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 el fin de iluminar y son ejemplos de guías de ondas ópticas .
En su aplicación a la iluminación natural , también se les suele denominar dispositivos tubulares de iluminación natural, tubos solares, visores 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 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 trivial. Esto se debe a que se trata de tubos revestidos con una capa de oro reflectante de infrarrojos altamente pulida , que se puede aplicar con un espesor suficiente para permitir que estos tubos se utilicen en atmósferas altamente corrosivas. El negro de carbón se puede aplicar a ciertas partes de los tubos de luz para absorber la luz IR (ver fotónica ). Esto se hace para limitar la luz IR solo a ciertas áreas de la tubería.
Si bien la mayoría de los tubos de luz se fabrican con una sección transversal redonda, los tubos de luz no se limitan a esta geometría. En aplicaciones especiales se utilizan secciones transversales cuadradas y hexagonales. Los tubos hexagonales tienden a producir el tipo de luz IR más homogeneizado. No es necesario que las tuberías estén rectas. Las curvaturas en la tubería tienen poco efecto sobre la eficiencia.
Los primeros sistemas de reflectores comerciales fueron patentados y comercializados en la década de 1850 por Paul Emile Chappuis en Londres, utilizando diversas formas de diseños de espejos en ángulo . Los reflectores de Chappuis Ltd estuvieron en producción 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 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 guía los rayos de luz a través de un edificio, partiendo de un punto de entrada situado en su tejado o en una de sus paredes exteriores. Un tubo de luz no está destinado a la obtención de imágenes (a diferencia de un periscopio , por ejemplo); por lo tanto, las distorsiones de la imagen no suponen ningún problema y, en muchos sentidos, se favorecen debido a la reducción de la luz "direccional".
El punto de entrada suele comprender una cúpula ( cúpula ), que tiene la función de recoger y reflejar la mayor cantidad de luz solar posible hacia el interior del tubo. Muchas unidades también tienen "colectores", "reflectores" direccionales o incluso dispositivos de lentes de Fresnel que ayudan a recolectar luz direccional adicional a lo largo del tubo.
En 1994, el Grupo de Iluminación Natural y Ventanas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) desarrolló una serie de prototipos de tubos de luz horizontales para aumentar la iluminancia de la luz natural a distancias de 4,6 a 9,1 m, para mejorar la uniformidad de la distribución de la luz natural y el gradiente de luminancia en la habitación bajo Condiciones variables de sol y cielo durante todo el año. Los tubos de luz fueron diseñados para transportar pasivamente la luz natural a través de áreas de entrada de vidrio 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. [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 luz es mayor si el tubo es corto y recto. En tubos más largos, angulados o flexibles se pierde parte de la intensidad luminosa. Para minimizar las pérdidas, es fundamental una alta reflectividad del revestimiento del tubo; Los fabricantes afirman que la reflectividad de sus materiales, en el rango visible, es de casi el 99,5 por ciento. [10] [11]
En el punto final (el punto de uso), un difusor difunde la luz por la habitación.
Los primeros tubos de luz horizontales pasivos a gran escala se construyeron en el Daylight Lab de la Universidad Texas A&M , donde se evaluó minuciosamente el rendimiento anual de la luz natural en una sala con rotación de 360 grados de 6 m de ancho por 10 m de profundidad. El tubo está recubierto con una película reflectante especular al 99,3% y el elemento de distribución en el extremo del tubo de luz consta de una película radial difusora de 4,6 m de largo con una transmitancia visible del 87%. El tubo de luz introduce constantemente niveles de iluminancia que oscilan entre 300 y 2.500 lux durante todo el año a distancias de entre 7,6 ma 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, en la medida que lo permitan las limitaciones del entorno, posiblemente con espejos adicionales u otros Elementos reflectantes que influyen en el camino de la luz. El helióstato se puede configurar para capturar la luz de la luna durante la noche.
Las fibras ópticas también se pueden utilizar para iluminación natural. En 2004 se estaba desarrollando un sistema de iluminación solar basado en fibras ópticas de plástico en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. [13] [14] El sistema se instaló en el Museo Americano de Ciencia y Energía, Tennessee, EE. UU., en 2005, [15] y lanzado al mercado el mismo año por la empresa Sunlight Direct. [16] [17] Sin embargo, este sistema fue retirado del mercado en 2009.
Dado el diámetro normalmente pequeño de las fibras, una instalación de iluminación natural eficiente requiere un colector parabólico para seguir el sol y concentrar su luz. Las fibras ópticas destinadas al transporte de luz deben propagar la mayor cantidad de luz posible dentro del núcleo; Por el contrario, las fibras ópticas destinadas a la distribución de la luz están diseñadas para dejar pasar parte de la luz a través de su revestimiento. [18]
Las fibras ópticas también se utilizan en el sistema Bjork vendido por Parans Solar Lighting AB. [19] [20] Las fibras ópticas de este sistema están hechas de PMMA ( polimetilmetacrilato ) y revestidas con Megolon, una resina termoplástica libre de halógenos. Sin embargo, un sistema como este es bastante caro. [21]
El sistema Parans [22] consta de tres partes. Colector, cables de fibra óptica y luminarias que difunden la luz en el interior. Se colocan uno o más colectores en 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 cristal 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 100 metros (30 pisos) dentro y a través de la propiedad manteniendo un alto nivel de calidad e intensidad de la luz. Ejemplos de implementaciones son el aeropuerto de Kastrup , la Universidad de Arizona y la Universidad de Estocolmo .
Anteriormente se había estudiado en Japón un sistema similar, pero que utilizaba fibras ópticas de vidrio. [23]
Corning Inc. fabrica la fibra difusora de luz Fibrance. Fibrance funciona haciendo brillar un láser a través de un cable de fibra óptica que difunde la luz. El cable emite un brillo luminoso. [24]
Las fibras ópticas se utilizan en fibroscopios para aplicaciones de imágenes.
Lorne Whitehead, profesor de física de la Universidad de Columbia Británica , desarrolló en 1981 una guía de luz prismática , [25] [26] y se ha utilizado en iluminación solar tanto para el transporte como para la distribución de luz. [27] [28] En 2001, se instaló una gran tubería solar basada en el mismo principio en el estrecho patio de un edificio de 14 pisos de una firma de abogados de Washington, DC, [29] [30] [31] [32] [33] y se ha hecho una propuesta similar para Londres. [34] En Berlín se ha instalado otro sistema. [35]
La empresa 3M desarrolló un sistema basado en película de iluminación óptica [36] y desarrolló el tubo de luz 3M, [37] que es una guía de luz diseñada para distribuir la luz uniformemente en su longitud, con una fina película que incorpora prismas microscópicos, [26] que se ha comercializado en relación con fuentes de luz artificiales, por ejemplo, lámparas de azufre .
A diferencia de una fibra óptica que tiene un núcleo macizo, 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 entre los años 1998 y 2000 sobre un sistema de mezcla adaptativa de luz solar y artificial, y que incluye una lámpara de azufre , un heliostato y luz hueca. Guías para transporte y distribución ligera.
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 Tecnológica 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 capta la luz sin necesidad de piezas móviles como un helióstato o un colector parabólico, está pensado para trasladar la luz a cualquier lugar dentro de un edificio. [41] [42] [43] Al capturar la luz ultravioleta, el sistema puede ser especialmente eficaz en días brillantes pero nublados; esto se debe a que la cobertura de nubes disminuye menos la radiación ultravioleta que los componentes visibles de la luz solar.
Los tubos 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 valer la pena considerar que una instalación adicional de tubos de luz aumenta la cantidad de exposición diaria a la luz natural. De este modo, podría contribuir al bienestar de los residentes o empleados evitando al mismo tiempo los efectos de sobreiluminación .
En comparación con la luz artificial , los tubos luminosos tienen la ventaja de proporcionar luz natural y ahorrar energía. La luz transmitida varía a lo largo del día; Si 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 humano , [47] [48] [49], así como un bajo parpadeo. [49] Se puede hacer que su espectro varíe dinámicamente para imitar los cambios en la luz natural durante el día. Los fabricantes y vendedores de este tipo de fuentes de luz afirman que sus productos pueden proporcionar efectos para la salud iguales o similares a los de la luz natural. [49] [50] [51] Cuando se consideran alternativas a las tuberías de luz solar, dichos productos pueden tener costos de instalación más bajos pero consumen energía durante su uso; por lo tanto, es posible que generen un mayor desperdicio en términos de recursos y costos energéticos generales.
En una nota más práctica, 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 necesaria ]
Debido al tamaño relativamente pequeño y la alta emisión de luz de los tubos solares, tienen una aplicación ideal en situaciones orientadas a la seguridad, como prisiones , celdas de policía y otros lugares donde se requiere acceso restringido. Al tener un diámetro estrecho y no verse afectado en gran medida por las rejillas de seguridad internas, proporciona luz natural a áreas sin proporcionar conexiones eléctricas ni acceso de escape, y sin permitir el paso de objetos a un área segura.
Los tubos de luz de plástico moldeado se utilizan comúnmente en la industria electrónica para dirigir la iluminación de los LED en una placa de circuito a símbolos o botones indicadores. Estos tubos de luz suelen adoptar una forma muy compleja que utiliza curvas suaves como en una fibra óptica o tiene pliegues prismáticos afilados que se reflejan en las esquinas en ángulo. A menudo se moldean varios tubos de luz a partir de una sola pieza de plástico, lo que permite un fácil montaje del dispositivo, ya que los tubos de luz largos y delgados son todos parte de un único componente rígido que encaja en su lugar.
Los indicadores de tubo de luz hacen que la fabricación de productos electrónicos sea más barata, ya que la forma antigua consistía en montar una pequeña lámpara en un pequeño enchufe directamente detrás del punto a iluminar. Esto a menudo requiere mucha mano de obra para la instalación y el cableado. Los tubos de luz permiten montar todas las luces en una sola placa de circuito plana, pero la iluminación se puede dirigir hacia arriba y lejos de la placa donde sea necesario.
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