前沿科技之模仿向日葵提高聚光太陽(yáng)能效率

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發(fā)表于 2012-1-14 14:56:48 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員攜手德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University），已提出一種設(shè)計(jì)，可減少所需土地?cái)?shù)量，建造聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠，同時(shí)增加反射鏡收集的陽(yáng)光量。研究人員發(fā)現(xiàn)，重新排列鏡子或定日鏡，采用一種模式，類似螺旋形，就像向日葵表面那樣，他們可以使這種模式的“陰影”減少20％，同時(shí)提高潛在的發(fā)電量。這種向日葵啟發(fā)的模式，可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的布局，最大限度地減少定日鏡相鄰鏡面的遮光和擋光。

研究人員發(fā)表了他們的成果，就在《太陽(yáng)能》（Solar Energy）雜志上，最近已經(jīng)申請(qǐng)專利保護(hù)。

遮住陰影

世界上的PS10和其他聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠，眾多鏡子安排在中央塔柱周圍，形成同心圓。反射鏡之間的間距就像電影院的座位那樣錯(cuò)開，每隔一行對(duì)齊。然而，這種模式的結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生更多的不必要陰影，整天都會(huì)減少鏡面向塔柱反射的光線。

麻省理工學(xué)院的研究小組尋求優(yōu)化這一模式，提高電廠的整體效率。亞歷山大米特索斯（Alexander Mitsos）是羅克韋爾國(guó)際公司（Rockwell International）機(jī)械工程助理教授，他與科里努恩 SM（Corey Noone SM '11）及亞琛工業(yè)大學(xué)的曼努埃爾陶里宏（Manuel Torrilhon）合作，其中，米特索斯加入之前曾是麻省理工學(xué)院的研究員。

米特索斯的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種計(jì)算模型，可評(píng)估定日鏡布局的效率。這一模型把每個(gè)鏡面分為獨(dú)立的部分，計(jì)算每個(gè)部分在任何特定時(shí)刻反射的陽(yáng)光量。然后，研究人員測(cè)試這一模型，是在現(xiàn)有的商用級(jí)聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠進(jìn)行。努恩和米特索斯運(yùn)算這些鏡面的尺寸，這些鏡子都來(lái)自PS10電廠，采用這一模型，可確定工廠的整體效率。這一小組發(fā)現(xiàn)，聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠每一天都會(huì)有大量的陰影和阻光，盡管是交錯(cuò)對(duì)齊排列這些鏡子。

螺旋形排列

為了提高電廠的理論效率，努恩和米特索斯重新調(diào)整定日鏡的模式，利用數(shù)值優(yōu)化，首先讓扇狀布局考得更緊。這種更緊湊的布局，根據(jù)模型計(jì)算，可減少土地和鏡子用量，減幅達(dá)10％，而不影響鏡子反射光線的效率。由此產(chǎn)生的模式有一些螺旋形元素，類似自然界中的排列。

因此，麻省理工學(xué)院的研究小組攜手陶里宏，觀摩大自然，尋找靈感，他們特別研究了向日葵。向日葵的花瓣就排列成螺旋形狀，稱為費(fèi)爾馬螺旋線（Fermat spiral），這種螺旋線出現(xiàn)在許多自然物體中，很久以來(lái)一直讓數(shù)學(xué)家們著迷：古希臘人甚至把這種模式用于大樓和其他建筑結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)向日葵花瓣都偏向一個(gè)“黃金角度”，約137度，就是與相鄰花瓣的傾角。

研究人員設(shè)計(jì)了一種螺旋形場(chǎng)地，其中的定日鏡可反復(fù)調(diào)節(jié)，模仿向日葵，每個(gè)鏡面與相鄰鏡面角度約137度。這種數(shù)值優(yōu)化的布局占用空間比PS10電廠的布局少20％。更重要的是，這種螺旋形狀可減少陰影和遮光，提高整體效率，勝過(guò)PS10電廠徑向交錯(cuò)對(duì)齊的排列。

米特索斯說(shuō)，聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠排列采用這樣的螺旋形狀，可以減少所需土地和定日鏡數(shù)量，產(chǎn)生等量的能量，這會(huì)顯著節(jié)約成本。“聚光太陽(yáng)能熱電需要巨大的場(chǎng)地，”米特索斯說(shuō)。“如果我們說(shuō)要達(dá)到100％甚至10％的可再生能源，那我們就需要巨大的場(chǎng)地，所以，我們最好是更有效地使用它們。”

弗蘭克布克侯爾德（Frank Burkholder）是國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）的工程師，他說(shuō)，因?yàn)橘M(fèi)用高昂的定日鏡場(chǎng)地，米特索斯的模式可產(chǎn)生同樣的年度電力，但卻占用少得多的場(chǎng)地面積。

“定日鏡場(chǎng)地目前大約占三分之一的直接成本，在大多數(shù)聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠都是這樣，”布克侯爾德說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“因?yàn)槎ㄈ甄R很昂貴，所以，它們的彼此間距以及和塔柱之間的距離就很重要，如果不考慮它們的排列，它們就會(huì)產(chǎn)生陰影，彼此遮擋，顯著減少供電量。”