Solarkraftwerk – den Sonnenblumen abgeschaut
Die optimale Reflektoranordnung von Spiegel-Solar-Kraftwerken hat die Form einer Fermatschen Spirale.
Der RWTH-Forscher und Mathematikprofessor Manuel Torrilhon hat zusammen mit Kollegen vom Massachusetts Institute for Technology (MIT) ein neuartiges Design für Spiegel-Solar-Kraftwerke entwickelt, das Stellfläche auf der Anlage spart und das Sonnenlicht effizienter als herkömmliche Anlagen in Energie umwandelt. Für das interdisziplinäre Forschungsprojekt hat Torrilhon mit seinem ehemaligem RWTH-Kollegen Alexander Mitsos, heute Professor am Department of Mechanical Engineering des MIT, zusammengearbeitet. Zur Optimierung der Solarkraftwerke nutzten die Wissenschaftler die Anordnung der Samen einer Sonnenblume und übertrugen sie auf die Anordnung der Spiegel des Kraftwerks. Sie haben gemeinsam ein Patent auf ihre Idee angemeldet.
Abb.: Der Blütenstand der Sonnenblumen folgt Spiralen, die von den Fibonacci-Zahlen vorgegeben sind. (Bild: L. Shyamal, cc-by-sa-2.5)
Als Torrilhon einen Vortrag von Mitsos über die Optimierung von Solarkraftwerken hört, erinnert ihn eine Graphik an eine Sonnenblume. „Die spiralförmige Anordnung der Sonnenblumensamen basiert in der Mathematik auf einem klassischen Beispiel für optimale Anordnung, welches unter Ingenieuren nicht unbedingt so bekannt ist“, erklärt Torrilhon und betont: „Das Ergebnis ist ein schönes Beispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit.“ Mitsos und sein Doktorand Corey Noone konnten dann per Computer nachweisen, dass mit dem neuen Layout die Spiegel näher aneinander stehen, so wertvolle Fläche sparen und gleichzeitig die Spiegel das Sonnenlicht so reflektieren lassen, dass man daraus effizienter Energie gewinnt.
Die Wissenschaftler orientieren sich am natürlichen Vorbild der Samen einer Sonnenblume. „Man wandert dazu von der Mitte aus spiralförmig nach außen und platziert die Spiegel wie bei den Sonnenblumensamen immer um einen festen Winkel weiter“, erläutert Torrilhon. „Immer nach etwa 137,5 Grad stellt man den nächsten Spiegel auf, wobei man dabei spiralförmig nach außen wandert.“
Abb.: Nach dem gleichen Anordnungsprinzip wie bei den Sonnenblumen ergibt sich eine optimale Flächennutzung beim Aufstellen der Reflektoren eines CSP-Kraftwerks. Der Solarturm steht dabei im Koordinatenursprung. (Bild: Mitsos et al.)
So könnte auch in Sevilla eine der größten Anlagen der Welt, die schon jetzt 6000 Haushalte mit Strom versorgt, auf weniger Fläche und effizienter gebaut werden. Experten schätzen, dass solche Anlagen das Potenzial haben, genug erneuerbare Energie zu erzeugen, um die Vereinigten Staaten von Amerika zu versorgen. Bislang stehen die 600 Spiegel von Sevilla, jeder davon halb so groß wie ein Tennisfeld, auf einer Fläche von 439.000 Quadratmetern. Jeder Spiegel nimmt Sonnenlicht auf und gibt es an einen hohen Turm weiter, wo die Sonnenhitze in elektrische Energie umgewandelt wird. Nun haben die Forscher im Computer-Modell die Spiegel nach dem Sonnenblumensamen-Vorbild angeordnet, ausgerichtet und ausgerechnet, dass sie so die Stellfläche um zwanzig Prozent reduzieren können. „Und wir haben dabei sogar noch die Energieeffizienz gesteigert“, betont Torrilhon. Das bedeutet, dass das Sonnenlicht effizienter in Energie umgewandelt wird und weniger Energie verloren geht. „Weil riesige platte Flächen nicht immer verfügbar sind“, sagt Torrilhon, „ist es umso wichtiger, dass Flächen sparsam verbraucht werden. Der nächste Schritt ist, die Theorie auf hügelige Landschaften anzuwenden.“
RWTH / OD
