前沿科技之模仿向日葵提高聚光太陽能效率

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發表于 2012-1-14 14:56:48 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

現在，麻省理工學院（MIT）的研究人員攜手德國亞琛工業大學（RWTH Aachen University），已提出一種設計，可減少所需土地數量，建造聚光太陽能發電廠，同時增加反射鏡收集的陽光量。研究人員發現，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％，同時提高潛在的發電量。這種向日葵啟發的模式，可以實現更緊湊的布局，最大限度地減少定日鏡相鄰鏡面的遮光和擋光。

研究人員發表了他們的成果，就在《太陽能》（Solar Energy）雜志上，最近已經申請專利保護。

遮住陰影

世界上的PS10和其他聚光太陽能發電廠，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開，每隔一行對齊。然而，這種模式的結果，會產生更多的不必要陰影，整天都會減少鏡面向塔柱反射的光線。

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

米特索斯的實驗室開發出一種計算模型，可評估定日鏡布局的效率。這一模型把每個鏡面分為獨立的部分，計算每個部分在任何特定時刻反射的陽光量。然后，研究人員測試這一模型，是在現有的商用級聚光太陽能發電廠進行。努恩和米特索斯運算這些鏡面的尺寸，這些鏡子都來自PS10電廠，采用這一模型，可確定工廠的整體效率。這一小組發現，聚光太陽能發電廠每一天都會有大量的陰影和阻光，盡管是交錯對齊排列這些鏡子。

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整定日鏡的模式，利用數值優化，首先讓扇狀布局考得更緊。這種更緊湊的布局，根據模型計算，可減少土地和鏡子用量，減幅達10％，而不影響鏡子反射光線的效率。由此產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，稱為費爾馬螺旋線（Fermat spiral），這種螺旋線出現在許多自然物體中，很久以來一直讓數學家們著迷：古希臘人甚至把這種模式用于大樓和其他建筑結構。數學家們發現，每個向日葵花瓣都偏向一個“黃金角度”，約137度，就是與相鄰花瓣的傾角。

研究人員設計了一種螺旋形場地，其中的定日鏡可反復調節，模仿向日葵，每個鏡面與相鄰鏡面角度約137度。這種數值優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PS10電廠徑向交錯對齊的排列。

米特索斯說，聚光太陽能發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量，產生等量的能量，這會顯著節約成本。“聚光太陽能熱電需要巨大的場地，”米特索斯說。“如果我們說要達到100％甚至10％的可再生能源，那我們就需要巨大的場地，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）是國家再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）的工程師，他說，因為費用高昂的定日鏡場地，米特索斯的模式可產生同樣的年度電力，但卻占用少得多的場地面積。

“定日鏡場地目前大約占三分之一的直接成本，在大多數聚光太陽能發電廠都是這樣，”布克侯爾德說，他沒有參與這項研究。“因為定日鏡很昂貴，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，它們就會產生陰影，彼此遮擋，顯著減少供電量。”