Hệ thống chiếu sáng tự nhiên sử dụng sợi quang

PGS. Lê Văn Doanh – TS. Bùi Minh Định

TT R&D- CTCP Bóng đèn Phích nước Rạng Đông

Trong kỹ thuật chiếu sáng, để tiết kiệm điện năng, việc triệt để sử dụng ánh sáng tự nhiên trong các công trình xây dựng thông qua các cửa kính rộng, các ô thoáng, giếng trời… là mối quan tâm đặc biệt của các kiến trúc sư. Với việc hoàn thiện công nghệ sợi quang có thể truyền dẫn ánh sáng tự nhiên từ ngoài trời qua hệ thống thâu kính và truyền qua cáp quang đến tận vị trí làm việc. Khi điều kiện chiếu sáng tự nhiên không đủ, hệ thống chiếu sáng nhân tạo bằng đèn LED được bật. Hệ thống Echy (Eclairage Hybride – Chiếu sáng lai) do một nhóm sinh viên Trường Bách khoa Cầu Đường Paris sáng tạo đã được cấp bằng phát minh năm 2012 là hệ thống kết hợp chiếu sáng nhân tạo và chiếu sáng tự nhiên bằng sợi quang. Bài viết sau đây điểm qua công nghệ chiếu sáng xanh này.

SỢI QUANG TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng bằng sợi quang đã được Daniell Colladon (hình 1) và Jacques Babinet chứng minh đầu tiên ở Paris từ năm 1840. Nguồn sáng được truyền qua ống dẫn đến thùng nước đặt phía dưới. 12 năm sau, nhà khoa học Anh John Tyndall đã khảo sát hiện tượng ánh sáng truyền từ không khí qua tia nước. Nếu tia sáng truyền vào nước với góc tới lớn hơn 48°27' thì ánh sáng được truyền dọc theo tia nước. Đây chính là hiện tượng phản xạ toàn phần, nguyên lý làm việc của sợi quang. Cáp quang (hình 2) gồm sợi thủy tinh chiết suất cao, có kích thước bằng sợi tóc, dẫn và phản xạ ánh sáng nhiều lần dọc theo sợi quang, bên ngoài là vỏ bọc. Giữa các sợi quang có phủ chất độn để tăng độ dẻo của cáp.

Hình 1 - Thí nghiệm của Daniell Colladon Hình 2- Cấu tạo của cáp quang abc) vỏ bọc

truyền dẫn ánh sáng qua tia nước d) chất độn e) sợi quang f) ruột sợi quang

Hình 3 Ánh sáng truyền qua sợi quang Hình 4 Bó sợi quang

Trên hình 3 ta thấy khi ánh sáng có góc tới phù hợp sẽ phản xạ toàn phần và truyền qua sợi quang. Một phần ánh sáng có góc tới lớn góc gới hạn sẽ bị khúc xạ hoặc tán sắc vào vỏ và bị suy hao. Do hiện tượng tán sắc của vật liệu chế tạo sợi quang nên ánh sáng truyền qua sợi quang bị suy hao mạnh, do đó ban đầu sợi quang chỉ được ứng dụng để truyền dẫn tín hiệu thông tin ở khoảng cách trung bình. Mức suy hao tín hiệu trong sợi quang vào khoảng 20 decibel /km. Nhờ công nghệ chế tạo sợi quang bằng sợi thủy tinh silica có độ tinh khiết cao, năm 2009 Charles Kao đã đạt được giải Nôben về Vật lý nhờ công trình sợi quang có suất tiêu hao 5 dB/km. Ngày nay thông tin bằng cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và là nền tảng của thông tin số. Quan niệm sử dụng hệ thống thâu kính để tụ tiêu ánh sáng và truyền dẫn ánh sáng này bằng sợi quang đã được Kei Mori (Nhật Bản) đưa ra đầu tiên từ năm 1980, nhưng hệ thống này chưa được hoàn thiện và hiệu suất truyền dẫn kém do đó bị lãng quên. Cho đến năm 2012 hệ thống Echy do một nhóm sinh viên Trường Bách khoa Cầu Đường Paris sáng tạo đã được cấp bằng phát minh, là hệ thống kết hợp chiếu sáng nhân tạo và chiếu sáng tự nhiên bằng sợi quang. Bài viết sau đây giới thiệu hệ thống này.

TÍN HIỆU ÁNH SÁNG ĐƯỢC TRUYỀN QUA SỢI QUANG NHƯ THẾ NÀO?

Trên hình 5 biểu diễn các chế độ (modes) truyền ánh sáng trong các loại cáp quang có đường kính sợi khác nhau:

Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (step index fiber), sợi quang có đường kính lớn 380-220 micro mét, tín hiệu xung đầu ra bị suy giảm nhiều.

Sợi quang có chiết suất giảm bậc (graded index fiber) kích thước trung bình, 125-50 micro mét, tạo nên chế độ sóng đứng nên tín hiệu xung đầu ra ít bị suy giảm.

Sợi quang đơn mode (single mode fiber) có kích thước nhỏ 125-10 micro mét, xung ra hoàn toàn trung thực theo xung vào.

Trong sợi quang việc truyền dẫn ánh sáng mặt trời được thu thập nhờ thâu kính hội tụ Fresnel.

Hình 5 Tín hiệu ánh sáng truyền qua sợi quang có kích cỡ khác nhau

HỆ THỐNG ECHY

Hệ thống truyền dẫn ánh sáng tự nhiên từ ngoài trời vào trong phòng nhờ cáp quang Echy gồm 3 bộ phân cơ bản:

Hệ thống thâu kính Fresnel (hình 6) gồm 18 thâu kính hội tụ có thể quay theo góc 180 độ theo quỹ đạo mặt trời. Kích thước 120x60x15cm nặng 25kg, quang thông 5700 lumen tương đương nguồn sáng của 14 đèn sợi đốt 40 W.

Hình 5 Hệ thống thâu kính Fresnel hội tụ ánh sáng

2) Sợi quang có chiều dài tiêu chuẩn 5, 10, 15, 20 m phù hợp với vị trí và kích thước phòng cần chiếu sáng. Phần đầu cáp làm bằng sợi thủy tinh silica chịu nhiệt tốt, phần giữa và cuối bằng nhựa trong (hình 6).

Hình 6 Sợi quang truyền dẫn ánh sáng

Các đầu thu quang có kích cỡ khác nhau tùy theo hình dạng phòng (hình 7) và thường được bố trí xen kẽ với bộ đèn LED và được điều khiển bằng cảm biến quang.

Hình 7 Các đầu thu ánh sáng bên ngoài

Hình 8 là hình ảnh của phòng vẽ được chiếu sáng bằng ô sáng truyền dẫn bằng sợi quang. Hình 9 là toàn cảnh giải pháp chiếu sáng xanh kết hợp chiếu sáng nhân tạo bằng LED với hệ thống ECHY.

Lợi ích của hệ thống này là:

Chất lượng ánh sáng cao, phù hợp với thị giác con người.

Tiết kiệm năng lượng, phát triển bền vững.

An toàn cao, không gây cháy nổ.

Không phát thải nhiệt, tia cực tím, tia hồng ngoại, khí độc hại.

Hình 7 Phòng vẽ được chiếu sáng bằng hệ thống ECHY Hình 9. Toàn cảnh hệ thống ECHY