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德國的工程師開發(fā)新型浮動式雙面光伏

原理和河豚類似

2021年10月中旬，德國一家名為Schlaich bergerman Partner(SBP sonne)的工程公司在匈牙利的水面上開發(fā)出了一種新型的50kW的浮動光伏系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模型種沒有相互連接的小塑料浮子，而是由40米長、80厘米厚的膜管組成。這種膜管只有在現(xiàn)場安裝時才會進行充氣。根據(jù)SBP工程師的說法，這種系統(tǒng)模型與其他浮動模型相比，具有一系列的優(yōu)勢。

該模型的設(shè)計采用的是兩根管子相互平行充氣的模式。詳細(xì)來說，是一個寬度為4.5米的鋼架連接在它們之間，將組件安裝在鋼架上。從管子的長度考慮，一根管子大約可以安裝24個光伏組件。與以前的只安裝了四對管子的模型不同，這個新的模型采用了 25對管子并相互連接以形成一座島嶼。

相鄰的兩個這樣的島將形成一個 1 兆瓦的功率塊，并帶有電力電子設(shè)備。 一兆瓦區(qū)塊的尺寸為長 80 米，寬 108 米。這樣一個區(qū)塊的一半，2708平方米的組件將只需要4320平方米的總面積，這就相當(dāng)于大約63%的空間利用率。


此外，SBP sonne還表示，他們已經(jīng)設(shè)計了第一個針對雙面光伏組件優(yōu)化的浮動系統(tǒng)模型。這種模型將反射率超過0.6的淺色膜層拉伸到鋼架下面，使60%的光被薄膜反射。

作為比較，0.8的反射率大致相當(dāng)于剛下過雪的水平。由于水面的反射率通常為0.1，因此不太適合使用雙面模塊。因此為了確保薄膜也能接受足夠的陽光直射，SBP sonne調(diào)整里組件之間的間距，至最佳的50毫米，以防止組件在惡劣天氣下相互碰撞。

02

像河豚一樣的模型

該系統(tǒng)上的氣象站具有監(jiān)測風(fēng)速和波浪的作用，因此可以自主決定是否給管子充氣。 由于該系統(tǒng)會在遇到危險時自行充氣，而且其原型是在匈牙利薄膜制造商的工廠附近建造的，因此 SBP sonne將該系統(tǒng)命名為“Gömbhal”——匈牙利語中河豚的意思。

如果空氣從其中一根管子中逸出，最初會受到相鄰平行管子的保護。如果所有的空氣都從管子中逸出，這個系統(tǒng)仍然是具有浮力的。


此外，這種充氣系統(tǒng)也可以改善運輸條件。由于占用大量空間，因此使用吹塑塑料制成的漂浮物的物流成本非常高。另一方面，充氣管可以折疊起來。這使得漂浮的光伏建筑材料可以在一個集裝箱中運輸，其運輸能力是傳統(tǒng)系統(tǒng)運輸?shù)娜?。?jù)說這些管子還能更好地抵御風(fēng)浪。由于細(xì)長的形狀，管子可以局部地迎合波浪的形狀。此外，與小型矩形系統(tǒng)相比，這種船體形狀提供的攻擊表面積更小，因此錨和系泊設(shè)備的尺寸可以稍微小一些。

03

其他仿生光伏——向日葵

除了河豚之外，還有很多仿生技術(shù)在光伏領(lǐng)域中得到了運用。例如，像向日葵一樣可以追尋陽光的太陽能電池。

目前商用硅太陽能電池的效率約為22%。提高光伏性能的最有效方法之一是集成向光性（趨光性），即利用太陽能電池更有效地收集光子，在天空中跟蹤太陽的能力。


１、原理

向日葵追隨太陽光的能力被稱為向光性。陽光會破壞生長在陰面細(xì)胞中的一種叫做生長素的植物激素。如促進細(xì)胞生長和分裂的吲哚乙酸(IAA)。因此，在陰面有更多長細(xì)胞的生長和更多的細(xì)胞數(shù)量。

這種不均勻的生長模式使向日葵的一側(cè)長于另一側(cè)并迫使莖進行轉(zhuǎn)動。當(dāng)陽光從其頭頂照射時，生長素（IAA）分子均勻分布在向日葵的莖中。一旦陽光以一定角度照射，生長素就會移動到有陰影的遠(yuǎn)側(cè)，并誘導(dǎo)該側(cè)的細(xì)胞伸長，因此莖逐漸向有光的一側(cè)彎曲。

２、模仿向日葵的太陽能電池

模仿這種自然現(xiàn)象，來自加州大學(xué)洛杉磯分校和亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家們使用特殊材料建造了人造莖，以支持可以像向日葵那樣跟蹤陽光的太陽能電池。這些桿狀人造材料可以向光彎曲，可以自我調(diào)節(jié)，并移動到吸收太陽光線所需的最佳位置。然后，隨著太陽的移動，他們會做一些小的調(diào)整來停留在那里。這使得它們能夠捕獲大約90%以75度角照射在太陽能電池上的可用光。

如果不跟蹤太陽的話，當(dāng)入射角很大時，損失可能會很大（例如，75° 入射角度時損失為75%）。這種向光性系統(tǒng)被稱為 SunBOT，或向日葵狀仿生全向跟蹤儀。它們可以在 3D 空間中以超高的精度和快速的響應(yīng)在廣泛的環(huán)境溫度范圍內(nèi)自主、即時地檢測和跟蹤入射光，而無需輔助電源或人工干預(yù)?？茖W(xué)家們已經(jīng)證明，在傾斜的照明下，人工向光性系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)的非向光性系統(tǒng)增加高達(dá) 400% 的能量收集。

這款新技術(shù)的誕生要得益于現(xiàn)代納米技術(shù)，因為科學(xué)家使用一款對溫度非常敏感納米材料做成跟蹤儀頭部，然后再配合一種能向明亮光源彎曲的微小“桿”，從而實現(xiàn)能跟隨光照功能。

用生物學(xué)界的一句術(shù)語來說，能響應(yīng)自然環(huán)境特定變化的任何運動都被稱為是一種“鼻行為”，比如被人們稱為“食人花”的植物，能根據(jù)特定環(huán)境變化做出讓人匪夷所思的反應(yīng)，帶刺花朵能迅速關(guān)閉。還有的植物花朵能在天亮?xí)r打開，在天黑時關(guān)閉，這些都是自然界中活鮮鮮的例子。

在研究過程中，科學(xué)家將納米材料做成一根長度為幾厘米、寬為幾毫米的線，這根線被稱為“人造莖”，它能根據(jù)溫度而迅速作出反應(yīng)，一側(cè)收縮，另一側(cè)膨脹，導(dǎo)致傾向于光照，因此這是一款具備生物“鼻行為”的神奇材料，它能根據(jù)光強度變化而自動進行打開、關(guān)閉、彎曲、扭曲等動作。

這項新技術(shù)有什么作用？專家表示，追逐陽光的新技術(shù)對光伏電池非常有用，這項技術(shù)可以用在太陽能電池板上，能大大提升太陽能電子版的產(chǎn)電能力，除此之外，還可以用在自適應(yīng)信號接收器，智能窗戶，設(shè)備齊全的機器人，太空飛船太陽帆，引導(dǎo)手術(shù)，自調(diào)節(jié)光學(xué)設(shè)備以及智能能源上。

甚至可以應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡，雷達(dá)和水聽器進行的高能發(fā)射檢測和跟蹤領(lǐng)域，所以這項新技術(shù)用途可以說是非常的大，很多領(lǐng)域也需要這項技術(shù)。即使上述應(yīng)用只少數(shù)在未來實現(xiàn)，那么也能發(fā)揮非常大的用途。

結(jié)語

仿生技術(shù)是通過研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以此來為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想及工作原理的科學(xué)。仿生技術(shù)一詞bionics是1960年由美國科學(xué)家斯蒂爾根據(jù)拉丁文“bios”(生命方式)和字尾“nic”(具有……的性質(zhì))構(gòu)成的。


仿生技術(shù)的問世開辟了獨特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是人類向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。生物自身具有的功能比迄今為止任何人工制造的機械都優(yōu)越得多，而仿生技術(shù)，就是要在工程上實現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物的功能。在信息接受(感覺功能)、信息傳遞(神經(jīng)功能)、自動控制系統(tǒng)等方面，生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機械設(shè)計方面都給予了人們很大啟發(fā)。在這種啟發(fā)下，不僅僅是光伏行業(yè)，可以說是所有領(lǐng)域的技術(shù)都在仿生技術(shù)的啟發(fā)下得以快速發(fā)展。 

原標(biāo)題：河豚對浮動式光伏的啟發(fā)