Подсолнух подсказал солнечным электростанциям, как расставить зеркала

Загляните летним днём в лицо подсолнуху, и вы увидите не просто коричневый кружок. Серединка плотно набита сотнями крошечных цветочков, каждый из которых станет семечком, и они уложены плавными дугами, которые разбегаются от центра, как лопасти вертушки. Ничего не пропадает, и никому не тесно. Похоже на украшение. На самом деле это очень удачное решение задачи об упаковке.

У инженеров из Массачусетского технологического института и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена в Германии была своя задача об упаковке. Башенная солнечная электростанция — это поле больших подвижных зеркал, гелиостатов, которые весь день поворачиваются, чтобы отбрасывать солнечный свет на верхушку одной высокой башни, где тепло превращают в электричество. Образцом для проверки стала станция PS10 близ Севильи в Испании: башня высотой 100 метров и более 600 зеркал, каждое размером примерно с половину теннисного корта.

Как зеркала мешали друг другу

На PS10 зеркала стоят кольцами вокруг башни в шахматном порядке, как кресла в кинотеатре, где ряды совпадают через один. Выглядит аккуратно, но исследователи обнаружили, что тени и помех при этом больше, чем необходимо: одно зеркало бросает тень на то, что стоит позади, или загораживает свет, который сосед пытается отправить на башню. Если расставить зеркала пошире, помехи исчезнут, но уйдёт очень много земли.

Поэтому команда построила компьютерную модель, которая делит каждое зеркало на маленькие участки и считает, сколько света на самом деле доставляет каждый из них. Когда компьютеру позволили сдвинуть прежние кольца поплотнее, удалось сберечь 10 процентов земли без потери эффективности. А потом они попробовали узор, позаимствованный у природы.

Правило подсолнуха

В подсолнухе цветочки следуют тому, что математики называют спиралью Ферма, и каждый повёрнут относительно соседа на одну и ту же величину: примерно на 137 градусов, это так называемый золотой угол. Инженеры расставили свои виртуальные зеркала по тому же правилу, как будто башня стоит посреди огромного цветка. Спиральное поле заняло на 20 процентов меньше земли, чем настоящая схема PS10, а тени и помех стало меньше, так что общая эффективность выросла, а не упала. Работа опубликована в журнале Solar Energy.

• 137° золотой угол между соседними цветочками или соседними зеркалами
• 600+ зеркал на поле PS10, с которым сравнивала команда
• 10% земли сберегла более плотная расстановка прежних колец
• 20% земли сберегла спираль подсолнуха

В чём часто ошибаются

Многие думают, что подсолнух и солнечную энергию связывает то, что цветок поворачивается вслед за солнцем. Здесь скопировали совсем не это. Каждый гелиостат и так следит за солнцем с помощью собственных моторов; цветок же подсказал план рассадки, а он говорит, где стоять, а не куда смотреть. Стоит знать и другое: это результат компьютерной модели, которую сравнили со схемой одной настоящей станции, а не история о том, как электростанцию выкопали и посадили заново.

Почему это важно

Пятая часть земли может показаться скромной выгодой, но, как заметил один из исследователей, чтобы получать из таких источников хотя бы десятую часть нашей энергии, понадобятся огромные площади, так что лучше использовать их с умом. Приятно и то, откуда пришёл ответ. Растение, которое живёт солнечным светом, уже нашло способ уместить в круге как можно больше, и оставалось только внимательно посмотреть ему в лицо и сосчитать градусы.