新加坡南洋理工大学开发”智能”光球和光纤来收集日光用于地下照明

新加坡南洋理工大学（NTU新加坡）的一个研究人员设计了一种”智能”设备来收集日光并将其中继到地下空间，从而减少了利用传统能源进行照明的需求。

收集日光的”智能”设备背后的研究人员是电气与电子工程学院的助理教授Yoo Seongwoo（左）和光子学研究所首席研究员Charu Goel博士（右）图片来源：NTU新加坡

在新加坡，当局正在研究挖掘更深的地下空间以为基础设施，存储和公用事业创造新空间的可行性。因此，预计未来对全天候地下照明的需求将会增加。

设计灵感源于放大镜

为了开发一种可以持续满足这一需求的日光收集设备，NTU团队从放大镜中汲取了灵感，该放大镜可用于将太阳光聚焦到一个点上。

他们使用了现成的丙烯酸球，单根塑料光纤（一种将光束从一端传送到另一端的电缆）以及计算机芯片辅助的电动机。

该设备位于地面上方，就像放大镜透镜一样，丙烯酸球可充当太阳能集中器，使平行的阳光在其相对侧形成清晰的焦点。然后，聚焦的阳光被收集到光缆的一端，并沿着光缆传输到部署在地下的一端。然后，光直接通过光缆的末端发出。

同时，在计算机芯片的辅助下，小型电动机会自动调整光纤收集端的位置，以优化随着太阳在天空中移动而可以接收和传输的阳光量。

该创新是由电气与电子工程学院的助理教授Yoo Seongwoo和南大光子学研究所首席研究员Charu Goel博士开发的，该创新技术已于本月初在同行评审的科学期刊《太阳能》上进行了报道。

该设备克服了当前太阳能收集技术的一些限制。在常规的太阳能集中器中，大型弯曲的镜子通过重型电机移动，以使镜子碟与太阳对准。这些系统中的组件还暴露于诸如湿气之类的环境因素中，从而增加了维护要求。

设备的丙烯酸球（右）充当太阳能集中器，使阳光能够形成清晰的焦点。然后，聚焦的阳光被收集到光缆的一端（左），并直接通过另一端发出。

但是，NTU设备被设计为使用丙烯酸球的圆形形状，避免了重型电机系统与太阳对准，并使其紧凑。

研究人员设计的原型重10公斤，总高度为50厘米。为了保护丙烯酸球免受环境条件（紫外线，灰尘等）的影响，研究人员还使用聚碳酸酯建造了3毫米厚的透明圆顶形覆盖物。

设备紧凑，可以安装为灯柱

该研究的主要作者Yoo助理教授说：”我们的创新包括可商购的现成材料，因此很可能易于大规模制造。由于人口稠密的城市空间有限，我们特意设计了日光收集系统轻巧紧凑。这将使我们的设备可以方便地集成到城市环境中的现有基础架构中。”

NTU团队认为，该设备非常适合作为传统的灯柱安装在地面上。这将使该创新可以以两种方式使用：一种用于在白天收集阳光以照亮地下空间的设备，以及一种在夜间使用电力照亮地面的路灯。

NTU科学家的研究是NTU的”智能校园”愿景的一个示例，该愿景旨在为可持续的未来开发技术先进的解决方案。

“智能”自动定位功能可收集最大的阳光

随着太阳全天在天空中移动，丙烯酸球内部聚焦的太阳光的位置也会随之变化。为了确保全天收集并沿着光缆传输最多的阳光，该系统使用基于计算机芯片的机制来跟踪太阳光线。

由于新加坡南大的科学家们已经建造了一个”智能”设备来收集日光以照亮地下空间，因此现在可以将日光带入地下。像放大镜一样，这种形状像水晶球的装置将太阳光聚焦到一个点，在该点将其收集在光缆的一端，然后传输到另一端，该另一端部署在地下并发射光。这减少了利用传统能源进行照明的需求。

设备位置的全球定位系统（GPS）坐标已预先加载到系统中，从而可以确定在任何给定时间应将最大阳光聚焦的位置。然后使用两个小型电机自动调节光纤的位置，以每隔一分钟的时间捕获并传输来自聚焦点的阳光。

为了保证设备的自动定位能力，用于测量光亮度的成对传感器也放置在光纤电缆的日光收集端周围。每当传感器检测到光线测量结果不一致时，小型电动机就会自动启动以调整电缆的位置，直到传感器上的值相同为止。这表明光纤正在吸收尽可能多的阳光。

在雨天或阴暗的天空中，当阳光不足以收集和运输到地下时，紧靠光缆发射端安装的由电力驱动的LED灯泡将自动点亮。这确保了该设备可以全天照亮地下空间而不会受到干扰。

性能优于LED灯泡

在一个漆黑的储藏室（模拟地下环境）中进行的实验中，NTU研究人员发现该设备的发光效率-衡量使用1瓦电的光源产生可见光的效果如何-达到230流明/瓦。

这远远超过了市售LED灯泡所记录的功率，后者通常具有90流明/瓦的输出功率。NTU智能设备的光输出质量也可以与目前市售的日光收集系统相媲美，后者成本更高。

该研究的第一作者Charu博士说：”我们的低成本设备的发光功效证明，它非常适合于低密度照明应用，例如停车场，电梯和密集人群中的地下人行道由于球透镜的光捕获能力与它的尺寸成正比，因此我们可以通过用更大或更小的球代替它来定制该设备，使其具有所需的输出光功率。”

Technolite是一家总部位于新加坡的专门从事照明的设计机构，该研究的行业合作伙伴Technolite的常务董事Michael Chia表示：”与NTU一起进行这一创新之旅是我们的荣幸和荣幸。在应用知识方面，NTU从技术角度上的深入专业知识使该项目的执行达到了我们无法预期的下一个水平。”

展望未来，照明公司正在探索将智能设备或其相关概念潜在地整合到其工业项目中的方法，以提高效率和可持续性。

来源：新加坡南洋理工大学