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?chē)h(huán)繞著好多排巨大的鏡子，向外一圈圈擴(kuò)散開(kāi),。這些鏡子有600多面,，每個(gè)鏡面有半個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小，全天跟蹤太陽(yáng),，把太陽(yáng)光線聚集到中心塔柱上,，這樣，太陽(yáng)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(chǎng)地，取名為PS10,，屬于世界上為數(shù)不多的聚光太陽(yáng)能發(fā)電（CSP：concentrated solar power）廠,，但是，這個(gè)數(shù)字有望增長(zhǎng),。聚光太陽(yáng)能發(fā)電的支持者說(shuō),，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(guó)供電,，只需兩個(gè)因素得到充足供應(yīng)，就是土地和陽(yáng)光,。
現(xiàn)在,，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員攜手德國(guó)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(yáng)能發(fā)電廠,，同時(shí)增加反射鏡收集的陽(yáng)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(lèi)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(yáng)能》（Solar Energy）雜志上,，最近已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù),。
遮住陰影
世界上的PS10和其他聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠，眾多鏡子安排在中央塔柱周?chē)?，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(kāi)，每隔一行對(duì)齊,。然而,，這種模式的結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生更多的不必要陰影,，整天都會(huì)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(guó)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(kāi)發(fā)出一種計(jì)算模型，可評(píng)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(yáng)光量。然后,，研究人員測(cè)試這一模型,，是在現(xiàn)有的商用級(jí)聚光太陽(yáng)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(lái)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(yáng)能發(fā)電廠每一天都會(huì)有大量的陰影和阻光,，盡管是交錯(cuò)對(duì)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(lèi)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(lái)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(chǎng)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(guò)PS10電廠徑向交錯(cuò)對(duì)齊的排列。
米特索斯說(shuō),，聚光太陽(yáng)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(huì)顯著節(jié)約成本,。“聚光太陽(yáng)能熱電需要巨大的場(chǎng)地,，”米特索斯說(shuō)。“如果我們說(shuō)要達(dá)到100％甚至10％的可再生能源,，那我們就需要巨大的場(chǎng)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(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）的工程師，他說(shuō),，因?yàn)橘M(fèi)用高昂的定日鏡場(chǎng)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(chǎng)地面積,。
“定日鏡場(chǎng)地目前大約占三分之一的直接成本,，在大多數(shù)聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠都是這樣，”布克侯爾德說(shuō),，他沒(méi)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(huì)產(chǎn)生陰影,，彼此遮擋,，顯著減少供電量。”