麻省理工仿生向日葵 实现聚光太阳能发电新突破

 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（CSP：concentrated 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。"