一提及可再生能源，我們首先想到的是由工程師在高科技實驗室設計出的覆蓋在工業(yè)建筑屋頂?shù)暮谏?ldquo;硅板”或者在綠色田野上不停轉動的新能源風車。
如今，隨著提高能源系統(tǒng)效率需求的日益增長，一些工程師從自然界中獲得了源源不斷的靈感。
實際上，生物體和自然系統(tǒng)已經(jīng)進化了大約38億年。由于能源是生命的“貨幣”，因此惟有節(jié)能得以讓生態(tài)系統(tǒng)保持良性的可持續(xù)發(fā)展。從更高效的風力渦輪機到戰(zhàn)略性的太陽能電池板，我們可以從大自然中學到很多關于提高能源生產和使用的知識。
例如，康奈爾大學的科學家們研究了昆蟲在懸停時翅膀的運動，發(fā)現(xiàn)翼尖可以勾勒出8字形圖案，從而最大限度地降低了能耗。這種節(jié)能動力學可以有助于提高用于監(jiān)視的微型無人機的效率。
其實，模仿自然來進行設計的想法并不新鮮。早在15世紀末，列奧納多·達·芬奇便從鳥類扇動的翅膀中汲取靈感，手繪了大量的飛行機器和裝置的設計圖紙，包括撲翼飛機、固定翼滑翔機、旋翼機、降落傘等。直至今日，從橋梁、建筑物到水管理，世界上還有許多關于仿生學的經(jīng)典案例。
隨著可再生能源的日益普及，科學家和工程師們不斷從自然界中尋找靈感，以提高效率、減少對環(huán)境影響的方式來設計風能、海洋能和太陽能設備。
太陽能螺旋
2016年7月，一架太陽能飛機在飛越西班牙安達盧西亞沙漠地區(qū)時，拍下了一張令人嘆為觀止的Gemasolar太陽能電站的照片。
在照片中，這家太陽能電站仿佛雕刻于地球表面的巨幅藝術作品。由Torresol能源公司運營的這個龐大陣列擁有2650面定日鏡和185萬平方米的占地面積。這些定日鏡安裝有光線跟蹤系統(tǒng)，并按同心圓狀依次排開，能像向日葵一樣跟隨太陽移動，將95%的太陽輻射匯聚到位于中心的巨型集熱裝置上。
Gemasolar太陽能電站的創(chuàng)意來自于2012年《太陽能》雜志上發(fā)表的一篇引人入勝的文章。麻省理工學院和德國亞琛工業(yè)大學的研究人員報告稱，可以通過模仿向日葵小花的螺旋狀排列，優(yōu)化Gemasolar等這樣的集中式太陽能電站的定日鏡的位置，這種模式被稱為費馬螺旋線。
研究人員發(fā)現(xiàn)，對于帶有中心高塔的太陽能電站而言，離中心塔最近的定日鏡效率更高。因此，將它們以費馬螺旋線的模式排列會減少電站的占地面積，并提高效率。
當然，向日葵帶來的靈感還不止于此——研究人員還發(fā)現(xiàn)，將每塊定日鏡之間以137.5°的“黃金角度”進行傾斜，可以減少太陽輻射的阻擋及損耗。
潮汐之力
根據(jù)美國能源信息管理局的數(shù)據(jù)顯示，在美國沿海海浪中發(fā)現(xiàn)的能源理論上可以提供相當于2017年美國約66%的發(fā)電量。為了開發(fā)海洋提供能源的巨大潛力，威斯康辛大學的計算科學家Jennifer Franck從昆蟲、鳥類和蝙蝠拍打翅膀的飛行中獲得了靈感，設計出了“振蕩水翼”，從潮汐中提取能量。
從潮汐流中提取能量的常規(guī)裝置是旋轉的。振蕩水翼類似于飛機機翼，但其具有對稱的橢圓形橫截面，可在潮起潮落時收集能量。水翼會隨著潮汐而起伏，將潮汐的能量轉化為電流。
是什么讓拍打運動成為一種良好的動力源呢？Franck及其合作者發(fā)現(xiàn)，以一定的頻率起伏和一定的振幅俯仰會產生大量的升力。不僅如此，因為這種運動模仿了魚類和水生哺乳動物的本能運動，所以“我們認為它對環(huán)境更友好，”Franck表示。
如今，研究團隊已經(jīng)證明，這種裝置可以放大，而且在淺水區(qū)也能很好地運行。目前，研究人員正在努力確定組件的最佳位置。
“我的感覺是，如果我們能開發(fā)出一種最優(yōu)的薄片裝置陣列結構，那么每平方英尺就能產生足夠的能量，就可使其與風能和太陽能競爭，”Franck表示。
泥漿的魔力
加州大學伯克利分校的機械工程學教授Reza Alam在一個不太可能的地方找到了降低海洋能源成本的靈感——泥漿。
“泥漿可以從海浪中吸收大量的能量，”Alam說。他指出，在印度西南部沿海的喀拉拉邦，季風時節(jié)河流會將大量淤泥帶至海岸線。泥漿吸收海浪的能量，使海水平靜下來，并吸引魚類，給當?shù)貪O民帶來了豐富的漁獲。
“如果泥漿在利用海浪的能量方面發(fā)揮出色的作用，為什么我們不能設計出一種表現(xiàn)類似泥漿的東西，并對經(jīng)過它的海浪的行為作出反應呢?”他問道。
從這一現(xiàn)象中汲取靈感后，Alam和他的團隊設計了一種人造海底“地毯”，它像泥漿一樣吸收能量，然后將其轉化為有用的能源。其潛在的應用包括為近海水產養(yǎng)殖和海水淡化提供動力。
“僅在加州，每米海岸線平均就有35千瓦的能量從海洋流向海岸，”Alam說道。“這意味著，加州海岸的每米電力可以為7個家庭供電，設備的運行效率為20%，這只是保守估計。”
該團隊目前正在造波水池中測試不同的材料和配置，以找出在不同的環(huán)境（如巖石或泥濘的海岸）中最有效、能源效率更高的方法。
似魚的渦輪機
在斯坦福大學，生物工程學教授John Dabiri及其同事正在測試受魚類啟發(fā)的垂直軸風力發(fā)電機場。
常規(guī)的風電場一般采用水平軸風力渦輪機，標準的螺旋槳般的龐然大物緩緩轉動，就像農場上的風車一樣。當單個水平軸渦輪機高效運轉時，渦輪機之間必須保持很大的間隔，這樣一個渦輪機產生的氣流模式就不會影響鄰近渦輪機的性能。為了彌補這一“缺陷”，Dabiri的團隊另辟蹊徑，轉向垂直軸風力渦輪機。
游動的魚在它們的尾流中創(chuàng)造出水流運動的模式，類似于風力渦輪機產生尾流的模式。鄰近的魚并沒有受到這些水流模式的限制，反而利用它們來增強和協(xié)調自己的游動，因為相鄰魚之間的水流會產生建設性干擾，從而將“阻力”或對氣流的阻力降到最低。
從對魚群的研究中，Dabiri大膽提出了垂直軸風輪機的設想。垂直軸風輪機可以緊密地放置在一起，這樣它們可以捕捉到幾乎所有的風能，甚至風電場上方的風能。
而且Dabiri及其團隊還發(fā)現(xiàn)，如果相鄰的渦輪機以相反的方向交錯旋轉，那么相鄰渦輪機風速和方向的改變實際上有利于風電場的整體性能。
事實上，該團隊在加州理工學院風能優(yōu)化實驗室的研究發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)代水平軸渦輪機場相比，在高風速下，單位面積的發(fā)電量幾乎可以增加10倍。
商業(yè)化的挑戰(zhàn)
顯然，仿生學為提高可再生能源的效率和經(jīng)濟效益作出了大量的努力。然而，商業(yè)化步伐的緩慢似乎是其繼續(xù)前行道路上不可忽視的一個重要障礙。
造成這一局面的原因是復雜且相互交織的。就海洋能源而言，缺乏綜合的試驗設施是科學家們所關心的問題，特別是因為很難獲得海洋測試許可。沒有指定的測試地點以及來自政府與業(yè)界的專項資金，新技術難以獲得評估。
此外，在惡劣環(huán)境下的生存能力和環(huán)境影響也是清潔能源技術的主要關注點。
“硬件開發(fā)從本質上來說是緩慢而昂貴的，”Dabiri直言道。“利用生物靈感的想法通常很有吸引力，但開發(fā)一種能夠在現(xiàn)實世界中長期成功運作的技術是一項艱苦的工作。”
至于集中式的太陽能和潮汐能，其限制因素似乎更側重于經(jīng)濟方面。“利用潮汐能發(fā)電的想法并不新鮮，圍繞潮汐能已有成千上萬的專利，其中不乏一些絕妙的想法。而且有趣的是，對于潮汐能設備來說，這些想法大部分都是可行的，”Alam表示。“但問題是，你能生產出可以與化石燃料相競爭的能源嗎？”
究竟這些仿生技術中有多少將會得到大量推廣與廣泛應用，目前還不清楚。不過，為了地球的利益和人類的未來，很多人對此仍充滿期待�！�