南洋理工大学研究人员设计研发人工”光合作用“仪器

南洋理工大学的研究人员设计出一款可以收集阳光并传输到地下的“智能”仪器，从而减少了对传统能源照明的需求。

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新加坡政府正在寻求挖掘更深的地下空间的可能性，以便为基础设施、存储和公用事业创造新的空间。因此，日后对不间断地下照明的需求会显著增加。

为了可持续化地满足这一需求，研究人员从将阳光聚于一点的放大镜中获得了启发，设计出新的阳光采集设备。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）以及由计算机芯片辅助的马达。该装置位于地面上，就像放大镜的透镜一样，丙烯酸球充当太阳能聚光器，使平行的太阳光在它的另一侧形成尖锐的焦点。聚焦的阳光随后被收集到光纤电缆的一端，并沿着电缆传输到地下。然后光直接通过光纤电缆的末端发射出来。与此同时，在计算机芯片的协助下，小型马达会自动调整纤维收集端位置，以优化太阳在天空中移动时所能接收和传输的阳光量。

工作中的仪器，来源：NTU官网

这项发明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的首席研究员Charu Goel博士共同开发的，本月初发表在《Solar Energy》上。

Yoo Seongwoo教授（左）与Charu Goel博士（右） 来源：NTU官网

该装置突破了目前太阳能收集技术的一些限制。在传统的太阳能聚光器中，大型曲面镜由大功率电机驱动，使得镜面对准太阳。这些系统中的组件会暴露在湿气等环境因素下，提高对设备维护的要求。然而，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。

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。

收集装置设计图，来源：NTU官网

可安装在路灯上的轻巧设备

这项研究的主要作者，Yoo教授表示：“我们的创新包括将现有的材料投入商用，这使得大规模制造变得非常容易。由于城市人口密集造成的空间限制，我们有意地将日光收集系统设计得轻巧而紧凑，这将使我们的设备更方便地融入城市环境中的现有基础设施中。”

南洋理工大学的研究小组认为，这种装置非常适合作为传统的灯柱安装在地面上。这将使这项创新在两方面得到应用：一是白天收集阳光照亮地下空间，二是晚上用储存下的电力点亮地面的路灯。

安装在路灯上的设备，来源：NTU官网

这项研究是南大智慧校园愿景的一个例子，该计划旨在为可持续发展的未来开发先进的技术解决方案。

“智能”定位，最大限度收集阳光

组成部分，来源：NTU官网

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。

设备调整角度以便高效收集阳光，来源：NTU官网

比LED性能更好

研究人员在漆黑的储藏室里（模拟地下环境）进行了实验，发现该设备的光效（衡量光源）在1瓦电能下产生可见光的能力——达到了230流明/瓦。

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这远远超过了市面上可买到的LED灯泡的记录，后者的典型输出为90流明/瓦。NTU智能设备的光输出质量也可与目前市面上价格昂贵得多的日光收集系统相媲美。

Charu博士是这项研究的第一作者，他表示：“我们的低成本设备的光效证明它非常适合应用于低亮度照明，如停车场、电梯和地下人行道。它也很易于扩展，由于球透镜的光捕捉能力与它的大小成比例，我们可以通过用更大或更小的球代替现有设计来定制设备，以获得所需的输出光功率。”

仪器外观，来源：NTU官网

Technolite是新加坡一家专注于照明设计的机构，其常务董事Michael Chia也是本次研究的行业合作者，他说:“我们很荣幸能够与南洋理工大学一起踏上这一创新之旅。我们拥有商业和应用方面的知识，南洋理工大学从技术角度出发的深入知识使项目的执行达到了一个超出我们预期的水平。”

展望未来，这家照明公司正在探索可能将智能设备或其相关概念纳入其工业项目的方法，以提高效率和可持续性。