塞維利亞（Seville）城外，屬于西班牙安達(dá)盧西亞（Andalucia）沙漠地區(qū)，這里有一個(gè)綠洲般的奇觀：一根100米高的塔柱，周圍環(huán)繞著好多排巨大的鏡子，向外一圈圈擴(kuò)散開。這些鏡子有600多面，每個(gè)鏡面有半個(gè)網(wǎng)球場大小，全天跟蹤太陽，把太陽光線聚集到中心塔柱上，這樣，太陽的熱量就轉(zhuǎn)化為電能，足夠供應(yīng)6000戶家庭用電。
這一蔓延伸展的場地，取名為PS10，屬于世界上為數(shù)不多的聚光太陽能發(fā)電（CSP：concentrated solar power）廠，但是，這個(gè)數(shù)字有望增長。聚光太陽能發(fā)電的支持者說，這項(xiàng)技術(shù)可產(chǎn)生足夠的清潔、可再生能源，可給整個(gè)美國供電，只需兩個(gè)因素得到充足供應(yīng)，就是土地和陽光。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員攜手德國亞琛工業(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，建造聚光太陽能發(fā)電廠，同時(shí)增加反射鏡收集的陽光量。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《太陽能》（Solar Energy）雜志上，最近已經(jīng)申請專利保護(hù)。
遮住陰影
世界上的PS10和其他聚光太陽能發(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，每隔一行對齊。然而，這種模式的結(jié)果，會產(chǎn)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(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)刻反射的陽光量。然后，研究人員測試這一模型，是在現(xiàn)有的商用級聚光太陽能發(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)，聚光太陽能發(fā)電廠每一天都會有大量的陰影和阻光，盡管是交錯(cuò)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(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PS10電廠徑向交錯(cuò)對齊的排列。
米特索斯說，聚光太陽能發(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，這會顯著節(jié)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(dá)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(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）的工程師，他說，因?yàn)橘M(fèi)用高昂的定日鏡場地，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(shù)聚光太陽能發(fā)電廠都是這樣，”布克侯爾德說，他沒有參與這項(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，它們就會產(chǎn)生陰影，彼此遮擋，顯著減少供電量。”