Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Saboonchi,AliAkbar AlemRajabi
احمد صابونچی (استاد مشاور) علی اکبر عالم رجبی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Rouhollah Firouzabadi
روح اله فیروزآبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Sunlight Transmition through Optical Fiber for Indoor Illumination
Considering disadvantages of artificial lighting, e.g. huge amount of energy consumption and undesirable physical effects on human body, and advantages of sunlight, application of sunlight, especially in offices is desirable, therefore investigation on sunlight conveying will be useful. Previous studies have shown the potential of optical fibers for this purpose. Optical fibers are easy to install and flexible in comparison with solar tubes and mirrors. In this project, we try to design a simple and inexpensive system for sunlight transmission. For this purpose, a set up has been made which comprises a convex lens of low-focal length to collect light, optical fiber(s) for light transmission, a structure to locate lens and optical fibers and a dark box for measuring the light being transferred by. The performance of optical fiber is based on the total internal reflection (TIR) process that lets light transmit along the fiber. The two most important variables for optical fibers are defined as numerical aperture (NA) and attenuation along their length (?). Numerical aperture refers to an angle that light can be transmitted along the fiber with total internal reflection. Optical fiber attenuation depends on fiber’s material and its defects. Two lenses of 32 and 42 mm in diameter were used to compare the performance of Concentrators. Also, the effect of fiber length on light transmission, fibers of 1 and 1.5 mm in diameter were examined. In order to track the sun, a manually controlled two axis solar tracker was made and employed. For performance calculations, energy and exergy analysis were applied on the system from the lens’s input to the optical fiber output. Then to assess the validity of the equations, different tests were done. The system variables, i.e. fiber length, fiber diameter, number and sharpness of the optical fiber, diameter and the focal length of the lenses and the influence of the sun's energy intensity were studied. To eliminate the influence of other variables on the tests results, the variable sunlight illumination ratio (SIR) which is defined as the ratio of illumination at the test box to the outdoor illumination on a flat horizontal surface, was used. Also, luminous efficacy and irreversibility were calculated. Luminous efficacy is defined as the ratio of output luminance to the output power of the optical fiber. In addition, difference between exergy of lens input and optical fiber output offers irreversibility. Increasing length, number of optical fiber bends and reduction in diameter can result in increase in the loss in the system. By increasing the diameter of the lens a significant increase in the amount of light energy occurs and also changes in the size of focal diameter that leads to the difference between the area of fibers cross section and focal point causes decrease in the output luminous of the system. Luminous efficacy increases with increasing the number of optical fibers. Additionally, total irreversibility will increase when the optical fiber’s length and diameter of the lens increases. Due to the variables luminous efficacy and output luminance of the system at several experiments, the bigger lens, the optical fiber with larger diameter and greater number of them can be selected as the optimal system. Keywords: Sunlight Transmission, Optical Fiber, Exergy Analysis, Energy Analysis.
: با توجه به معایب روشنایی مصنوعی از جمله مصرف سوخت و آثار مضر پزشکی بر بدن انسان و مزایای انرژی نورانی خورشید و همچنین مصرف انرژی زیاد در زمینه روشنایی، مخصوصا در مکان‌های اداری، بررسی سیستمی برای استفاده از انرژی نورانی خورشید بسیار مناسب است. با توجه به مطالعات گذشته و مزایای فیبر نوری در انتقال نور از جمله راحتی نصب و انعطاف‌پذیری نسبت به لوله خورشیدی و آینه‌ها، در این پژوهش سعی بر طراحی سیستمی ساده و کم هزینه برای انتقال نور شده است. به این منظور از عدسی محدب با فاصله کانونی کم برای جمع‌آوری نور، فیبر نوری برای انتقال نور و پایه‌ای برای نگه‌داری مجموعه عدسی و فیبر بهره برده شد. عملکرد فیبر نوری بر این اساس است که پس از برخورد نور به سطح داخلی و با توجه به اینکه زاویه برخورد از زاویه حد بیشتر است دچار بازتاب کلی شده و در طول فیبر منتقل می‌شود. بر این اساس دو متغیر مهم برای فیبرها تعریف می‌شود: گشودگی عددی و میزان افت برحسب طول. گشودگی عددی به زاویه‌ای اتلاق می‌شود که در صورتی نور با زاویه‌ای کمتر از آن به سطح فیبر برخورد کند دچار بازتاب کلی شده و از فیبر عبور می‌کند. متغیر میزان افت بر حسب طول نیز با توجه به جنس فیبر و عیوبی که برای آن اتفاق می‌افتد تعریف می‌شود. برای مقایسه عملکرد متمرکزکننده، از دو عدسی با قطرهای 32 و 42 میلی‌متر استفاده شد. همچنین برای انتقال نور، دو فیبر با قطر 1 و 5/1 میلی‌متر و طول‌های مختلف مورد آزمایش قرارگرفت. برای رصد دقیق خورشید ردیاب تک محوره شیب‌داری با کنترل دستی ساخته شد. برای محاسبه عملکرد مجموعه، تحلیل انرژی و اگزرژی بر روی سیستم ، از ورودی عدسی تا خروجی فیبر نوری انجام پذیرفت و برای سنجش اعتبار معادلات، نمونه ساخته‌شده مورد آزمایش قرار گرفت. بر روی سیستم، متغیرهای طول، قطر و خم فیبر نوری، قطر و فاصله کانونی عدسی و تاثیر میزان شدت انرژی خورشید مورد بررسی قرار گرفت. برای حذف تاثیر سایر متغیرها بر هر مورد آزمایش، از متغیر نسبت روشنایی نور خورشید که میزان انرژی روشنایی درون محیط آزمایش به محیط بیرون در هوای صاف ودر سطح افقی است، استفاده شد. همچنین متغیرهای بهره نوری و بازگشت‌ناپذیری برای سیستم محاسبه شدند. بهره نوری میزان انرژی روشنایی خروجی از فیبر نوری به توان خروجی از فیبر و بازگشت‌ناپذیری تفاوت اگزرژی‌های ورودی عدسی و خروجی فیبر نوری است. افزایش طول و تعداد خم و همچنین کاهش قطر، موجب افزایش افت انرژی نورانی درون سیستم می‌شود. با افزایش قطر عدسی افزایش قابل توجهی در میزان انرژی نورانی رخ می‌دهد و همچنین تغییر اندازه نقطه تمرکز نیز که منجر به اختلاف بین سطح فیبرها و سطح نقطه تمرکز می‌شود تاثیر شدیدی بر میزان روشنایی می‌گذارد. بهره نوری با افزایش تعداد فیبرها افزایش قابل توجهی می‌یابد و بازگشت‌ناپذیری کل سیستم با افزایش طول و قطر عدسی، افزایش می‌یابد. با توجه به متغیر بهره نوری و میزان روشنایی حاصل از آزمایش‌ها، عدسی و فیبر با قطر بزرگتر و تعداد بیشتر فیبر را می‌توان به عنوان سیستم بهینه انتخاب کرد. کلمات کلیدی: انتقال نور خورشید، فیبر نوری، تحلیل اگزرژی، تحلیل انرژی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی