2012/03/31 by jixin

【JFS文章】蜻蜓开拓新未来―学自蜻蜓的微型生态风车

JFS时事通讯No.113(2012年1月号)

系列:JFS“向大自然学习”项目第4集

版权所有 日本文理大学 微型流体技术研究所

2011年11月,于东京举办的生态技术展示会上,展出了直径约50厘米的小风车。它的主体部分是一只塑料瓶,附上4叶由超薄塑料板凹凸相间折叠而成的翅膀。小风车感应到极其微弱的风就能旋转,从而点亮安装在发电机上的LED灯。

这款玩具般小巧的风车内,有学自于蜻蜓翅膀构造和蜻蜓飞翔原理的智慧,蕴含了解决我们社会能源问题的可能性。本次时事专题,我们采访了这款风车的研发者—日本文理大学的小幡章教授,集中向大家介绍从蜻蜓身上学到的东西,以及这款风车独有的特征和可能性。

 

意象图:本照片来自于isfppoet.部分版权保留

航空学专业的小幡教授与蜻蜓研究结缘,始于2005年。由于其“昆虫型超小型飞翔机器人的研究开发”项目得到了日本文部科学省的赞助,自2005年开始的5年间,小幡教授一直致力于开发活用了蜻蜓飞翔原理的机器人。

作为学习蜻蜓飞翔原理的第一步,小幡教授的研究室首先开发了世界上首台大型可视化水槽。该水槽可以使与蜻蜓相当的缓速运动的翅膀周边的空气流动,利用水流来放大观察。这是运用“只要满足一定条件,水流也能正确模拟空气流动”这一理论,设法使水的流线和漩涡可见的特殊回流水槽。使用该水槽就能明晰蜻蜓翅膀是靠什么原理制造出升力的。

蜻蜓的翅膀,就好像超薄的纸凹凸相间折叠而成一般。通过可视化装置观察发现,蜻蜓正是利用这种凹凸在翅膀上方制造数个小型漩涡,像传送带一般使空气向后流动从而产生升力,同时,在飞翔过程中,通过将黏着在翅膀周边的空气排向后方来降低空气阻力从而达到飞行的目的。

版权所有 日本文理大学 微型流体技术研究所

成功开发了这种活用了蜻蜓翅膀构造和飞行原理的小型飞行机器人后,有一天小幡教授被朋友问道:“那么这个机器人到底有什么用呢?”这句话让小幡教授深受震撼,立志要“利用蜻蜓的智慧制造出有实用性的东西”。

蜻蜓擅长利用微风飞行。这是与积极推行高速化·高输出化而发展起来的现代工业社会背道而驰的。能不能很好地利用这种自然界的蜻蜓的长项呢。反复思考后小幡教授最终想到的是在风力发电机翼片上的运用。之后的3~4年间,经历了无数次失败运行后,微型生态风车终于诞生了。

日本的大部分大型风车,是模仿欧洲风车的构造,只适用于匀速且同方向吹来的风。而在日本,风的强弱和方向多种多样,这种大型风车不一定适用于日本的风土气候。比如风力微弱的时候风车会无法运转等等。但微型生态风车即使连上发电机,那怕是每秒30厘米的微风也能使之正常运转。

其次,制造能抗台风等大型风暴的风车向来花费不菲。而微型生态风车的翼片具有在强风下顺风弯曲,能巧妙地避开风头降低电力输出的特征。也就是说,这款微型生态风车,在强风下能避开风头不致损坏,在弱风时亦可以持续运转,其构造能充分利用日本特有的气候。

视频‘新型风力发电

画面1:“微型·生态风车”改变世界!

画面2:蜻蜓翅膀周边的空气流动

画面3:将用金属仿制的蜻蜓翅膀放入水槽,就会发现翅膀凹陷部分产生了一些小型漩涡。通过把这些自动铅笔芯一样大小的漩涡像传送带般向后传送来制造升力。

画面4:利用了蜻蜓的构造的微型·生态风车

画面5:活用蜻蜓翅膀的构造,设计微风下即可运转并且在台风程度的强风(风速4Cm/s)中也不会损坏的“微型·生态风车”。

画面6:作为实现历来的风车无法达到的“设备简单化”“低成本化”的新型风车,目前,其实用化的过程备受关注。

画面7:“蜻蜓翅膀的构造”“微型·生态风车”成功申请专利。

画面8:“微型·生态风车”于国立科学博物馆“生态技术和生活模式展”(2010年10月~2011年2月)中被展出。

此外,目前投入使用的多数风车,都是借助风力使翼片高速旋转,从而向发电机传输快速旋转来制造电流的。而微型风车因为能低速高效旋转,所以不会产生大型风车那样的低频率噪音问题。而且除了薄塑料,用厚纸片也能制作翼片,所以如有特殊状况发生,即使在风车旋转过程中直接用手来使之停止也是安全的。

如果充分发挥这种微型生态风车的特性,那么在发达国家,通过在公寓的阳台等处安装微型生态风车,就可以满足手机等信息终端设备和干电池的充电等家庭内的小型需求。而且,在经常停电的国家,即使不大规模地建设发电厂或者配备送电网,也足够供给当地诸如夜晚照明等所需的必要电力。小幡教授正在思考以实用化为目标进一步推进研究,在这些地区通过安全低价发电来提供电力的方法。

小幡教授的研究室,以这一微型生态风车的实际使用和普及为目标,目前正致力于2个课题的研究。第一是探讨把风能源的20%转化成电力并确保其稳定输出的办法。现今,从发电机实际所得的输出在2.5m/s的风速下可以达到15~20%。如果在这一可称之为日本平均风速左右的风力下很好地运转,并且能在可与发电机相关的各种电负荷条件下得到近30%的电力输出,那么作为谁都能在日常生活中轻松使用的梦幻风车,小型生态风车就可以得到普及。小幡教授表示:“要从零开始重新审视风车理论,结合最新的发电技术,实现30%的理想”。

另一课题是制造成本的问题。目前因为制作数量少,所以只得采用费时的制作方法。如果直接照搬这种方式大量投入生产的话,人工费就会增高。所以按照目前的制作方法,考虑到成本,只能在人工费低廉的国家生产,那么质量和性能难以确保等问题又将提上日程。因此,小幡教授正在探讨在日本这样人工费较高的国家,也能在确保高性能的基础上以较廉价的成本完成制作的途径,总成本最好能控制在1万日元左右。

最后,回顾从蜻蜓研究、机器人开发到微型生态风车开发的科研道路,以“向大自然学习”为主题词,我们听取了小幡教授的感想和他想向年轻一代说的话。

感想是:“我觉得,实地调查型的自然研究当然非常重要,而活用自然界构造的工程学型再现研究不仅能与之匹敌,还具有新的意义。因为这种研究不仅有益于环境保护,而且无论男女老少,任何身份任何地点都能参与都能为研究作贡献。通过参与可以获得幸福感,所以支持者的圈子会逐渐扩大。有幸福感,名为发现的幸运女神就容易到访。”

给年轻一代的话是:“大自然很精彩,可以学习的东西也无限多。然而,大自然并不会轻易为我们开启她神秘的大门,连大门所在之处也不会透露。那么,我们如何才能向自然学习呢。只要我们对自然现象哪怕一丁点的奇异保持怀疑的态度,并持续观察,就会找到大门所在。”

“就我个人的经验来讲,成功的秘诀在于可视化途径的开发。年轻的朋友们,希望你们也能制造出自己独有的可视化工具,开启通往自然奥秘的大门。只要找到这扇门,你的世界将焕然一新。立足于向自然学习,在这方面日本人一直处于领先地位,而且这也是我们必须做到的事情之一。”

从不同的角度重新审视我们周围的大自然,定能开拓无限新的未来。

图片来自Japan for Sustainability

参考资料:

关于空气流动的生态技术

http://www.nbu.ac.jp/topics/archives/kouza_20100612_obata.pdf

用微型生态风车改变世界!

http://www.nbu.ac.jp/topics/archives/mfrl-201011.pdf

解决信息化社会的能源问题 微型﹒生态风车是指?

http://www.nbu.ac.jp/fac_sub/engineering/aerospace/project/index.php#eco

了不得的自然课题:蜻蜓飞翔的秘密

http://www.nature-sugoi.net/topics/t3/page3.html

 

JFS“向大自然学习”项目广泛介绍国内外的此类事例。欢迎广大读者提供有趣的例子。

http://www.japanfs.org/ja/pages/031297.html

(撰稿 坂本典子)

本项目由 财团法人 日立环境财团(2011年度环境NPO支持)赞助实现。

JFS“向大自然学习”项目页面

 

翻译并转载自:

http://www.japanfs.org/ja/join/newsletter/pages/031653.html

翻译:吴雪远

校对:季新、松江直子

 

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