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作者：泉琳 来源： 发布时间：2019-11-12 23:29:55
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一提及可再生能源，我们首先想到的是由工程师在高科技实验室设计出的覆盖在工业建筑屋顶的黑色“硅板”或者在绿色田野上不停转动的新能源风车。
如今，随着提高能源系统效率需求的日益增长，一些工程师从自然界中获得了源源不断的灵感。
实际上，生物体和自然系统已经进化了大约38亿年。由于能源是生命的“货币”，因此惟有节能得以让生态系统保持良性的可持续发展。从更高效的风力涡轮机到战略性的太阳能电池板，我们可以从大自然中学到很多关于提高能源生产和使用的知识。
例如，康奈尔大学的科学家们研究了昆虫在悬停时翅膀的运动，发现翼尖可以勾勒出8字形图案，从而最大限度地降低了能耗。这种节能动力学可以有助于提高用于监视的微型无人机的效率。
其实，模仿自然来进行设计的想法并不新鲜。早在15世纪末，列奥纳多·达·芬奇便从鸟类扇动的翅膀中汲取灵感，手绘了大量的飞行机器和装置的设计图纸，包括扑翼飞机、固定翼滑翔机、旋翼机、降落伞等。直至今日，从桥梁、建筑物到水管理，世界上还有许多关于仿生学的经典案例。
随着可再生能源的日益普及，科学家和工程师们不断从自然界中寻找灵感，以提高效率、减少对环境影响的方式来设计风能、海洋能和太阳能设备。
太阳能螺旋
2016年7月，一架太阳能飞机在飞越西班牙安达卢西亚沙漠地区时，拍下了一张令人叹为观止的Gemasolar太阳能电站的照片。
在照片中，这家太阳能电站仿佛雕刻于地球表面的巨幅艺术作品。由Torresol能源公司运营的这个庞大阵列拥有2650面定日镜和185万平方米的占地面积。这些定日镜安装有光线跟踪系统，并按同心圆状依次排开，能像向日葵一样跟随太阳移动，将95%的太阳辐射汇聚到位于中心的巨型集热装置上。
Gemasolar太阳能电站的创意来自于2012年《太阳能》杂志上发表的一篇引人入胜的文章。麻省理工学院和德国亚琛工业大学的研究人员报告称，可以通过模仿向日葵小花的螺旋状排列，优化Gemasolar等这样的集中式太阳能电站的定日镜的位置，这种模式被称为费马螺旋线。
研究人员发现，对于带有中心高塔的太阳能电站而言，离中心塔最近的定日镜效率更高。因此，将它们以费马螺旋线的模式排列会减少电站的占地面积，并提高效率。
当然，向日葵带来的灵感还不止于此——研究人员还发现，将每块定日镜之间以137.5°的“黄金角度”进行倾斜，可以减少太阳辐射的阻挡及损耗。
潮汐之力
根据美国能源信息管理局的数据显示，在美国沿海海浪中发现的能源理论上可以提供相当于2017年美国约66%的发电量。为了开发海洋提供能源的巨大潜力，威斯康辛大学的计算科学家Jennifer Franck从昆虫、鸟类和蝙蝠拍打翅膀的飞行中获得了灵感，设计出了“振荡水翼”，从潮汐中提取能量。
从潮汐流中提取能量的常规装置是旋转的。振荡水翼类似于飞机机翼，但其具有对称的椭圆形横截面，可在潮起潮落时收集能量。水翼会随着潮汐而起伏，将潮汐的能量转化为电流。
是什么让拍打运动成为一种良好的动力源呢？Franck及其合作者发现，以一定的频率起伏和一定的振幅俯仰会产生大量的升力。不仅如此，因为这种运动模仿了鱼类和水生哺乳动物的本能运动，所以“我们认为它对环境更友好，”Franck表示。
如今，研究团队已经证明，这种装置可以放大，而且在浅水区也能很好地运行。目前，研究人员正在努力确定组件的最佳位置。
“我的感觉是，如果我们能开发出一种最优的薄片装置阵列结构，那么每平方英尺就能产生足够的能量，就可使其与风能和太阳能竞争，”Franck表示。
泥浆的魔力
加州大学伯克利分校的机械工程学教授Reza Alam在一个不太可能的地方找到了降低海洋能源成本的灵感——泥浆。
“泥浆可以从海浪中吸收大量的能量，”Alam说。他指出，在印度西南部沿海的喀拉拉邦，季风时节河流会将大量淤泥带至海岸线。泥浆吸收海浪的能量，使海水平静下来，并吸引鱼类，给当地渔民带来了丰富的渔获。
“如果泥浆在利用海浪的能量方面发挥出色的作用，为什么我们不能设计出一种表现类似泥浆的东西，并对经过它的海浪的行为作出反应呢?”他问道。
从这一现象中汲取灵感后，Alam和他的团队设计了一种人造海底“地毯”，它像泥浆一样吸收能量，然后将其转化为有用的能源。其潜在的应用包括为近海水产养殖和海水淡化提供动力。
“仅在加州，每米海岸线平均就有35千瓦的能量从海洋流向海岸，”Alam说道。“这意味着，加州海岸的每米电力可以为7个家庭供电，设备的运行效率为20%，这只是保守估计。”
该团队目前正在造波水池中测试不同的材料和配置，以找出在不同的环境（如岩石或泥泞的海岸）中最有效、能源效率更高的方法。
似鱼的涡轮机
在斯坦福大学，生物工程学教授John Dabiri及其同事正在测试受鱼类启发的垂直轴风力发电机场。
常规的风电场一般采用水平轴风力涡轮机，标准的螺旋桨般的庞然大物缓缓转动，就像农场上的风车一样。当单个水平轴涡轮机高效运转时，涡轮机之间必须保持很大的间隔，这样一个涡轮机产生的气流模式就不会影响邻近涡轮机的性能。为了弥补这一“缺陷”，Dabiri的团队另辟蹊径，转向垂直轴风力涡轮机。
游动的鱼在它们的尾流中创造出水流运动的模式，类似于风力涡轮机产生尾流的模式。邻近的鱼并没有受到这些水流模式的限制，反而利用它们来增强和协调自己的游动，因为相邻鱼之间的水流会产生建设性干扰，从而将“阻力”或对气流的阻力降到最低。
从对鱼群的研究中，Dabiri大胆提出了垂直轴风轮机的设想。垂直轴风轮机可以紧密地放置在一起，这样它们可以捕捉到几乎所有的风能，甚至风电场上方的风能。
而且Dabiri及其团队还发现，如果相邻的涡轮机以相反的方向交错旋转，那么相邻涡轮机风速和方向的改变实际上有利于风电场的整体性能。
事实上，该团队在加州理工学院风能优化实验室的研究发现，与现代水平轴涡轮机场相比，在高风速下，单位面积的发电量几乎可以增加10倍。
商业化的挑战
显然，仿生学为提高可再生能源的效率和经济效益作出了大量的努力。然而，商业化步伐的缓慢似乎是其继续前行道路上不可忽视的一个重要障碍。
造成这一局面的原因是复杂且相互交织的。就海洋能源而言，缺乏综合的试验设施是科学家们所关心的问题，特别是因为很难获得海洋测试许可。没有指定的测试地点以及来自政府与业界的专项资金，新技术难以获得评估。
此外，在恶劣环境下的生存能力和环境影响也是清洁能源技术的主要关注点。
“硬件开发从本质上来说是缓慢而昂贵的，”Dabiri直言道。“利用生物灵感的想法通常很有吸引力，但开发一种能够在现实世界中长期成功运作的技术是一项艰苦的工作。”
至于集中式的太阳能和潮汐能，其限制因素似乎更侧重于经济方面。“利用潮汐能发电的想法并不新鲜，围绕潮汐能已有成千上万的专利，其中不乏一些绝妙的想法。而且有趣的是，对于潮汐能设备来说，这些想法大部分都是可行的，”Alam表示。“但问题是，你能生产出可以与化石燃料相竞争的能源吗？”
究竟这些仿生技术中有多少将会得到大量推广与广泛应用，目前还不清楚。不过，为了地球的利益和人类的未来，很多人对此仍充满期待。■
《科学新闻》 (科学新闻2019年10月刊 能源)
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