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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� |
