新加坡南洋理工大學開發”智能”光球和光纖來收集日光用于地下照明
新加坡南洋理工大學（NTU新加坡）的一個研究人員設計了一種”智能”設備來收集日光並將其中繼到地下空間，從而減少了利用傳統能源進行照明的需求。
收集日光的”智能”設備背後的研究人員是電氣與電子工程學院的助理教授Yoo Seongwoo（左）和光子學研究所首席研究員Charu Goel博士（右）圖片來源：NTU新加坡
在新加坡，當局正在研究挖掘更深的地下空間以爲基礎設施，存儲和公用事業創造新空間的可行性。因此，預計未來對全天候地下照明的需求將會增加。
設計靈感源于放大鏡
爲了開發一種可以持續滿足這一需求的日光收集設備，NTU團隊從放大鏡中汲取了靈感，該放大鏡可用于將太陽光聚焦到一個點上。
他們使用了現成的丙烯酸球，單根塑料光纖（一種將光束從一端傳送到另一端的電纜）以及計算機芯片輔助的電動機。
該設備位于地面上方，就像放大鏡透鏡一樣，丙烯酸球可充當太陽能集中器，使平行的陽光在其相對側形成清晰的焦點。然後，聚焦的陽光被收集到光纜的一端，並沿著光纜傳輸到部署在地下的一端。然後，光直接通過光纜的末端發出。
同時，在計算機芯片的輔助下，小型電動機會自動調整光纖收集端的位置，以優化隨著太陽在天空中移動而可以接收和傳輸的陽光量。
該創新是由電氣與電子工程學院的助理教授Yoo Seongwoo和南大光子學研究所首席研究員Charu Goel博士開發的，該創新技術已于本月初在同行評審的科學期刊《太陽能》上進行了報道。
該設備克服了當前太陽能收集技術的一些限制。在常規的太陽能集中器中，大型彎曲的鏡子通過重型電機移動，以使鏡子碟與太陽對准。這些系統中的組件還暴露于諸如濕氣之類的環境因素中，從而增加了維護要求。
設備的丙烯酸球（右）充當太陽能集中器，使陽光能夠形成清晰的焦點。然後，聚焦的陽光被收集到光纜的一端（左），並直接通過另一端發出。
但是，NTU設備被設計爲使用丙烯酸球的圓形形狀，避免了重型電機系統與太陽對准，並使其緊湊。
研究人員設計的原型重10公斤，總高度爲50厘米。爲了保護丙烯酸球免受環境條件（紫外線，灰塵等）的影響，研究人員還使用聚碳酸酯建造了3毫米厚的透明圓頂形覆蓋物。
設備緊湊，可以安裝爲燈柱
該研究的主要作者Yoo助理教授說：”我們的創新包括可商購的現成材料，因此很可能易于大規模制造。由于人口稠密的城市空間有限，我們特意設計了日光收集系統輕巧緊湊。這將使我們的設備可以方便地集成到城市環境中的現有基礎架構中。”
NTU團隊認爲，該設備非常適合作爲傳統的燈柱安裝在地面上。這將使該創新可以以兩種方式使用：一種用于在白天收集陽光以照亮地下空間的設備，以及一種在夜間使用電力照亮地面的路燈。
NTU科學家的研究是NTU的”智能校園”願景的一個示例，該願景旨在爲可持續的未來開發技術先進的解決方案。
“智能”自動定位功能可收集最大的陽光
隨著太陽全天在天空中移動，丙烯酸球內部聚焦的太陽光的位置也會隨之變化。爲了確保全天收集並沿著光纜傳輸最多的陽光，該系統使用基于計算機芯片的機制來跟蹤太陽光線。
由于新加坡南大的科學家們已經建造了一個”智能”設備來收集日光以照亮地下空間，因此現在可以將日光帶入地下。像放大鏡一樣，這種形狀像水晶球的裝置將太陽光聚焦到一個點，在該點將其收集在光纜的一端，然後傳輸到另一端，該另一端部署在地下並發射光。這減少了利用傳統能源進行照明的需求。
設備位置的全球定位系統（GPS）坐標已預先加載到系統中，從而可以確定在任何給定時間應將最大陽光聚焦的位置。然後使用兩個小型電機自動調節光纖的位置，以每隔一分鍾的時間捕獲並傳輸來自聚焦點的陽光。
爲了保證設備的自動定位能力，用于測量光亮度的成對傳感器也放置在光纖電纜的日光收集端周圍。每當傳感器檢測到光線測量結果不一致時，小型電動機就會自動啓動以調整電纜的位置，直到傳感器上的值相同爲止。這表明光纖正在吸收盡可能多的陽光。
在雨天或陰暗的天空中，當陽光不足以收集和運輸到地下時，緊靠光纜發射端安裝的由電力驅動的LED燈泡將自動點亮。這確保了該設備可以全天照亮地下空間而不會受到幹擾。
性能優于LED燈泡
在一個漆黑的儲藏室（模擬地下環境）中進行的實驗中，NTU研究人員發現該設備的發光效率-衡量使用1瓦電的光源産生可見光的效果如何-達到230流明/瓦。
這遠遠超過了市售LED燈泡所記錄的功率，後者通常具有90流明/瓦的輸出功率。NTU智能設備的光輸出質量也可以與目前市售的日光收集系統相媲美，後者成本更高。
該研究的第一作者Charu博士說：”我們的低成本設備的發光功效證明，它非常適合于低密度照明應用，例如停車場，電梯和密集人群中的地下人行道由于球透鏡的光捕獲能力與它的尺寸成正比，因此我們可以通過用更大或更小的球代替它來定制該設備，使其具有所需的輸出光功率。”
Technolite是一家總部位于新加坡的專門從事照明的設計機構，該研究的行業合作夥伴Technolite的常務董事Michael Chia表示：”與NTU一起進行這一創新之旅是我們的榮幸和榮幸。在應用知識方面，NTU從技術角度上的深入專業知識使該項目的執行達到了我們無法預期的下一個水平。”
展望未來，照明公司正在探索將智能設備或其相關概念潛在地整合到其工業項目中的方法，以提高效率和可持續性。
來源：新加坡南洋理工大學