ประเภทของเลนส์ส่งผลต่อการกระจายแสงในแสงอาทิตย์กระจกกระจกกระจกอย่างไร

วิธีที่เลนส์ควบคุมและกำหนดรูปร่างของลำแสงเพื่อให้ได้พื้นที่ส่องสว่างที่เหมาะสมที่สุด

ไฟพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้กระจกแบบคราเคลนั้นอิงหลักการออกแบบเลนส์พิเศษเพื่อกำหนดทิศทางของแสงและให้การกระจายแสงที่ดีขึ้นโดยรวม โดยเฉพาะเลนส์นูนและเลนส์เฟรสเนล สามารถควบคุมทิศทางของลูเมนได้ประมาณ 70 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ไปยังตำแหน่งที่ต้องการ ทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าไฟ LED ธรรมดาที่ไม่มีการปกคลุม เนื่องจากมีแสงที่สูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ลดลงประมาณ 40% (ตามรายงานในวารสาร Optical Engineering Journal เมื่อปี 2023) ในทางกลับกัน เลนส์เว้าจะช่วยกระจายแสงให้กว้างขึ้น ซึ่งเหมาะสำหรับสร้างบรรยากาศแสงนวลๆ ที่ผู้คนมักต้องการ สิ่งที่เลนส์เหล่านี้ทำก็คือกำหนดมุมลำแสงก่อนที่แสงจะกระทบพื้นผิวกระจกคราเคล หากไม่มีขั้นตอนนี้ ลวดลายพื้นผิวของกระจกจะก่อให้เกิดเงาแปลกๆ มากมาย ดังนั้นการควบคุมตั้งแต่ต้นทางจึงทำให้รูปแบบการส่องสว่างสามารถคาดเดาได้ และไม่กระจัดกระจาย

อิทธิพลของการออกแบบเลนส์ต่อความสม่ำเสมอและการกระจายของแสง

การทดสอบภาคสนามในปี 2021 ที่ศึกษาติดตั้งกระจกคราเคลจำนวนประมาณ 200 จุด แสดงให้เห็นว่าการออกแบบเลนส์แบบอสมมาตรสามารถเพิ่มความสม่ำเสมอของแสงบนเส้นทางเดินได้ประมาณ 32% เมื่อเทียบกับออพติกส์แบบกลมธรรมดา เลนส์ TIR หรือ Total Internal Reflection (การสะท้อนภายในทั้งหมด) ช่วยลดแสงรบกวนได้อย่างยอดเยี่ยม โดยลดลงเกือบ 55% ซึ่งเป็นผลมาจากการออกแบบเกราะด้านข้างที่ชาญฉลาด ส่งผลให้ค่าการประเมิน BUG ดูดีขึ้นอย่างมาก สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่าคือ รูปร่างใหม่เหล่านี้สามารถรักษาระดับการส่องสว่างให้คงที่ได้แม้เมื่อกระจกคราเคลเริ่มกระจายแสงไปทุกทิศทาง ไม่มีปัญหาจุดมืดที่ไม่สวยงามเกิดขึ้นอีกต่อไป หรือปัญหาแสงทับซ้อนกันอย่างเกะกะกับโคมไฟข้างเคียง

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวกระจกคราเคลกับประสิทธิภาพเชิงออพติกของเลนส์

เมื่อกระจกคราบเซรามิก (crackle glass) ทำปฏิกิริยากับแสง จะมีสองสิ่งเกิดขึ้นโดยพื้นฐาน สิ่งแรกคือการกระจายแสงที่ผิวเลนส์ โดยมีแสงประมาณ 15% ถูกกระเจิงออกไป จากนั้นจะเป็นขั้นตอนที่สอง ซึ่งแสงจะหักเหอีกครั้งขณะเคลื่อนผ่านรอยแตกเล็กๆ จำนวนมากภายในกระจก ข่าวดีก็คือ เลนส์ไฮบริด PMMA ที่มีชั้นเคลือบไมโครปริซึมพิเศษสามารถสะท้อนกลับแสงส่วนใหญ่ที่สูญเสียไปได้ ทำให้เราได้รับความเข้มของแสงกลับมาประมาณ 92% ของแสงต้นทาง สำหรับการใช้งานที่ต้องการพื้นผิวมากกว่า ผู้ผลิตมักเลือกใช้เลนส์ฝ้า ซึ่งให้สมดุลที่ดีระหว่างความสวยงามและการส่งผ่านแสงอย่างเพียงพอ นักออกแบบมักจับตาดูตัวเลขลูเมนต่อวัตต์อยู่เสมอในขณะออกแบบระบบออปติก พวกเขาจำเป็นต้องแน่ใจว่าผลิตภัณฑ์มีหน้าตาที่ดี แต่ยังคงให้ระดับการส่องสว่างที่เหมาะสม แม้ว่าแสงบางส่วนจะสูญเสียไปในตัววัสดุเองก็ตาม

ประเภทเลนส์ทั่วไปและคุณลักษณะออปติกในระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

ภาพรวมของเลนส์นูน เลนส์เว้า เลนส์เฟรสเนล และเลนส์ TIR ในการประยุกต์ใช้ด้านพลังงานแสงอาทิตย์

เมื่อพูดถึงการออกแบบการให้แสงสว่าง เลนส์นูนจะสร้างลำแสงที่แคบและเข้มข้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเน้นพื้นที่เฉพาะ เช่น ทางเดินหรือจุดทางเข้า ในทางกลับกัน เลนส์เว้าทำงานได้ดีมากเมื่อเราต้องการกระจายแสงไปทั่วพื้นที่เพื่อการให้แสงสว่างโดยทั่วไป จากนั้นมีเลนส์เฟรสเนลที่น่าสนใจ ซึ่งสามารถกระจายแสงไปในพื้นที่กว้างได้แม้มีความบาง เนื่องจากมีร่องแบบวงกลมเข้มข้นบนผิวของมัน เลนส์เหล่านี้กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในโคมไฟพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็ก เพราะสามารถติดตั้งได้ดีในพื้นที่จำกัด และอย่าลืมเลนส์ TIR ด้วย เลนส์ประเภทนี้สามารถมีประสิทธิภาพสูงถึง 95% โดยการดักจับรังสีแสงที่หลุดออกไปและส่งไปยังตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำ ประสิทธิภาพระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสลัว ซึ่งการสูญเสียแสงเพียงเล็กน้อยก็ถือว่าไม่สามารถยอมรับได้

การจับคู่รูปทรงเรขาคณิตของเลนส์ LED กับความต้องการด้านการให้แสงสว่างตามหน้าที่

เลนส์เฟรสเนลให้การกระจายลำแสง 120º ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่องสว่างเส้นทาง ในขณะที่เลนส์ TIR ให้การควบคุมที่แม่นยำกว่า จึงเหมาะสมกับการติดตั้งเพื่อความปลอดภัยหรืองานเฉพาะด้านมากกว่า สำหรับโคมไฟกระจกคราบแตกร้าว เลนส์นูนจะรวมแสงได้ถึง 70% ของลูเมนภายในกรวยมุม 15º ช่วยลดการกระจายแสงที่เกิดจากพื้นผิวหยาบและรักษาความชัดเจนของทิศทางแสง

กลไกการรวมแสงในรูปแบบเลนส์ต่างๆ

เปรียบเทียบเลนส์แก้ว PC และ PMMA ด้านความทนทานและความชัดเจนสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง

โพลี(เมทิล เมทาคริเลต) หรือที่รู้จักกันในชื่อ PMMA สามารถรักษาการส่งผ่านแสงได้ประมาณ 92% แม้จะถูกวางไว้ใต้รังสี UV เป็นเวลานานถึงห้าปีเต็ม ซึ่งดีกว่าพอลิคาร์บอเนตมาก เพราะพอลิคาร์บอเนตมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองตามกาลเวลา กระจกเทมเปอร์สามารถทนต่อการเกิดฝ้าได้ดีเมื่อความชื้นสูง แต่ก็มาพร้อมกับราคาที่สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัด วัสดุดังกล่าวมีน้ำหนักมากกว่าทางเลือกอื่นๆ ประมาณ 40% ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตจำเป็นต้องพิจารณาเมื่อออกแบบติดตั้งกระจกคราเคลที่ยึดติดกับผนัง อย่างไรก็ตาม กระจกโดยรวมแล้วมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าไม่ต้องสงสัย แต่ PMMA ให้ทางเลือกที่เบากว่าสำหรับนักออกแบบ ขณะที่ยังคงคุณสมบัติด้านความชัดเจนส่วนใหญ่ที่เราคาดหวังจากวัสดุกระจกดั้งเดิม

คุณสมบัติของวัสดุและออปติคัลที่มีผลต่อการส่งผ่านแสง

พลวัตของการหักเหและการสะท้อนในวัสดุเลนส์

กระจกบอโรซิลิเกตสามารถหักเหแสงได้ประมาณ 93% ของแสงที่ส่องผ่าน มีผลทำให้ลำแสงรวมตัวกันแน่นและคมชัด ส่งผลให้วัสดุชนิดนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแสดงลวดลายรอยแตกที่สวยงามในชิ้นงานแก้วตกแต่ง อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาวัสดุอื่นๆ เช่น โพลีคาร์บอเนต (PC) หรือ PMMA แล้ว คุณสมบัตินี้จะเปลี่ยนไป เนื่องจากวัสดุทางเลือกเหล่านี้ไม่สามารถหักเหแสงได้ดีเท่า ทำให้มีแสงสะท้อนกลับเข้าด้านในเพิ่มขึ้นประมาณ 5 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ แทนที่จะส่องผ่านออกไป นอกจากนี้ แสงยังมีแนวโน้มกระจายตัวมากขึ้น ก่อนจะไปถึงพื้นผิวที่มีพื้นผิวพิเศษน่าสนใจ อย่างไรก็ตาม ยังมีทางออก เพราะการเคลือบผิวต้านการสะท้อนสามารถช่วยกู้คืนปริมาณแสงที่สูญเสียไปได้ประมาณ 12% ซึ่งการฟื้นคืนแสงเล็กน้อยนี้ สำหรับระบบไฟส่องสว่างหลายประเภท ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในระยะยาว

ประสิทธิภาพภายใต้สภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง

โพลีคาร์บอเนตเริ่มอ่อนตัวเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 135 องศาเซลเซียส ซึ่งอาจทำให้วัสดุเสียรูปและเปลี่ยนแปลงการกระจายของลำแสงไฟ ขณะที่กระจกยังคงสภาพแข็งตัวได้ดีแม้ที่อุณหภูมิสูงมาก โดยสามารถคงความมั่นคงได้ถึงประมาณ 500°C เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง วัสดุ PMMA มีแนวโน้มที่จะเปราะมากขึ้น ความเปราะนี้ทำให้เกิดรอยแตกร้าวเล็กๆ ภายในวัสดุ และจากงานศึกษาล่าสุดในปี 2023 จาก Outdoor Lighting Analysis พบว่ารอยแตกร้าวดังกล่าวลดความสม่ำเสมอของแสงลงประมาณ 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ พิจารณาเรื่องความต้านทานรังสี UV แล้ว โพลีคาร์บอเนตธรรมดาที่ไม่มีชั้นเคลือบป้องกันจะสูญเสียความสามารถในการส่งผ่านแสงไปประมาณ 15% ต่อปีเมื่อสัมผัสกับแสงแดด แต่วัสดุที่ผลิตจาก PMMA ทนต่อรังสี UV จะแตกต่างออกไป เพราะสามารถรักษาความใสไว้ได้ประมาณ 92% แม้จะถูกแผดเผาภายใต้แสงแดดต่อเนื่องเป็นเวลาสามพันชั่วโมง

ผลกระทบของวัสดุต่อประสิทธิภาพการกระจายแสงและความสว่าง

กระจกคงความสามารถในการส่งผ่านทิศทางได้ 92% เป็นเวลาสิบปี ซึ่งดีกว่าทางเลือกที่ทำจากพอลิเมอร์ สำหรับประสิทธิภาพที่คุ้มค่าแต่ยังคงความน่าเชื่อถือ พลาสติก PMMA ให้ความใสใกล้เคียงกับกระจกและมีน้ำหนักเบากว่า 30% ทำให้เหมาะสมกับการติดตั้งในอาคารทั้งเพื่อการอยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่

ประสิทธิภาพจริง: กรณีศึกษาการใช้งานเลนส์

การเปรียบเทียบในสนามระหว่างเลนส์ PMMA กับเลนส์แก้วในการให้แสงทางเดินพลังงานแสงอาทิตย์

การศึกษาในสนามปี 2023 พบว่า PMMA ส่งผ่านแสงได้ 88% เมื่อเทียบกับ 92% ของกระจก แต่มีอัตราการแตกหักน้อยกว่า 40% ภายใต้วัฏจักรการแช่แข็งและการละลาย ค่าความสว่างของ PMMA ยังคงอยู่ในช่วง ±5% เป็นเวลา 18 เดือน ขณะที่กระจกแสดงแนวโน้มประสิทธิภาพลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปในพื้นที่ที่มีฝุ่นอนุภาคในอากาศสูง เนื่องจากการขีดข่วนผิว

การเพิ่มความสม่ำเสมอโดยใช้เลนส์ TIR ในตัวติดตั้งกระจกคราเคลแบบติดตั้งในสวน

เลนส์ TIR ปรับปรุงความสม่ำเสมอของการส่องสว่างได้ถึง 33% โดยมีค่าความสม่ำเสมออยู่ที่ 0.82 เมื่อเทียบกับ 0.62 ของเลนส์นูนมาตรฐาน พื้นผิวโครงสร้างของเลนส์ช่วยชดเชยการกระเจิงที่เกิดจากพื้นผิวแตกร้าว ทำให้รูปแบบลำแสงทับซ้อนกันและกำจัดโซนมืดระหว่างตัวโคมไฟ

ความทนทานระยะยาวของเลนส์โพลีคาร์บอเนตภายใต้การสัมผัสรังสี UV สูง

เลนส์โพลีคาร์บอเนตยังคงการส่งผ่านแสงไว้ได้ 97% หลังจากการทดสอบเร่งรังสี UV เป็นเวลา 3,000 ชั่วโมง (ASTM G154) ซึ่งสูงกว่า PMMA ถึง 19 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม การสัมผัสเป็นเวลานานในสภาพความชื้น 85% ก่อให้เกิดการขุ่นมัวในโครงสร้างรังผึ้ง บ่งชี้ถึงการเสื่อมสภาพของชั้นเคลือบและการแตกร้าวขนาดเล็กที่อาจเกิดขึ้น

ผลการศึกษานี้ชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการสมดุลระหว่างความแม่นยำทางออปติกกับความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม นักออกแบบที่ต้องการการกระจายแสงเพื่อความงามมักเลือกใช้กระจกแตกร้าวร่วมกับออปติกแบบ TIR ในขณะที่หน่วยงานท้องถิ่นให้ความสำคัญกับ PMMA สำหรับพื้นที่ที่มีผู้คนพลุกพล่านและต้องการความต้านทานต่อแรงกระแทก

กลยุทธ์การออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกเลนส์สำหรับตัวโคมไฟกระจกแตกร้าว

การปรับแต่งการกระจายแสงสำหรับการใช้งานไฟส่องทางและไฟส่องตัด

เมื่อพูดถึงการให้แสงสว่างสำหรับทางเดิน โดยทั่วไปเราจำเป็นต้องใช้มุมลำแสงที่กว้างในช่วง 120 ถึง 150 องศา เพื่อให้มั่นใจว่าทางเดินจะได้รับการส่องสว่างอย่างเพียงพอและปลอดภัยสำหรับผู้คนที่สัญจรในเวลากลางคืน แต่ในทางกลับกัน เมื่อต้องการเน้นจุดเด่นขององค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมบางอย่าง เช่น เสาหรือประติมากรรม มุมลำแสงที่แคบลงในช่วง 25 ถึง 40 องศาจะทำงานได้ดีกว่ามากในการสร้างเอฟเฟกต์สปอตไลท์ที่ดูโดดเด่น อย่างไรก็ตาม กระจกครากรี (crackle glass) มีคุณสมบัติพิเศษที่สามารถกระจายแสงออกไปโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมไฟส่องทางส่วนใหญ่จึงใช้เลนส์นูนที่มีมุมกว้าง เลนส์เหล่านี้ช่วยชดเชยการสูญเสียแสงที่อาจเกิดขึ้นจากพื้นผิวกระจกที่มีลวดลาย แต่สำหรับการใช้งานไฟส่องตัดนั้น เลนส์สะท้อนภายในทั้งหมด (Total Internal Reflection หรือ TIR) จะมีประโยชน์อย่างมาก เพราะเลนส์เหล่านี้ช่วยโฟกัสแสงลงไปในแนวตั้ง แต่ยังคงรักษารูปแบบแสงที่แตกกระจายอย่างสวยงามบนพื้นผิวต่าง ๆ ทำให้การติดตั้งเหล่านี้ดูโดดเด่นและน่าประทับใจ

การถ่วงดุลการกระจายแสงเชิงสุนทรียะจากกระจกคราบเคลือบแตกร้าวพร้อมควบคุมลำแสงอย่างแม่นยำ

การออกแบบเลนส์แบบไฮบริดช่วยจัดการสมดุลที่ท้าทายระหว่างเอฟเฟกต์การให้แสงแบบศิลปะกับตัวชี้วัดประสิทธิภาพจริง ชั้นด้านนอกมีลวดลายแบบเฟรสเนล (Fresnel) ซึ่งทำหน้าที่นำพาแสงประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ลงมาในแนวตั้งตรง ไปยังตำแหน่งที่ต้องการมากที่สุด ภายในมีโครงสร้างปริซึมขนาดเล็กทำงานร่วมกับพื้นผิวที่มีพื้นผิวหยาบเพื่อสร้างประกายแวววาวสวยงามที่เรารัก แต่ยังคงรักษาระดับความสว่างโดยรวมไว้ได้ค่อนข้างสูง สิ่งที่ทำให้โซลูชันนี้โดดเด่นคือความสามารถในการจัดการปัญหาแกลร์ได้ดีกว่าแผ่นกระจายแสงทั่วไปอย่างชัดเจน—ดีขึ้นประมาณ 40% ตามผลการทดสอบ นอกจากนี้ สีสันยังแสดงผลได้อย่างยอดเยี่ยม เนื่องดัชนีการเรืองสี (Color Rendering Index) ยังคงอยู่เหนือระดับ 90 ซึ่งหมายความว่าวัตถุจะปรากฏใกล้เคียงกับสีจริงภายใต้ระบบไฟส่องนี้

ปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานด้วยการลดการรั่วไหลของแสงผ่านการกำหนดทิศทางอย่างแม่นยำ

เลนส์แบบไม่สมมาตรช่วยลดการสูญเสียแสงได้ 55% ในโคมไฟกระจกคราบแตกร้าว โดยการควบคุมทิศทางของโฟตอนไปยังตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำ ผิวหน้าเลนส์โพลีคาร์บอเนตที่ออกแบบเป็นมุมเอียงช่วยลดการกระจายแสงในแนวราบลง 78% ในพื้นที่สวน ส่งผลให้เพิ่มปริมาณลูเมนที่ใช้ได้จริงบนทางเดิน และยืดระยะเวลาการใช้งานต่อคืนเพิ่มขึ้น 1.2 ชั่วโมงในรุ่นพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้ง LED ขนาด 6 วัตต์

เลนส์ใส หรือ เลนส์กระจายแสง: แก้จุดแลกเปลี่ยนระหว่างความสวยงามกับการใช้งาน

เลนส์ PMMA ที่ใสสามารถส่งผ่านแสงจากไฟ LED เดิมได้ประมาณ 92% ผ่านกระจกคราเคล แม้ว่ามันจะแสดงข้อบกพร่องบนพื้นผิวได้อย่างชัดเจน รุ่นฝ้าจะทำให้ภาพโดยรวมดูนุ่มนวลขึ้นอย่างเห็นได้ชัด แต่ต้องแลกมากับการสูญเสียแสงสว่างประมาณ 30% สำหรับผู้ที่พิจารณาติดตั้งในเชิงพาณิชย์ ซึ่งทั้งรูปลักษณ์และความสามารถในการให้แสงสว่างมีความสำคัญ ใช้เลนส์แบบสองวัสดุจะให้ผลลัพธ์ที่ดีมาก เลนส์เหล่านี้มีส่วนกลางที่ใส เหมาะสำหรับการส่องสว่างแบบเน้นจุดทำงาน ในขณะที่ขอบด้านนอกจะกระจายแสงเพื่อสร้างเอฟเฟกต์แสงโดยรอบที่น่าพอใจ ปัจจุบันเลนส์ประเภทนี้กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในพื้นที่สำนักงานและร้านค้า ที่ซึ่งนักออกแบบต้องการสิ่งที่ดูดี โดยไม่ต้องเสียประสิทธิภาพการให้แสงที่ใช้งานได้จริง

คำถามที่พบบ่อย

ไฟพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจกคราเคลคืออะไร

ไฟพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจกคราเคล คือ ไฟที่ออกแบบมาพร้อมกับกระจกคราเคลเพื่อให้เกิดพื้นผิวที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กับแสงและสร้างลวดลายของแสงที่น่าสนใจ

เลนส์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่องสว่างในไฟพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจกแตกร้าวได้อย่างไร

เลนส์จะช่วยควบคุมทิศทางของแสงไปยังจุดที่ต้องการมากที่สุด ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการส่องสว่าง โดยลดการสูญเสียแสงและทำให้การกระจายแสงสม่ำเสมอมากขึ้น

โดยทั่วไปใช้เลนส์ประเภทใดในระบบไฟส่องสว่างพลังงานแสงอาทิตย์

ประเภททั่วไป ได้แก่ เลนส์นูน เลนส์เว้า เลนส์เฟรสเนล และเลนส์ทีไออาร์ แต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะที่เหมาะสมกับการใช้งานด้านการส่องสว่างที่แตกต่างกัน

การเลือกวัสดุมีผลต่อประสิทธิภาพของไฟพลังงานแสงอาทิตย์อย่างไร

วัสดุมีผลต่อการถ่ายโอนแสงและความทนทาน กระจก PMMA และพอลิคาร์บอเนต ต่างมีระดับความใสและความแข็งแรงทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน