塞維利亞（Seville）城外,，屬于西班牙安達盧西亞（Andalucia）沙漠地區(qū)，這里有一個綠洲般的奇觀：一根100米高的塔柱,，周圍環(huán)繞著好多排巨大的鏡子,，向外一圈圈擴散開,。這些鏡子有600多面，每個鏡面有半個網球場大小,，全天跟蹤太陽,，把太陽光線聚集到中心塔柱上，這樣,，太陽的熱量就轉化為電能,，足夠供應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,，這個數(shù)字有望增長,。聚光太陽能發(fā)電的支持者說，這項技術可產生足夠的清潔,、可再生能源,，可給整個美國供電，只需兩個因素得到充足供應,，就是土地和陽光,。
現(xiàn)在,，麻省理工學院（MIT）的研究人員攜手德國亞琛工業(yè)大學（RWTH Aachen University），已提出一種設計,，可減少所需土地數(shù)量,，建造聚光太陽能發(fā)電廠，同時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％,，同時提高潛在的發(fā)電量,。這種向日葵啟發(fā)的模式，可以實現(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,，最近已經申請專利保護,。
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開，每隔一行對齊,。然而,，這種模式的結果，會產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院的研究員,。
米特索斯的實驗室開發(fā)出一種計算模型，可評估定日鏡布局的效率,。這一模型把每個鏡面分為獨立的部分，計算每個部分在任何特定時刻反射的陽光量,。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)電廠進行。努恩和米特索斯運算這些鏡面的尺寸,，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)模型計算,，可減少土地和鏡子用量,，減幅達10％，而不影響鏡子反射光線的效率,。由此產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構。數(shù)學家們發(fā)現(xiàn),，每個向日葵花瓣都偏向一個“黃金角度”,，約137度，就是與相鄰花瓣的傾角,。
研究人員設計了一種螺旋形場地,，其中的定日鏡可反復調節(jié)，模仿向日葵,，每個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）是國家再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）的工程師，他說,，因為費用高昂的定日鏡場地,，米特索斯的模式可產生同樣的年度電力，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,，他沒有參與這項研究,。“因為定日鏡很昂貴，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，它們就會產生陰影,，彼此遮擋,，顯著減少供電量。”