Ученые из Германии и США используют модель подсолнуха для повышения эффективности концентрированного солнечного излучения. Рейнско-Вестфальский технический университет Аахена и Массачусетский технологический институт (MIT) создали более компактную гелиостатическую решетку.
Цветок, который уже назван в честь солнца, дал ученым некоторые подсказки о том, как более эффективно улавливать солнечные лучи.
Подсолнух, родом из Америки, известен своими огромными огненными цветами, которые на самом деле состоят из 1000–2000 отдельных лепестков или соцветий, соединенных вместе основанием цветоложа. Как правило, каждый цветок ориентирован по отношению к следующему под золотым углом 137,5 градусов, образуя узор из соединяющихся спиралей.
Теперь американские исследователи из Массачусетского технологического института в Кембридже в сотрудничестве с учеными из RWTH Аахенского университета в Аахене, Северный Рейн-Вестфалия, Германия, обнаружили, что путем размещения зеркал или гелиостатов в солнечной установке для дублирования спиралей на лицевой стороне подсолнух — они могут реализовать несколько преимуществ.
Что наиболее важно, дублирование спиралей уменьшает «след» гелиостатов на 20 процентов, способствуя более компактной компоновке и сводя к минимуму затенение и блокирование гелиостатов соседними зеркалами. Следовательно, спиральное расположение гелиостатов уменьшает количество земли, необходимой для строительства станции концентрированной солнечной энергии (CSP), и увеличивает количество солнечного света, собираемого ее зеркалами.
Первое «спиральное испытание» было проведено недалеко от Севильи, в пустынном районе Андалусии, Испания, на обширном CSP, известном как PS10. В центре внимания находится 100-метровая башня, окруженная рядами гигантских зеркал, струящихся наружу. Более 600 таких зеркал, каждое размером с половину теннисного корта, отслеживают движение солнца в течение дня, концентрируя его лучи на башне, где солнечное тепло преобразуется в электричество — достаточно для питания 6000 домов.
До недавнего времени на PS10 и других заводах CSP по всему миру зеркала располагались вокруг центральной башни концентрическими кругами. Расстояние между зеркалами похоже на сиденья в кинотеатре — расположены в шахматном порядке, так что каждый второй ряд выровнен. Однако этот шаблон приводит к большему, чем необходимо, затенению и блокировке в течение дня, уменьшая отражение света от зеркал к башне. «Команда Массачусетского технологического института стремилась оптимизировать схему, чтобы повысить общую эффективность предприятия. Доцент кафедры машиностроения Института Rockwell International Александр Митсос вместе со студентом Кори Нуном сотрудничал с Мануэлем Торрильоном из RWTH Aachen, где Митсос был исследователем до прихода на факультет Массачусетского технологического института. ??
Лаборатория Митсоса разработала вычислительную модель для оценки эффективности компоновки гелиостата с концентрическим кругом. Модель разделила каждое зеркало на отдельные секции и рассчитала количество света, отраженного каждой секцией в любой момент времени. Затем исследователи протестировали модель на существующей промышленной установке PS10. Группа обнаружила, что завод CSP каждый день подвергался значительному затенению и блокировке, несмотря на шахматное расположение его зеркал.
Чтобы повысить теоретическую эффективность установки, Нун и Митсос переделали структуру гелиостатов, используя числовую оптимизацию, чтобы сначала сблизить разветвленную схему. Эта более узкая компоновка, как подсчитала модель, уменьшила площадь, занимаемую зеркалами, на 10 процентов, не влияя на эффективность отражения света зеркалами. Получившийся узор имел некоторые спиралевидные элементы, похожие на макеты в природе.
Поэтому команда Массачусетского технологического института, работая с Торрильоном, искала вдохновение в природе, в частности, в подсолнухе. Соцветия подсолнуха расположены в виде спирального узора, известного как спираль Ферма, который встречается во многих природных объектах и издавна очаровывал математиков: древние греки даже применяли узоры к зданиям и другим архитектурным сооружениям.
После того, как исследователи расположили гелиостаты в виде спиралей, похожих на подсолнухи, они добились успеха — меньше места, больше мощности. Митсос говорит, что расположение завода CSP по такой спиральной схеме может уменьшить площадь земли и количество гелиостатов, необходимых для выработки эквивалентного количества энергии, что может привести к значительной экономии средств.
«Концентрированная солнечная тепловая энергия требует огромных площадей», — говорит Митсос. «Если мы говорим о переходе на 100-процентную или даже 10-процентную возобновляемую энергию, нам потребуются огромные площади, поэтому мы лучше их используем». «Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Solar Energy и недавно подали заявку на патентную защиту.