Биомимикрия: уроки природы для энергетики

Каждый год энергетические компании тратят миллиарды на исследования и разработки, ища самые новые и умные конструкции. Несмотря на это, эволюция все еще имеет преимущество, вкладывая миллиарды лет в пробы и ошибки. Многие прорывы были созданы с помощью биомимикрии, идеи, которая гласит: «Если вы не можете победить их, почему бы не скопировать их?».

Одним из наиболее узнаваемых примеров биомимикрии является Velcro®, оригинальная застежка-липучка, вдохновленная крючковатыми семенными стручками растений лопуха. Часто биомиметические конструкции приходят из университетских исследований, что приводит к запатентованным продуктам, которые могут оптимизировать энергетическую среду.

Биоволновая приливная энергия

Австралийская компания Tidal power technology company BPS разработала два различных устройства для приливной энергии, основанных на морской жизни, что позволяет улучшить гидродинамику.

Биоволновое приливное энергетическое устройство имитирует качание подводных растений, используя океанские волны для выработки энергии. Это означало бы более последовательное энергоснабжение, чем более распространенный подход лунного прилива.

Эта технология должна захватывать движение от волн, но слишком большое сопротивление может повредить машину. Из-за этого машина имитирует форму морских растений, позволяя воде проходить там, где это необходимо.

Компания также разработала меньшую приливную энергетическую систему, смоделированную вокруг рыбьих плавников. Биопоточный приливный генератор имеет форму, позволяющую перемещаться по воде, двигаясь назад и вперед с помощью волн. Это уменьшает износ, но также означает меньшее воздействие на окружающую среду. Это медленное движение затем создает гидравлическое давление и становится электричеством, посылаемым на берег по кабелю.

Biome Renewables PowerCone®

Во многих странах виды зимородков наблюдают за реками в поисках идеального времени для ныряния за мелкой рыбой. Когда зимородок входит в воду, он почти не создает помех на поверхности. Естественно пронзительная форма его клюва вдохновила многочисленные проекты, в том числе знаменитый японский поезд-пуля.

PowerCone® захватывает ветер, который в противном случае дул бы над центральной турбиной

Это также дало Biome Renewables идею для PowerCone®. Это приспособление помещается на центр существующих турбин и использует свою спиральную форму для перераспределения большего количества воздуха к лопастям турбины. Компания говорит, что это делает турбину более аэродинамичной и более эффективной.

Это означало бы меньше шума и больше мощности, что позволило бы быстрее довести турбины до минимальной нагрузки. Biome Renewables обещает увеличить выработку электроэнергии из своего продукта на 13%.

Спирали Фибоначчи для концентрированных солнечных батарей

При перепроектировании концентрированных солнечных батарей, чтобы сэкономить место, профессор Александр Митсос обнаружил, что макет напоминает спираль из многих цветочных лепестков.

Многие цветы выстраивают свои лепестки и семена в соответствии с математическим рядом, известным как последовательность Фибоначчи. Эта закономерность возникает в результате сложения двух предыдущих чисел: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, и так далее. Для многих цветов число семян в любой спирали от центра цветка будет числом Фибоначчи. Впечатляюще, что это обычно работает в обоих направлениях.

Ботаники предположили, что такое расположение может помочь цветам собрать как можно больше семян. В своем исследовании для Массачусетского технологического института профессор Митсос указал, что установка солнечных отражателей, подобных этому, может уменьшить площадь, необходимую для панелей, на 20%, не влияя при этом на выходную мощность.

«Концентрированная солнечная тепловая энергия требует огромных площадей. Если мы говорим о переходе на 100% или даже 10% возобновляемые источники энергии, нам понадобятся огромные площади, поэтому мы лучше используем их эффективно.»

Солнечные гелиотропы и пассивное слежение за солнцем

Подсолнухи также вдохновили инновации в области фотоэлектрических панелей. В период цветения головки подсолнечника естественным образом следуют за солнцем по дневному небу. Если бы статические солнечные батареи могли пассивно делать то же самое, аналитическая фирма WoodMackenzie оценивает, что они будут генерировать до 35% больше энергии.

Фотоэлектрические элементы работают лучше всего, когда солнечный свет непосредственно обращен к ним, но большинство панелей остаются статичными, когда солнце движется вокруг них. Панели можно заставить вращаться в одном или двух направлениях, каждое из которых увеличивает их потенциальную генерацию.

Большинство систем делают это с двигателями, что означает затраты энергии и технического обслуживания. Кроме того, их вес и стоимость часто исключают их для внутренних покупателей. Из-за этих факторов несколько компаний и университетов стремились сделать свои панельные крепления более похожими на головки подсолнечника, которые естественным образом следуют за солнцем в течение всего дня.

Одна команда из Массачусетского технологического института установила испытательный солнечный модуль на арке из двух металлов. Когда солнце нагрело их, они расширились и деформировались, изменив угол наклона панели сверху. В других местах инженеры работали над системами, достаточно легкими для установки на крышах домов. Инженеры SunPoint Technology разработали механическую систему для наклона своих солнечных панелей, которая, по их словам, может пассивно генерировать на 23% больше энергии.

Рассеивая свет, как крылья бабочки
Крылья бабочки имеют много отверстий для рассеивания света

В то время как солнечные гелиотропы стремятся решить проблему снижения генерации, другая биомимикрическая конструкция просто стремится устранить эту проблему.

Исследователи из Калифорнийского технологического института в США и технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии стремились повысить эффективность тонкопленочных солнечных фотоэлектрических элементов. 

Исследователь KIT Раднавул Сиддик говорит: «Я был на конференции, и кто-то рассказывал о бабочках и их наноструктурах, и я был заинтригован. Многие насекомые берут свои цвета из наноструктур.»

В случае розовой бабочки, черный цвет их крыльев помогает им эффективно поглощать свет для тепла. Чтобы найти эту светопоглощающую структуру, исследователи затем посмотрели на бабочку под электронным микроскопом. Крылья были полны микроскопических отверстий, которые рассеивали свет, падающий на них. Это, в свою очередь, означало, что бабочка может поглотить больше тепла, и что солнечные батареи могут использовать эту структуру, чтобы поглотить больше энергии.

Команды опубликовали свои результаты в журнале Science Advances journal. Их исследование привело к созданию фотоэлектрической панели, основанной на этой структуре, которая захватывала примерно в два раза больше света, когда находилась непосредственно под источником света. При углах до 50°, подобных вечернему солнцу, панели улавливали в три раза больше света. В июле дальнейшие исследования в университете Оулу изучили больше бабочек, и им удалось увеличить ток короткого замыкания на 66%.

Конструкции лопастей ветротурбин

Еще одно новшество турбины было вдохновлено грудными плавниками горбатых китов. Форма этих передних «ласт» эволюционировала, чтобы включать небольшие выпуклости на их переднем крае, известные как бугорки. Форма бугорков толкает встречную воду в более сжатые, более быстрые потоки между бугорками. Это уменьшает сопротивление плавника, позволяя китам быстрее двигаться по воде.

Тот же эффект применяется к лопастям ветряных турбин, которые могут использовать бугорки, чтобы вращаться быстрее с меньшим сопротивлением, генерируя больше энергии. Эта концепция также применима к вертолетным винтам и лопастям вентилятора, что означает меньшее потребление энергии. Базирующаяся в Торонто компания Whalepower протестировала одну конструкцию, генерирующую мощность от ветра 10 миль в час, который обычно требует 17 миль в час.

Вибро-ветровые генераторы

В то время как многие природные источники повлияли на инновации в ветровых турбинах, одна университетская команда нашла способ полностью избавиться от турбины.

Исследовательская группа вибро-ветра в Корнельском университете в США разработала машину для преобразования вибраций от энергии ветра в электричество. Дизайн был вдохновлен трепетом листьев на ветру и тем, как растения относятся к этой энергии. Там, где естественные конструкции рассеивают энергию, университетская команда будет стремиться захватить ее.

В конструкции используются пьезоэлектрические элементы, обеспечивающие расчетную мощность 54 Вт/м². Для сравнения, стандартные фотоэлектрические солнечные панели производят примерно 60–100 Вт/м². Прототип генерирует электричество со скоростью ветра 2 м/с, что значительно ниже, чем 9 м/с, обычно требуемых для ветрогенерации.

Команда надеется, что дизайн будет привлекателен для городских жителей из-за его небольшого размера и привлекательности.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ