Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Щелевые световоды и проблемы их светотехнического расчета 9
1.1. Краткий обзор развития щелевых световодов, их основные элементы и оптические схемы
1.2. Анализ существующих методов расчета световых приборов для решения поставленной задачи 23
Выводы по главе 1 37
Глава II. Разработка математической модели процесса переноса излучения в щелевом световоде 39
2.1. Принципиальная схема моделирования
2.2. Моделирование источника излучения ОЩ 46
2.3. Исследование рассеивающих свойств материала ОЩ 50
2.4. Моделирование отражения от ОЩ 63
2.5. Основные расчетные операции при построении траектории луча в ЩС 67
2.6. Регистрация выходных параметров ЩС и оценка погрешности расчета 77
2.7. Структура алгоритма и программа расчета 88
2.8. Экспериментальная проверка разработанной математической модели щелевого световода 95
Выводы по главе II 105
Глава III. Исследование и анализ влияния параметров щелевых световодов на светотехнические характеристики устройств и установок с ними 108
3.1. Выбор характеристики светораспределения, основные конструктивные и оптические параметры щелевых световодов
3.2. Влияние параметров вводного устройства 119
3.3. Влияние параметров канала и оптической щели. 126
3.4. Анализ комплексного влияния различных акторов на светораспределение щелевых световодов 141
Выводы по главе III 146
Глава ІV. Исследование и анализ эффективности щелевых, световодов 148
4.1. Выбор критериев эффективности
4.2. Пути повышения эффективности использования существующей конструкции осветительных устройств со щелевыми световодами в осветительной установке 155
4.3. Повышение эффективности щелевых световодов путем оптимизации их конструктивных параметров 173
Выводы по главе ІV 183
Заключение 187
Основные результаты и выводы 191
Список литературы 195
Приложение 204
- Краткий обзор развития щелевых световодов, их основные элементы и оптические схемы
- Моделирование источника излучения ОЩ
- Выбор характеристики светораспределения, основные конструктивные и оптические параметры щелевых световодов
- Выбор критериев эффективности
Введение к работе
Повышение эффективности использования сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса [I].
Создание новых световых приборов, обеспечивающих снижение материалоемкости и трудоемкости на производстве и в процессе эксплуатации, а также уменьшение расходов электроэнергии,- путь решения этой проблемы светотехнической промышленностью.
Важным шагом на этом пути явилась в последние годы разработка осветительных устройств со щелевыгли световодами /ЩС/. Использование таких устройств позволяет на принципиально новом уровне решать задачи внутреннего освещения зданий [2], благодаря перераспределению светового потока минимального числа мощных источников света с помощью осветительных устройств большой протяженности. Применение ЩС для внутреннего освещения промышленных и общественных зданий позволяет с одной стороны снизить капитальные затраты на осветительную установку за счет резкого сокращения числа световых точек и, следовательно, снижения затрат материалов и труда на изготовление и монтаж светильников, источников света, пускорегули-рующих устройств, электроустановочных изделий и электрических сетей, а с .другой - уменьшить эксплуатационные расходы, связанные с сокращением стоимости замены ламп и чистки арматуры, а в ряде случаев, и снижением потребления электроэнергии.
Одним из важнейших преимуществ применения ЩС является возможность выноса источников света, а с ними и всей электротехнической части осветительной установки /ОУ/ за пределы освещаемого помещения, что делает ЩС высоко эффективными, а в ряде случаев и единственно возможными, например, при освещении помещений с некоторыми взрывоопасными средами. Помимо этого осветительные уста- - 5 -новки со ЩС обладают следующими преимуществами: обеспечивают повышенное качество освещения за счет большей равномерности распределения освещенности и снижения коэффициента пульсации светового потока благодаря использованию в одном ЩС нескольких источников света; позволяют с помощью одних и тех же каналов ЩС создавать рабочее и аварийное освещение, а также освещение с различным спектром; создают возможность работы в режимах с резервированием источников света; позволяют снизить тешюпоступления в освещаемое помещение и использовать одни и те же каналы в качестве световоздухо-распределителей. Особо необходимо отметить возможность применения ЩС в качестве системы транспортирования и распределения солнечного излучения для освещения внутренних помещений в зданиях глубокого заложения или без естественного освещения. При этом целесообразно совмещение естественного и искусственного освещения с помощью одних и тех же ЩС, что может позволить резко сократить расход электроэнергии.
Имеющийся опыт проектирования и эксплуатации ОУ со ЩС не только подтвердил правильность и важность выбранного направления, а также перспективность его развития, но и показал, что тлеются значительные резервы дальнейшего повышения эффективности ЩС за счет как усовершенствования самих устройств, так и более рационального их использования в установке.
Для решения этой задачи необходимо проведение сравнительного технико-экономического анализа эффективности различных вариантов конструкции и схем осветительных устройств со ЩС. Однако до настоящего времени выполнение такого анализа сдерживалось из-за отсутствия надежного и универсального метода расчета светотехнических характеристик ЩС, позволяющего: - рассчитывать разнообразные характеристики светораспределения ЩС /освещенность, яркость, светимость, КЦД, коэффициент использо- - б - вания и др./. с учетом реальных-параметров устройств и установок с ними с достаточным для практики приближением; в широких пределах варьировать геометрические и светотехнические параметры устройства и установки; рассчитывать распределение освещенности в установках не только от одного ЩС, но и от группы устройств при заданном их размещении и схеме ввода светового потока в канал световода; оценивать точность полученных результатов; по мере необходимости дополнять модель новыми модификациями и схемами размещения ЩС; по выбранным критериям оценивать эффективность различных схем устройств и установок со ЩС; производить обоснованный выбор конструктивных и светотехнических параметров, обеспечивающих повышение эффективности осветительных устройств и установок со ЩС.
Разработка такого метода или математической модели осветительных устройств со щелевыми световодами и является целью данной работы.
Как вытекает из поставленных задач, разрабатываемая модель должна строиться не только как средство анализа важнейших характеристик световода, но и как средство математического эксперимента для принятия решений. При этом модель должна удовлетворять следующим требованиям« адекватности, т.е. описывать свойства объекта с необходимой точностью; универсальности, т.е. быть пригодной для исследования устройства в широком диапазоне вариаций его схем и параметров; экономичности, т.е. обеспечивать выполнение расчета за относительно небольшое время; простоты, т.е. быть наглядной для использования.
Разрабатываемая модель - численная модель, которая, с одной стороны, должна проверяться экспериментально, а с другой - должна использоваться как средство прогнозирования, т.е. для определения параметров в наибольшей степени отвечающих заданным требованиям. Одним из важнейших преимуществ такого метода является полная воспроизводимость результатов, что в физических моделях возможно в исключительных случаях. Кром того, подобная модель позволяет априори оценить эффективность таких элементов устройства, которые еще не имеют материального аналога и поэтому не могут быть испытаны физическим путем /это особенно важно при разработке новых материалов и покрытий/.
Таким образом, разрабатываемая модель должна явиться важным инструментом исследований, с целью поиска путей, повышающих эффективность конструкторских и проектных решений при разработке осветительных устройств и установок со щелевыми световодами. Это дает основание считать поставленную работу актуальной.
Диссертационная работа проводилась в соответствии с координационным планом Государственного Комитета Совета Министров СССР по науке и технике /проблема 06 приложения 7 к постановлению J 542 от 17.12.75г./ в рамках темы "Разработка и освоение промышленного производства осветительных устройств со щелевыми светильниками-световодами для освещения производственных помещений" /шифр темы ШИСИ - С02.4ЇІ6/ [59]. Указанные работы выполнялись совместно с производственным объединением "Ватра" /г.Тернополь/ ГДинэлектротех-прома, Киевским отделением Украинского государственного проектного института "Тяжпромэлектропроект" /КО УГЛИ ТПЭП/ и рядом других организаций в период 1974-І978 г.г.
С 1981г. по настоящее время ШИСИ совместно с Днепровским проектным институтом /г.Днепропетровск/, научно-производственным объединением "Энергия" /московская обл./ и КО УГЛИ ТПЭП проводит - 8 -поисковую научно-исследовательскую работу на тему: "Исследование и экспериментальное проектирование установок со щелевыми световодами, являющимися элементами конструкции зданий и работающими в качестве световоздухораспределителей и устройств, перераспределяющих солнечное излучение" /шифр темы - C028I00285/, в ходе выполнения которой использованы результаты данной диссертационной работы.
Кроме того, в 1983г. КО УГЛИ ТПЭП по заданию Госстроя СССР /тема 2-16-83/ выпущена работа "Руководство по проектированию осветительных, установок со щелевыми световодами" [93], в которой ряд светотехнических расчетов выполнен на основе разработанной в данной диссертационной работе математической модели ЩС. - 9 ~
Краткий обзор развития щелевых световодов, их основные элементы и оптические схемы
Впервые идея передачи света по трубам от удаленного источника для освещения помещений была выдвинута русским ученым В.Н.Чиколевым еще в середине 70-х годов прошлого века[3]. В качестве источника света в конструкции Чиколева была использована мощная угольная дуга, свет от которой при помощи линзы вводился в полую трубу с внутренними зеркализованными стенками и по ней передавался в освещаемое помещение /рис.1а/. Для выхода света в трубе имелись небольшие патрубки со светопропускающими рассеи-вателями на концах. Перераспределение света по патрубкам осуществлялось системой наклонных зеркальных диафрагм /рис.16/.
Хотя эта идея была использована для освещения помещении со взрывоопасными средами /на Охтинском пороховом заводе/, т.е. решалась одна из самых главных проблем и в современной технике освещения - создание безопасного освещения, Чиколев видел в этой идее ключ к решению более важной проблемы того времени: перераспределению света от мощных источников. Это было связано с низкой эффективностью существовавших тогда маломощных источников света и автономностью их электропитания. Таким образом, идея Чиколева заключалась в замене электрического способа распределения источников света оптическим, поэтому эта идея и была названа им "дроблением света".
Однако развитие средств искусственного освещения пошло по пути усовершенствования как самих источников света, так и устройств для их питания, и идея Чиколева в отечественной и зарубежной технике освещения не получила дальнейшего развития.
Моделирование источника излучения ОЩ
Математическая модель источника света, основанная на методе Монте-Карло, представляет собой систему уравнений, позволяющую с помощью случайных чисел f связывать основные параметры источника с конечным множеством случайных лучей, которое по своему фотометрическому действию эквивалентно действию источника.
Основными параметрами источника является форма, размеры и распределение яркости по поверхности и окружающему пространству. Построение модели источника рассмотрим на примере излучателя в виде светящего боковой поверхностью цилиндра длиной ь-и и радиусом Zu с распределением яркости: что соответствует параметрам горелки лампы ДРИ [81]. Здесь L0 яркость в направлении нормали к поверхности цилиндра. На основании принятой статистической модели элементарному потоку dФ соответствует световой луч , доходящий из точки 1ц в направлении 6". Вероятность dPCfq Т) выбора такого луча из всего шожества лучей, заменяющих источник, согласно /17/ соответствует доле потока.
Выбор характеристики светораспределения, основные конструктивные и оптические параметры щелевых световодов
В качестве основной выходной характеристики модели в данном исследовании выбрано светораспределение ЩС - важнейшая светотехническая характеристика любого светового прибора. При этом в зависимости от основной и конкретной светотехнических функций [87], необходимо выделить две основные области, в которых ЩС выступает в качестве:
- осветительного прибора для создания общего, местного и комбинированного рабочего освещения;
- осветительного прибора архитектурного освещения, светового указателя или средства световой рекламы.
Принципиальным отличием здесь является то, что во втором случае ЩС представляет собой объект наблюдения. Это предъявляет повышенные требования к качеству распределения светового потока по светящей поверхности таких устройств. Поэтому для такого варианта в качестве основной выходной характеристики удобно выбрать распределение светимости или яркости по ОЩ световода.
Что касается первого случая, непосредственно являющегося объектом данного исследования, то здесь необходимо отметить следующее. ЩС, являясь световым комплексом [88], имеет ряд важных особенностей, отличающих его от обычных световых приборов - светильников. Во-первых, по типу излучателя ЩС можно отнести к светящей линии, светораспределение которой в общем виде является существенно несимметричным как в окружающем пространстве, так и по длине линии. Во-вторых, благодаря большим габаритам /длина канала равна или кратна одной из сторон освещаемого помещения/ и световому потоку /десятки и сотни килолюменов/, ЩС по своему действию эквивалентен целой группе светильников. Это позволяет рассматривать ЩС не как отдельный световой прибор, а непосредственно как часть ОУ. В силу этого, представление светораспределенмя ЩС в виде единой кривой силы света /КОС/ прибора, как это обычно имеет место для единичных светильников, или КОС с единицы длины линии, как это принято для рядов светильников с люминесцентными лампами, явно не пригодно.
Выбор критериев эффективности
При решении любых задач, связанных с эффективностью светового прибора /СП/, неизбежно встает вопрос: как оценивать эффективность и что является ее критерием.
Если исходить из основных светотехнических требований, предъ являемых к СП в ОУ, то для подавляющего большинства общепромышленных установок основным таким требованием согласно СНиП является обеспечение такого распределения освещенности (К]/) на рабочей или условной /расчетной/ поверхности /РП/, при котором минимальная освещенность Е rnin будет не ниже нормируемой освещенности Ец , т.е.
В соответствии с этим, именно этой нормируемой освещенностью и определяется полезная часть светового потока, установивше гося на РП /. Остальная часть этого потока, создающая освещенность выше уровня Ей » является излишней, бесполезно растрачиваемой. Очевидно, что отношение определяемого таким образом полезного светового потока фмл к общему, суммарному потоку источников света, необходимому для создания требуемого уровня #, определяет эффективность использования светового потока в данной установ-ке или светотехническуЭффективность7 100]. Учитывая, что Фпол Ен А » где А - освещаемая полезная площадь РП, имеем или, если источники имеют равные световые потоки где /ijj - требуемое количество источников в 0У.
Однако на стадии разработки нового СП, когда мы не связаны с конкретными значениями освещаемой площади А и количеством Им источников в 0У, удобнее величину дс отнести к площади До , приходящейся на один СП. Эта площадь в главе Ш была определена как светотехнический модуль. При этом, очевидно, что в знаменателе /124/ должен стоять поток ламп, приходящийся на один модуль, т.е. Ил - количество источников в одном СП, в данном случае - ЩС.
