Los tubos de luz (también conocidos como tubos solares , tragaluces tubulares o túneles solares [1] ) son estructuras que transmiten o distribuyen luz natural o artificial con fines de iluminación y son ejemplos de guías de ondas ópticas .
En su aplicación a la iluminación natural , también se les suele llamar dispositivos tubulares de iluminación natural, tubos solares, telescopios solares o tubos de luz natural. Se pueden dividir en dos grandes categorías: estructuras huecas que contienen la luz con superficies reflectantes; y sólidos transparentes que contienen la luz por reflexión interna total . Los principios de la óptica sin formación de imágenes gobiernan el flujo de luz a través de ellos. [2]
La fabricación de tubos de luz infrarroja, guías de ondas huecas y homogeneizadores diseñados a medida no es una tarea sencilla, ya que se trata de tubos revestidos con una capa reflectante de infrarrojos de oro muy pulida , que se puede aplicar con un espesor suficiente para permitir que estos tubos se utilicen en atmósferas altamente corrosivas. Se puede aplicar negro de carbono a ciertas partes de los tubos de luz para absorber la luz infrarroja (consulte fotónica ). Esto se hace para limitar la luz infrarroja a solo ciertas áreas del tubo.
Si bien la mayoría de los conductos de luz se fabrican con una sección transversal redonda, no se limitan a esta geometría. En aplicaciones especiales se utilizan secciones transversales cuadradas y hexagonales. Los conductos hexagonales tienden a producir el tipo de luz infrarroja más homogéneo. No es necesario que los conductos sean rectos. Las curvas en el conducto tienen poco efecto en la eficiencia.
Los primeros sistemas reflectores comerciales fueron patentados y comercializados en la década de 1850 por Paul Emile Chappuis en Londres, utilizando varias formas de diseños de espejos en ángulo . Los reflectores de Chappuis Ltd se produjeron de forma continua hasta que la fábrica fue destruida en 1943. [3] El concepto fue redescubierto y patentado en 1986 por Solatube International de Australia. [4] Este sistema se ha comercializado para un uso residencial y comercial generalizado. Otros productos de iluminación natural se encuentran en el mercado con varios nombres genéricos, como "SunScope", "tubo solar", "tubo de luz", "tubo de luz" y "tragaluz tubular".
Un tubo revestido con un material altamente reflectante conduce los rayos de luz a través de un edificio, comenzando por un punto de entrada ubicado en el techo o en una de sus paredes exteriores. Un tubo de luz no está diseñado para la toma de imágenes (a diferencia de un periscopio , por ejemplo), por lo que las distorsiones de la imagen no plantean ningún problema y se ven favorecidas en muchos sentidos debido a la reducción de la luz "direccional".
El punto de entrada suele estar formado por una cúpula , cuya función es recoger y reflejar la mayor cantidad posible de luz solar en el interior del tubo. Muchas unidades también disponen de "colectores" direccionales, "reflectores" o incluso dispositivos de lentes de Fresnel que ayudan a recoger luz direccional adicional a lo largo del tubo.
En 1994, el Grupo de Ventanas e Iluminación Natural del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) desarrolló una serie de prototipos de conductos de luz horizontales para aumentar la iluminación natural a distancias de 4,6 a 9,1 m, con el fin de mejorar la uniformidad de la distribución de la luz natural y el gradiente de luminancia en toda la habitación en condiciones variables de sol y cielo a lo largo del año. Los conductos de luz se diseñaron para transportar pasivamente la luz natural a través de áreas de vidrio de entrada relativamente pequeñas, reflejando la luz solar a profundidades mayores que las ventanas laterales o tragaluces convencionales. [5] [6]
En la Universidad Tecnológica de Queensland en Brisbane se desarrolló un sistema en el que se dispone un panel acrílico cortado con láser para redirigir la luz solar hacia un tubo de espejo orientado horizontal o verticalmente, combinado con un sistema de difusión de luz con una disposición triangular de paneles cortados con láser que difunden la luz en la habitación . [7] En 2003, Verónica García Hansen, Ken Yeang e Ian Edmonds recibieron el Premio a la Innovación de Far East Economic Review en bronce por este desarrollo. [8] [9]
La eficiencia de transmisión de la luz es máxima si el tubo es corto y recto. En los tubos más largos, en ángulo o flexibles, se pierde parte de la intensidad de la luz. Para minimizar las pérdidas, es fundamental que el revestimiento del tubo tenga una alta reflectividad; los fabricantes afirman que sus materiales tienen reflectividades de hasta casi el 99,5 por ciento en el rango visible. [10] [11]
En el punto final (el punto de uso), un difusor distribuye la luz en la habitación.
Los primeros conductos de luz horizontales pasivos a escala real se construyeron en el Laboratorio de Luz Natural de la Universidad Texas A&M , donde se evaluó exhaustivamente el rendimiento anual de la luz natural en una sala giratoria de 360 grados de 6 m de ancho por 10 m de profundidad. El conducto está recubierto con una película reflectante especular del 99,3 % y el elemento de distribución en el extremo del conducto de luz consiste en una película radial difusora de 4,6 m de largo con una transmitancia visible del 87 %. El conducto de luz introduce niveles de iluminancia constantes que oscilan entre 300 y 2500 lux durante todo el año a distancias de entre 7,6 m y 10 m. [12]
Para optimizar aún más el uso de la luz solar, se puede instalar un helióstato que sigue el movimiento del sol, dirigiendo así la luz solar hacia el tubo de luz en todo momento del día, siempre que lo permitan las limitaciones del entorno, posiblemente con espejos adicionales u otros elementos reflectantes que influyan en la trayectoria de la luz. El helióstato se puede configurar para captar la luz de la luna por la noche.
Las fibras ópticas también se pueden utilizar para la iluminación natural. En 2004, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge se estaba desarrollando un sistema de iluminación solar basado en fibras ópticas de plástico. [13] [14] El sistema se instaló en el Museo Americano de Ciencia y Energía de Tennessee, EE. UU., en 2005, [15] y la empresa Sunlight Direct lo comercializó ese mismo año. [16] [17] Sin embargo, este sistema se retiró del mercado en 2009.
En vista del diámetro generalmente pequeño de las fibras, una instalación eficiente de iluminación natural requiere un colector parabólico para seguir al sol y concentrar su luz. Las fibras ópticas diseñadas para el transporte de luz necesitan propagar la mayor cantidad posible de luz dentro del núcleo; por el contrario, las fibras ópticas diseñadas para la distribución de luz están diseñadas para dejar que parte de la luz se filtre a través de su revestimiento. [18]
En el sistema Björk, comercializado por Parans Solar Lighting AB, también se utilizan fibras ópticas. [19] [20] Las fibras ópticas de este sistema están hechas de PMMA ( polimetilmetacrilato ) y revestidas con Megolon, una resina termoplástica sin halógenos. Sin embargo, un sistema como este es bastante caro. [21]
El sistema Parans [22] consta de tres partes: un colector, cables de fibra óptica y luminarias que difunden la luz en el interior. Uno o más colectores se colocan sobre el edificio o cerca de él en un lugar donde tengan buen acceso a la luz solar directa. El colector consta de lentes montadas en perfiles de aluminio con un vidrio de cobertura como protección. Estas lentes concentran la luz solar en los cables de fibra óptica.
Los colectores son modulares, lo que significa que vienen con 4, 6, 8, 12 o 20 cables según la necesidad. Cada cable puede tener una longitud individual. Los cables de fibra óptica transportan la luz natural a lo largo de 100 metros (30 pisos) dentro y a través de la propiedad, manteniendo un alto nivel de calidad e intensidad de la luz. Algunos ejemplos de implementaciones son el Aeropuerto de Kastrup , la Universidad de Arizona y la Universidad de Estocolmo .
Un sistema similar, pero utilizando fibras ópticas de vidrio, ya se había estudiado anteriormente en Japón. [23]
Corning Inc. fabrica la fibra difusora de luz Fibrance. Fibrance funciona haciendo brillar un láser a través de un cable de fibra óptica difusor de luz. El cable emite un resplandor luminoso. [24]
Las fibras ópticas se utilizan en fibroscopios para aplicaciones de imágenes.
En 1981, Lorne Whitehead, profesor de física de la Universidad de Columbia Británica , desarrolló una guía de luz prismática [25] [26] que se ha utilizado en iluminación solar tanto para el transporte como para la distribución de la luz. [27] [28] En 2001, se instaló un gran tubo solar basado en el mismo principio en el estrecho patio de un edificio de 14 pisos de un bufete de abogados de Washington, DC [29] [30] [31] [32] [33] y se ha hecho una propuesta similar para Londres [34] Se ha instalado otro sistema en Berlín [35] .
La empresa 3M desarrolló un sistema basado en una película de iluminación óptica [36] y desarrolló el 3M light pipe, [37] que es una guía de luz diseñada para distribuir la luz de manera uniforme a lo largo de su longitud, con una película delgada que incorpora prismas microscópicos, [26] que se ha comercializado en conexión con fuentes de luz artificiales, por ejemplo lámparas de azufre .
A diferencia de una fibra óptica, que tiene un núcleo sólido, una guía de luz prismática conduce la luz a través del aire y, por lo tanto, se denomina guía de luz hueca.
El proyecto ARTHELIO, [38] [39] parcialmente financiado por la Comisión Europea , fue una investigación realizada entre los años 1998 y 2000 sobre un sistema de mezcla adaptativa de luz solar y artificial, que incluye una lámpara de azufre , un helióstato y guías de luz huecas para el transporte y distribución de la luz.
Disney ha experimentado con el uso de la impresión 3D para imprimir guías de luz internas para juguetes iluminados. [40]
En un sistema desarrollado por Fluorosolar y la Universidad de Tecnología de Sydney , dos capas de polímero fluorescente en un panel plano capturan la luz solar de onda corta, particularmente la luz ultravioleta , generando luz roja y verde, respectivamente, que se guía hacia el interior de un edificio. Allí, la luz roja y verde se mezcla con luz azul artificial para producir luz blanca, sin infrarrojos ni ultravioleta. Este sistema, que recoge la luz sin requerir partes móviles como un helióstato o un colector parabólico, está destinado a transferir luz a cualquier lugar dentro de un edificio. [41] [42] [43] Al capturar ultravioleta, el sistema puede ser especialmente eficaz en días brillantes pero nublados; esto se debe a que la ultravioleta se reduce menos por la capa de nubes que los componentes visibles de la luz solar.
Los conductos de luz solar, en comparación con los tragaluces convencionales y otras ventanas, ofrecen mejores propiedades de aislamiento térmico y más flexibilidad para su uso en habitaciones interiores, pero menos contacto visual con el entorno exterior.
En el contexto del trastorno afectivo estacional , puede que valga la pena considerar que una instalación adicional de tubos de luz aumenta la cantidad de exposición a la luz natural diaria. De este modo, podría contribuir al bienestar de los residentes o empleados, evitando al mismo tiempo los efectos de la sobreiluminación .
En comparación con las luces artificiales , los tubos de luz tienen la ventaja de proporcionar luz natural y ahorrar energía. La luz transmitida varía a lo largo del día; si esto no se desea, los tubos de luz se pueden combinar con luz artificial en una configuración híbrida . [27] [44] [45] [46]
Se comercializan algunas fuentes de luz artificial que tienen un espectro similar al de la luz solar, al menos en el rango del espectro visible para el ser humano , [47] [48] [49] así como un parpadeo bajo. [49] Su espectro se puede hacer variar dinámicamente para imitar los cambios en la luz natural a lo largo del día. Los fabricantes y vendedores de dichas fuentes de luz afirman que sus productos pueden proporcionar los mismos efectos sobre la salud o similares a los de la luz natural. [49] [50] [51] Cuando se consideran como alternativas a las tuberías de luz solar, estos productos pueden tener menores costos de instalación pero consumen energía durante su uso; por lo tanto, pueden ser más derrochadores en términos de recursos y costos energéticos generales.
En términos más prácticos, los tubos de luz no requieren instalaciones eléctricas ni aislamiento y, por lo tanto, son especialmente útiles para áreas húmedas interiores como baños y piscinas. Desde un punto de vista más artístico, los desarrollos recientes, especialmente los relacionados con los tubos de luz transparentes, abren nuevas e interesantes posibilidades para el diseño de iluminación arquitectónica . [ cita requerida ]
Debido a su tamaño relativamente pequeño y a su alto rendimiento lumínico, los conductos solares son ideales para situaciones de seguridad, como prisiones , celdas policiales y otros lugares donde se requiere un acceso restringido. Al tener un diámetro estrecho y no verse afectados en gran medida por rejas de seguridad internas, proporcionan luz natural a las áreas sin proporcionar conexiones eléctricas ni salidas de emergencia y sin permitir que se introduzcan objetos en un área segura.
Los tubos de luz de plástico moldeado se utilizan habitualmente en la industria electrónica para dirigir la iluminación de los LED de una placa de circuitos a los símbolos indicadores o botones. Estos tubos de luz suelen adoptar una forma muy compleja que utiliza curvas suaves como las de una fibra óptica o pliegues prismáticos pronunciados que se reflejan en las esquinas en ángulo. A menudo, se moldean varios tubos de luz a partir de una única pieza de plástico, lo que permite un fácil montaje del dispositivo, ya que los tubos de luz largos y delgados forman parte de un único componente rígido que encaja en su lugar.
Los indicadores de tubo de luz hacen que la fabricación de componentes electrónicos sea más barata, ya que el método antiguo consistía en montar una lámpara diminuta en un pequeño casquillo directamente detrás del punto que se desea iluminar. Esto suele requerir mucho trabajo manual para la instalación y el cableado. Los tubos de luz permiten montar todas las luces en una única placa de circuito plana, pero la iluminación se puede dirigir hacia arriba y hacia afuera de la placa donde sea necesario.
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