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向日葵提高聚光太阳能效率

作者: 来源:麻省理工《科技创业》 发布时间:2012-01-13 浏览:
     中国储能网讯: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。
 
    向日葵启发了新的太阳能技术。研究人员发现,重新排列镜子或定日镜,采用一种类似螺旋形的模式,就像向日葵表面那样,他们就可以使这种模式的“阴影”减少20%,并提高潜在的能源生产。这种向日葵启发的模式可带来更紧凑的布局,最大限度地减少定日镜阴影和相邻镜子遮光。来源:麻省理工科技创业 
 
    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。”
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关键字:向日葵 太阳能效率

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