Команда исследователей Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработала «умное» устройство для сбора дневного света и передачи его в подземные пространства, что снижает потребность в использовании традиционных источников энергии для освещения.
Власти Сингапура рассматривают возможность копать глубже под землей, чтобы создать новое пространство для инфраструктуры, складских помещений и коммунальных услуг. Поэтому ожидается, что в будущем спрос на круглосуточное подземное освещение будет расти.
Чтобы разработать устройство для сбора дневного света, которое может устойчиво удовлетворить эту потребность, команда NTU черпала вдохновение в увеличительном стекле, которое можно использовать для фокусировки солнечного света в одной точке.
Они использовали готовый акриловый шар, одиночное пластиковое оптическое волокно - тип кабеля, который передает луч света от одного конца к другому - и моторы с компьютерным чипом.
Устройство находится над землей, и, как линза увеличительного стекла, акриловый шар действует как солнечный концентратор, позволяя параллельным лучам солнечного света формировать резкий фокус на противоположной стороне. Затем сфокусированный солнечный свет собирается на одном конце оптоволоконного кабеля и транспортируется по нему к тому концу, который проложен под землей. Затем свет излучается напрямую через конец оптоволоконного кабеля.
В то же время небольшие двигатели с помощью компьютерных чипов автоматически регулируют положение собирающего конца волокна, чтобы оптимизировать количество солнечного света, которое может быть получено и транспортировано, когда солнце движется по небу.
Разработанная доцентом Ю Сонву из Школы электротехники и электроники и доктором Чару Гоэлом, главным научным сотрудником Института фотоники НТУ, инновация была опубликована в рецензируемом научном журнале Solar Energy в начале этого месяца.
Устройство преодолевает некоторые ограничения современной технологии сбора солнечной энергии. В обычных солнечных концентраторах большие изогнутые зеркала приводятся в движение мощными двигателями, чтобы выровнять зеркальную тарелку по солнцу. Компоненты этих систем также подвергаются воздействию таких факторов окружающей среды, как влажность, что увеличивает требования к техническому обслуживанию.
Устройство NTU, однако, предназначено для использования круглой формы акрилового шара, избавляя систему от мощных двигателей для выравнивания по солнцу и делая ее компактной.
Прототип, разработанный исследователями, весит 10 кг и имеет общую высоту 50 см. Чтобы защитить акриловый шар от воздействия окружающей среды (ультрафиолета, пыли и т. д.), исследователи также построили прозрачную куполообразную крышку толщиной 3 мм из поликарбоната.
Устройство достаточно компактное для установки в качестве фонарного столба
Ассистент профессор Ю, ведущий автор исследования, сказал: «Наша инновация включает в себя коммерчески доступные готовые материалы, что делает ее потенциально очень простой в масштабном производстве. Из-за нехватки места в густонаселенных городах у нас есть намеренно разработали систему сбора дневного света, чтобы она была легкой и компактной. Это сделало бы наше устройство удобным для интеграции в существующую инфраструктуру в городской среде."
Команда NTU считает, что устройство идеально подходит для установки в качестве обычного фонарного столба над землей. Это позволит использовать инновацию двумя способами: устройство, собирающее солнечный свет днем для освещения подземных пространств, и уличный фонарь для освещения над землей ночью с помощью электричества.
Исследование ученых NTU является примером концепции Smart Campus NTU, направленной на разработку технологически продвинутых решений для устойчивого будущего.
«Умное» автоматическое позиционирование для сбора максимального количества солнечного света
По мере того, как солнце движется по небу в течение дня, меняется и положение сфокусированного солнечного света внутри акрилового шара. Чтобы гарантировать, что максимальное количество солнечного света будет собираться и передаваться по оптоволоконному кабелю в течение дня, система использует механизм на основе компьютерного чипа для отслеживания солнечных лучей.
Координаты местоположения устройства Глобальной системы позиционирования (GPS) предварительно загружаются в систему, что позволяет ей определять место, где должен быть сфокусирован максимальный солнечный свет в любой момент времени. Затем используются два небольших двигателя для автоматической регулировки положения волокна, чтобы ловить и переносить солнечный свет из сфокусированного пятна с интервалом в одну минуту.
Чтобы гарантировать возможность автоматического позиционирования устройства, пары датчиков, которые измеряют яркость света, также размещаются вокруг конца оптоволоконного кабеля, собирающего солнечный свет. Всякий раз, когда датчики обнаруживают несоответствия в измерениях освещенности, автоматически активируются небольшие двигатели, чтобы отрегулировать положение кабеля до тех пор, пока значения на датчиках не станут одинаковыми. Это указывает на то, что волокно улавливает максимально возможное количество солнечного света.
Во время дождя или пасмурной погоды, когда солнечного света недостаточно для сбора и транспортировки под землей, светодиодная лампа, работающая от электричества, установленная рядом с излучающим концом оптоволоконного кабеля, автоматически загорается. Это гарантирует, что устройство может освещать подземные помещения в течение всего дня без перерыва.
Работает лучше, чем светодиодные лампы
В ходе экспериментов в кромешной темноте складского помещения (для имитации подземной среды) исследователи NTU обнаружили, что светоотдача устройства - мера того, насколько хорошо источник света излучает видимый свет, используя 1 ватт электроэнергии, - составляет при 230 люмен/Ватт.
Это намного превышает показатели коммерчески доступных светодиодных ламп, которые имеют типичную мощность 90 люмен/Ватт. Качество светоотдачи интеллектуального устройства NTU также сравнимо с существующими коммерчески доступными системами сбора дневного света, которые намного дороже.
Доктор Чару, который является первым автором исследования, сказал: «Световая отдача нашего недорогого устройства доказывает, что оно хорошо подходит для низкоуровневого освещения, такого как автостоянки, лифты и т. подземных переходов в густонаселенных городах. Его также легко масштабировать. Поскольку светоулавливающая способность шаровой линзы пропорциональна ее размеру, мы можем настроить устройство на желаемую выходную оптическую силу, заменив его шаром большего или меньшего размера."
Майкл Чиа, управляющий директор Technolite, сингапурского дизайнерского агентства, специализирующегося на освещении, и отраслевой сотрудник исследовательского исследования, сказал: «Для нас большая честь и привилегия отправиться в этот инновационный путь вместе с NTU. у нас есть коммерческие и прикладные знания, глубокие ноу-хау NTU с технической точки зрения вывели выполнение проекта на новый уровень, который превзошел все наши ожидания».
Двигаясь вперед, осветительная компания изучает способы возможного включения интеллектуального устройства или связанных с ним концепций в свои промышленные проекты для повышения эффективности и устойчивости.