PolyMethylMethAcrylate).

Existen de dos clases de fibras ópticas solares: de iluminación lateral (sidelight), y, de emisión puntual (endlight). Las fibras de iluminación lateral permiten la emisión lumínica por el perímetro. Son fibras ópticas con un

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revestimiento exterior transparente que permite la visión de la luz que escapa.

Las fibras de emisión puntual emiten luz por su extremo. El cable está compuesto por múltiples hilos de fibra, cubiertos por una funda protectora, opaca, ignifuga y flexible.

Las fibras utilizadas en trabajos habituales tienen diámetros de alrededor de 6mm, con una densidad de 30 g/m, y, una longitud máxima de 20m. El nivel de transmisión en estas fibras alcanza el 95.6%

C. Terminales

Los terminales son elementos que se instalan en arreglos híbridos conformados con lámparas convencionales. Los terminales o iluminarias solares se comportan como las lámparas eléctricas convencionales para iluminación, permitiendo el flujo de la luz solar hacia los espacios. La fig. 3 muestra una vista panorámica de una sala equipada con un SIFO [8].

Fig. 3. Vista panorámica de una sala con un SIFO

En la bibliografía se puede encontrar los resultados de

la comparación del desempeño de distintos sistemas SIFO comerciales, que incluyen distintos grados de combinación entre iluminarias solares y convencionales [1]. La tabla 1, resume estos resultados.

Tabla 1

Resultado de la compración del desempeño de sistemas SIFO con distintos grados de combinación entre iluminarias solares y

convencionales

Parans L1

(luminaire 1)

Parans L3

(luminaire 3)

HSL (hybrid

solar lighting)

Fabricante Parans Parans Sunlight Direct

País Suecia Suecia Estados Unidos

Consumo energético

2W 2W 250W

Flujo luminoso

total

10000lm 10000lm 50000lm

Eficiencia luminosa

5000lm/W 5000lm/W 200lm/W

Fibra óptica

64 hilos 64 hilos 127 hilos

Tipo de luminaria

Lamina difusora semitransparente

Reflector con lente de 30mm

Tubo acrílico de

emisión lateral

Peso de la luminaria

3600gr 53gr Desconocido

Alcance máx. de la

fibra

20m

20m

10m

Tiempo de vida útil

30 años 30 años 20 años

D. Limitantes técnicas del sistema de iluminación a través de fibras ópticas

Los SIFO deben vencer algunas dificultades técnicas y

económicas. Entre las dificultades técnicas, debemos señalar las pérdidas y la aceptación de densidad de potencia.

El nivel actual de pérdidas en la fibra, reduce considerablemente la extensión del área a iluminar a partir de un mismo concentrador (ver Fig. 4) [8].

Por otra parte, la aceptación de densidad de potencia marca el límite sobre la cantidad de energía que puede circular a través del sistema.

En lo económico, el costo de implementación se convierte en el principal obstáculo actual para la masificación de los SIFO. Una aproximación a la línea de

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tiempo de la reducción de costos de los SIFO se presenta en la tabla 2 [9].

Tabla 2.

Línea de tiempo de la reducción de costos de los SIFO

Costo de los elementos

2006 2007 2012

Costo del sistema

20000 16000 3000

Costo de instalación

4000 3000 1000

Fig. 4. Pérdidas en la fibra óptica solar en función de la longitud

III. CONCLUSIONES

• Las estrategias de iluminación eficientes están dirigidas fundamentalmente hacia alcanzar el mayor nivel de iluminación para una determinada tarea con el mínimo consumo energético

• Un SIFO modelo, recoge la luz solar por medio de un concentrador solar y la lleva a través de una red de fibras ópticas a los puntos elegidos en los espacios interiores.

• Los SIFO se construyen como sistemas mixtos (híbridos) que combinan el uso de la luz solar y de las lámparas eléctricas convencionales a fin de regular la intensidad luminosa de las lámparas eléctricas en función de la intensidad de la luz del sol.

• Una correcta arquitectura del SIFO permite cambiar el color de la iluminación sin necesidad de cambiar de lámparas.

• La utilización de la luz solar en SIFOs reduce el costo de energía, reduce la emisión de gases de efecto invernadero, mejora la productividad del

trabajo, y, regula el calor en los espacios arquitectónicos.

• Los SIFO aún deben vencer algunas dificultades técnicas como las pérdidas y la aceptación de densidad de potencia.

• El costo de implementación se convierte en el principal obstáculo actual para la masificación de los SIFO, pero se prevé una agresiva reducción de costos para los próximos años.

IV. REFERENCIAS

[1] L. Bermeo y J.Castro, (2009) “Análisis Comparativo de los

Sistemas de Fibra Óptica utilizados para Iluminación Eficiente” Memoria de proyecto de fin de carrera previa a la obtención de título de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones. UTPL

[2] Sistemas de iluminación, eficiencia y sostenibilidad energética en la empresa. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. La Coruña, 2009, [en línea] <http://www.energylab.es/fotos/091105104635_YTi6.pdf>, [Consulta 23 Abril 2010]

[3] Australian Commercial Building Sector Greenhouse Gas Emissions 1990–2010, Australian Green House Office.

[4] Benefits [en línea]. PARANS < http://www.parans.com/Products/Benefits/tabid/1080/language/en-US/Default.aspx> [Consulta: 11 abril 2010].

[5] L. Edwards, P. Torcellini. A Literature Review of the effects of Natural Lighting on Building Occupants, National Renewable Energy Laboratory. 2002

[6] D. D. Earl, J. D. Muhs. preliminary results on luminaire designs for hybrid solar lighting systems. Oak Ridge National Laboratory. Proceedings of Forum 2001: Solar Energy: The Power to Choose. April 21-25, 2001, Washington, DC

[7] D. Duncan Earl, L. Curt Maxey. Alignment of an inexpensive paraboloidal concentrator for hybrid solar lighting applications. Oak Ridge National Laboratory, One Bethel Valley Road. 2002

[8] Parans Solar Lighting AB Brochure, Suecia, 2009 [9] Hybrid Solar Lighting Illuminates Energy Savings for Government

Facilities. New technology provides high-quality lighting for facilities and reduces waste heat to lower energy loads. Federal Energy Management Program. DOE/EE-0315.April, 2007