南洋理工大学研制了这样一款日光采集设备,有利于新加坡“地下城”发展规划,进一步扩大生存空间。
南大特制太阳能装置
南洋理工大学研究出一款特别的太阳能运用装置,能够满足地下空间照明需求。
为了开发一种能够持续满足这一需求的日光采集设备,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的首席研究员Charu Goel博士从放大镜中获得了灵感,放大镜可以用来将阳光聚焦到一个点上。他们使用了现有的丙烯酸球、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电机。
研究人员设计的原型机重10公斤,总高度50厘米。为了保护丙烯酸球不受环境条件(紫外线、灰尘等)的影响,研究人员还用聚碳酸酯制作了一个3毫米厚的透明圆顶罩。
该设备位于地面上方,就像放大镜的透镜一样,丙烯酸球充当太阳能聚光器,使平行的阳光在其相对侧形成清晰的焦点。聚焦的阳光然后被收集到光纤电缆的一端,并沿着它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。
与此同时,小型电机在计算机芯片的辅助下,自动调整纤维收集端的位置,以优化太阳在天空移动时可以接收和传输的阳光量。
新设备优点
该装置克服了当前太阳能采集技术的几个限制。在传统的太阳能聚光器中,大型曲面镜由重型电机驱动,以使镜盘对准太阳,这些系统中的组件也暴露在潮湿等环境因素下,增加了维护需求。
南洋理工大学的这款设备采用了亚克力球的圆形设计,删去了与太阳对齐的重型电机系统,减小了其体积。
Charu Goel博士是这项研究的第一作者,他表示:“我们低成本设备的发光功效证明,它非常适合低水平的照明应用,如停车场、电梯和地下走道。它也很容易扩展,由于球透镜的光捕获能力与其尺寸成正比,可以通过用更大或更小的球来替换它,从而将该设备定制为所需的输出光功率。”
Yoo Seongwoo教授表示:“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。”
除了体积轻巧、功能全面之外,这一设备还拥有远远优于市售LED灯泡的功率。该设备的发光效率为230流明/瓦,而市售LED灯泡通常仅有90流明/瓦。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。
设备使用场景
该设备非常适合作为传统的灯柱安装在地面上,可以方便地集成到城市环境中的现有基础架构中。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。
当太阳在一天的运行中,聚焦的阳光也会在丙烯酸球内的位置上移动。为了确保全天最大限度地收集阳光并通过光纤电缆传输,该系统使用了一种基于计算机芯片的机制来追踪阳光。
设备位置的全球定位系统(GPS)坐标会预加载到系统中,允许它评估给定的时间内能够最大限度聚焦阳光的地点。然后使用两个小马达自动调整纤维的位置,以一分钟为间隔从聚焦点捕捉和传输阳光。
为了保证设备的自动定位能力,一对测量亮度的传感器也被放置在光纤电缆的阳光收集端。当传感器检测到不一致时,小电机自动激活以调整电缆的位置,直到传感器上的值相同——这表明纤维正在尽可能多地吸收阳光。
在下雨或阴天,当没有足够的阳光收集和运输到地下时,安装在光纤电缆发射端附近的LED灯泡将自动发光。这就确保了该设备可以全天不间断地照亮地下空间。
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