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向日葵与太阳能发电

2020-09-03 12:30 张佳祥 次阅读 条评论

随着世界能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法。太阳能作为一种可再生能源,越来越受到人们的重视,因为太阳能是一种清洁、可再生能源,可以说取之不尽、用之不竭。

但是,有一个非常大的问题一直困扰着科学家,那就是如何在有限的空间中获取最大的光能利用,提高潜在的发电量。排列众多大面积的反射镜将会增加占地面积,而如果过于紧凑,排列不当,则会增加互相遮挡的阴影,造成不必要的浪费。面对这一难题,科学家从自然界获得了灵感。

绝大多数的聚光太阳能发电厂对镜面都是采用常规的排列方式:中间一个高高的尖塔直耸入云,周围是一大圈镜子,层层叠叠,形成一个个巨大的同心圆,向外一圈圈扩散开,每一圈都彼此交错,隔行对齐,看起来蔚为壮观。要想为大约6000户家庭供电,大约需要600块这样的镜面。若在沙漠中,这一排场还勉强可行,但倘若在其他地域,恐怕难以获得如此大的占地面积。而且,这种排列方式会产生阴影,会大大降低太阳光的利用率。

对于企业,尤其是太阳能产业的相关企业来说,为了在新能源领域更富有竞争力,降低成本、提高效能是必由之路。巨大的场地,以及自我空耗的遮挡显然是无法接受的。要知道,定日镜场地费用高昂,其费用约占到直接成本的30%,甚至更高,而定日镜本身也相当昂贵。如何节约成本,并有效利用现有资源,对太阳能企业来说至关重要,而如何定好定日镜彼此之间的距离以及它们和塔柱之间的距离,则是一项关键技术。

科学家尝试了多种方案,他们建立了相应的数学模型,用来评估不同的方案,计算每个镜面在任何特定时刻反射的阳光量,进而得出不同方案的工作效率,最终确定聚光太阳能发电厂的整体效率。最开始,科学家通过计算优化排列方案,建立了一种螺旋形模式,在不影响镜子反射光线的效率的前提下减少土地和镜子使用量达到10%。但遗憾的是,这种模式仍然有镜子遮挡和阴影出现。

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美国麻省理工学院的研究人员携手德国亚琛工业大学的研究人员通过观察向日葵,提出了一种新的设计方案。他们发现,向日葵的花瓣成一种螺旋状排列,每一个花瓣与相邻花瓣的倾角都大约为137度,这是一个黄金角度,在自然界的很多生物中都有这个角度,这种螺旋形状被称为费尔马螺旋线。因为其完美的排列,在古希腊时期就被大量应用于建筑当中。科学家通过计算,如果将镜子按照这种角度形成的螺旋状排列,不仅可以节省空间——约节省20%,还能有效减少彼此的遮挡。采用类似向日葵花瓣表面的结构重新排列定日镜,可显著减少所需的土地和定日镜的数量,而且并不妨碍产生等量的能量。

“向日葵方案”可以让太阳能电站的定日镜布局更紧凑,节约土地,并最大限度地避免相邻镜面的遮光阴影。在这一创新上,自然界又给我们上了生动的一课。

作者:张佳祥

初审、一校:胡慧亭

复审、二校:成自来

终审、三校:陈光中


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