仿生向日葵可提高聚光太阳能发电效率

仿生向日葵 可提高聚光太阳能发电效率塞维利亚（ Seville ）城外，属于西班牙安达卢西亚（ Andalucia ）沙漠地区，这里有一个绿洲般的奇观 一根 100 米高的塔柱， 周围环绕着好多排巨大的镜子， 向外一圈圈扩散开。这些镜子有 600 多面，每个镜面有半个网球场大小，全天跟踪太阳，把太阳光线聚集到中心塔柱上，这样，太阳的热量就转化为电能，足够供应 6000 户家庭用电。这一蔓延伸展的场地，取名为 PS10，属于世界上为数不多的聚光太阳能发电（ CSPconcentrated solar power ）厂，但是，这个数字有望增长。聚光太阳能发电的支持者说，这项技术可产生足够的清洁、 可再生能源， 可给整个美国供电， 只需两个因素得到充足供应，就是土地和阳光。现在， 麻省理工学院 （ MIT） 的研究人员携手德国亚琛工业大学 （ RWTH Aachen University ） ，已提出一种设计，可减少所需土地数量，建造聚光太阳能发电厂，同时增加反射镜收集的阳光量。研究人员发现，重新排列镜子或定日镜，采用一种模式，类似螺旋形，就像向日葵表面那样，他们可以使这种模式的 阴影 减少 20％，同时提高潜在的发电量。这种向日葵启发的模式，可以实现更紧凑的布局，最大限度地减少定日镜相邻镜面的遮光和挡光。研究人员发表了他们的成果，就在太阳能 （ Solar Energy ）杂志上，最近已经申请专利保护。遮住阴影世界上的 PS10和其他聚光太阳能发电厂，众多镜子安排在中央塔柱周围，形成同心圆。反射镜之间的间距就像电影院的座位那样错开，每隔一行对齐。然而，这种模式的结果，会产生更多的不必要阴影，整天都会减少镜面向塔柱反射的光线。麻省理工学院的研究小组寻求优化这一模式，提高电厂的整体效率。亚历山大 米特索斯（ Alexander Mitsos ）是罗克韦尔国际公司（ Rockwell International ）机械工程助理教授，他与科里 努恩 SM（ Corey Noone SM 11 ）及亚琛工业大学的曼努埃尔陶里宏（ Manuel Torrilhon ）合作，其中，米特索斯加入之前曾是麻省理工学院的研究员。米特索斯的实验室开发出一种计算模型，可评估定日镜布局的效率。这一模型把每个镜面分为独立的部分，计算每个部分在任何特定时刻反射的阳光量。然后，研究人员测试这一模型，是在现有的商用级聚光太阳能发电厂进行。努恩和米特索斯运算这些镜面的尺寸，这些镜子都来自 PS10电厂， 采用这一模型， 可确定工厂的整体效率。 这一小组发现， 聚光太阳能发电厂每一天都会有大量的阴影和阻光，尽管是交错对齐排列这些镜子。螺旋形排列为了提高电厂的理论效率，努恩和米特索斯重新调整定日镜的模式，利用数值优化，首先让扇状布局考得更紧。这种更紧凑的布局，根据模型计算，可减少土地和镜子用量，减幅达 10％，而不影响镜子反射光线的效率。由此产生的模式有一些螺旋形元素，类似自然界中的排列。因此，麻省理工学院的研究小组携手陶里宏，观摩大自然，寻找灵感，他们特别研究了向日葵。向日葵的花瓣就排列成螺旋形状，称为费尔马螺旋线（ Fermat spiral ） ，这种螺旋线出现在许多自然物体中，很久以来一直让数学家们着迷古希腊人甚至把这种模式用于大楼和其他建筑结构。数学家们发现，每个向日葵花瓣都偏向一个 黄金角度 ，约 137 度，就是与相邻花瓣的倾角。研究人员设计了一种螺旋形场地，其中的定日镜可反复调节，模仿向日葵，每个镜面与相邻镜面角度约 137 度。这种数值优化的布局占用空间比 PS10 电厂的布局少 20％。更重要的是， 这种螺旋形状可减少阴影和遮光， 提高整体效率， 胜过 PS10电厂径向交错对齐的排列。米特索斯说，聚光太阳能发电厂排列采用这样的螺旋形状，可以减少所需土地和定日镜数量， 产生等量的能量， 这会显著节约成本。 聚光太阳能热电需要巨大的场地， 米特索斯说。 如果我们说要达到 100％甚至 10％的可再生能源， 那我们就需要巨大的场地，所以，我们最好是更有效地使用它们。 弗兰克 布克侯尔德（ Frank Burkholder ）是国家再生能源实验室（ National Renewable Energy Laboratory ）的工程师，他说，因为费用高昂的定日镜场地，米特索斯的模式可产生同样的年度电力，但却占用少得多的场地面积。定日镜场地目前大约占三分之一的直接成本， 在大多数聚光太阳能发电厂都是这样， 布克侯尔德说，他没有参与这项研究。 因为定日镜很昂贵，所以，它们的彼此间距以及和塔柱之间的距离就很重要，如果不考虑它们的排列，它们就会产生阴影，彼此遮挡，显著减少供电量。