Технологии чистой энергии черпают идеи из природы

Леонардо да Винчи, при проектировании орнитоптера, был вдохновлен взмахами крыльев птиц, так как познать полет, попросту, ему больше было неоткуда

Когда говорят о возобновляемых источниках энергии, многие представляют поля с ветряными мельницами или крыши зданий, покрытых кремниевыми солнечными панелями, разработанными инженерами в высокотехнологичных лабораториях. Однако, исследователи постоянно работают над тем, чтобы сделать любые энергетические системы более эффективными и доступными, а некоторые ищут вдохновение в природе.

По оценкам ученых, у организмов и природных систем было в прошлом около 3,8 миллиардов лет для своего развития. Поскольку энергия - это жизненный ресурс, за это время были найдены энергоэффективные способы его расходования в процессе жизнедеятельности.

Например, ученые, изучающие движения крыльев насекомых в парении, обнаружили, что их кончики описывают восьмерки, сводя к минимуму потребление энергии. Такая энергосберегающая кинематика может помочь повысить эффективность миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), используемых для наблюдения.

Идея подражать природе для проектирования машин не нова. Леонардо да Винчи, при проектировании орнитоптера, был вдохновлен взмахами крыльев птиц, так как познать полет, попросту, ему больше было неоткуда. От мостов и зданий до управления водными ресурсами, в современном мире множество примеров биомимикрии в различных областях.

Сейчас, когда популярность возобновляемой энергии растет, ученые и инженеры стремятся понять природу, чтобы спроектировать устройства ветровой, морской и солнечной энергии таким образом, чтобы повысить эффективность и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

Солнечные спирали

В пустынном районе Андалусии, в Испании находится солнечная электростанция Gemasolar. Ферма, которой управляет Torresol Energy, состоит из 2 650 гелиостатов - зеркал, которые поворачиваются, двигаясь вслед за солнцем. Разветвляясь вокруг, они отражают солнечный свет в направлении башни высотой 150 метров. Центральная башня содержит расплавленные соли, которые могут хранить полученную энергию в течение длительного времени.

В захватывающей статье, опубликованной в Solar Energy еще в 2012 году, исследователи сообщали, что расположение гелиостатов для концентрированной солнечной электростанции, такой как Gemasolar, можно оптимизировать, имитируя спиральное размещение цветков в подсолнухе. Этот узор, называемый спиралью Ферма, часто встречается при расположении листьев на стеблях растений.

Исследователи обнаружили, что для солнечной электростанции с центральной башней эффективность гелиостатов, ближайших к башне, была выше. Следовательно, расположение их по спирали Ферма привело бы к уменьшению занимаемой площади и повышению эффективности для силовой установки. Вдохновение, взятое у подсолнухов, на этом не исчерпалось. Исследователи обнаружили, что наклон каждого гелиостата под «золотым углом» 137,5 ° относительно его соседа приведет к меньшей блокировке и потере солнечной радиации.

Энергия приливов

По некоторым данным, энергия, имеющаяся в волнах у побережья США, теоретически могла бы заменить в эквиваленте около 66% всей электроэнергии, произведенной в США за 2017 год. Чтобы раскрыть огромный потенциал океанов, исследователи черпают вдохновение из колеблющегося полета насекомых, птиц и летучих мышей для создания «колеблющихся подводных крыльев», чтобы извлекать энергию из приливов и отливов.

Обычные устройства для извлечения энергии из приливных течений вращаются. Колеблющееся судно на подводных крыльях напоминает крыло самолета, но с симметричным эллиптическим поперечным сечением, которое позволяет собирать энергию в периоды приливов и отливов. Судно на подводных крыльях вздымается в ответ на приливные течения, превращая энергию приливов в электрический ток.

Подъем на определенных частотах и колебание на определенных амплитудах приводит к генерации большого количества подъемной силы. Это похоже на естественные движения рыб и водных млекопитающих. В уменьшенном виде это устройство может хорошо функционировать и на мелкой воде.

Вдохновленные грязью

Некоторые находят свое вдохновение в довольно неожиданном месте - в грязи.

«Грязь может поглощать огромное количество энергии от океанских волн». Например, в прибрежном штате Керала на юго-западе Индии реки приносят обильную грязь к береговой линии во время муссонов. Грязь поглощает энергию волн, успокаивает воду, привлекает рыбу и дает местным рыбакам обильный улов.

Вдохновившись этим явлением, исследователи спроектировали искусственный «ковер» на морском дне, который поглощает энергию, как грязь, и преобразует ее для дальнейшего полезного использования. Потенциальные потребители включают в себя подводную аквакультуру и системы опреснения морской воды.

«В одной только Калифорнии, в среднем 35 киловатт энергии на метр береговой линии, идет к побережью из океана». «Это означает, что каждый метр калифорнийского побережья может обеспечить электропитание семи домов, если устройство будет работать с КПД 20%».

Рыбные турбины

Обычные ветряные электростанции используют ветряные турбины с горизонтальной осью, которые вращаются под прямым углом к ветру так же, как ветряные мельницы на фермах прошлых лет. Чтобы отдельные турбины с горизонтальной осью работали с высокой эффективностью, они должны быть расположены далеко друг от друга, чтобы схемы воздушного потока, генерируемые одной турбиной, не влияли на рабочие характеристики соседних турбин. Чтобы решить эту проблему, можно обратиться к ветряным турбинам с вертикальной осью.

Плавающие рыбы оставляют за собой следы, которые напоминают схему воздушного потока, создаваемого ветряными турбинами. Вместо того, чтобы сопротивляться этими потокам, соседние рыбы фактически используют их для облегчения и координации плавания: соединение соседних потоков между собой сводит к минимуму сопротивление при движении.

Если соседние турбины с вертикальной осью находятся в шахматном порядке и вращаются в противоположных направлениях, изменение скорости и направления ветра может фактически быть полезным для коллективной работы ветропарка. Фактически, мощность, генерируемая на единицу площади, может быть увеличена почти в 10 раз при высоких скоростях ветра, по сравнению с турбинами, имеющих горизонтальную ось.

Проблемы коммерциализации

Очевидно, что биомимикрия может быть использована для повышения эффективности и экономичности использования возобновляемых источников энергии. Однако существенным препятствием остаются медленные темпы коммерциализации.

Причины этого сложны и витиеваты. В случае с морской энергией, ученым трудно получить разрешения на испытания в океане. Новые технологии сложно оценить без обозначенных испытательных площадок и финансирования.

Использование в суровых климатических условиях и влияние на окружающую среду также относятся к основным проблемам для любой технологии «чистой» энергии.

«Разработка аппаратного обеспечения происходит медленно и дорого». «Идея использования биологического вдохновения обычно привлекательна, но создание технологии, которая сможет успешно функционировать в реальном мире в течение длительного времени, сложная задача».

Источник: Cosmos