IV. Преобразование энергии волн

Мир вод вздымающихся,
темный и глубокий.

Мильтон. "Потерянный рай"

Стоит произнести слово "океан", как перед глазами тут же предстают волны, играющие солнечными бликами, белопенные или темно-зеленые, подобные водяным горам. В этих волнах содержится энергия и, как считают ученые-океанологи, ее достаточно, чтобы электрифицировать весь мир, а создается она при участии морских ветров.

В солнечный, безветренный день океан спокоен. Волн почти нет, их энергии хватает лишь на легкое покачивание предметов: плотов и лодок, выброшенных бутылок и кусочков дерева, а также детей, плавающих с надувными кругами. Но как только небо посереет, поднимется ветер - усилится и волнение на море. Меняется ветер - то же происходит и с волнами, расходящимися по всем направлениям, вздымающимися и опадающими, с гребнями, покрытыми белоснежной пеной. Усилится скорость ветра - выше станут волны, еще стремительнее станет их бег. В них будет содержаться больше энергии, полученной от ветра. Причем, если высота волн возрастет в два раза, количество содержащейся в них энергии учетверится.

Высокие, мощные волны, можно сказать, переполнены энергией. Представьте себе силу волны, способной выбросить на крышу маяка камень весом 139 фунтов (69,5 кг). Такой случай имел место на Тилламук Рок, вблизи побережья Орегона. Маяк был установлен на утесе на высоте 135 футов (40 м) над уровнем моря. Во Франции волны перебросили валун весом 2700 кг через дамбу в Шербуге, высота которой была 20 футов (6 м). На Гавайях во время штормов прибой высотой 100- 200 футов (30-60 м) обрушивается на лавовый берег Оаху, и это вполне обычное явление для тех мест.

Огромная энергия, заключенная в волнах, обратила на себя внимание еще в те времена, когда отправлялись в первые дальние плавания моряки. В девятнадцатом веке сэр Джон Мюррей, один из известнейших в мире океанографов, отмечал сокрушительную силу водяных валов. В вахтенном журнале он записал: "Я наблюдал волны, вздымающиеся на 60 футов". Однако самая высокая волна, замеченная в открытом океане, достигала высоты 112 футов (35 м). Это произошло в 1933 году. Лунной февральской ночью танкер ВМС США "Рамапо" плыл по ветру в бушующем Тихом океане. Ветер, не встречая на своем пути в открытом океане никаких препятствий на протяжении тысяч миль, достиг ураганной силы. Стоявший на капитанском мостике дежурный офицер завернулся в клеенчатый плащ и крепко держался за поручни, когда вдруг увидел, что за кормой поднимается необычайно высокая волна. Когда она достигла корабля, офицер заметил по мачте, под каким углом виден ее гребень, вычислил угол, под которым плыло судно, измерил высоту мачты, а остальное было делом геометрии. В результате расчета оказалось, что высота волны составляла 112 футов, что можно сравнить с высотой двенадцатиэтажного дома.

Косвенным образом гигантская энергия, заключенная в волнах, также является внеземной. Ее источник - солнце, которое рождает ветры. Ветры, в свою очередь, посредством взаимодействия воздуха и воды, порождают волны.

В отдельных районах мира, там, где ветры не обладают большой точностью, волны чаще всего низкие и слабые. Но в тропическом поясе (севернее и южнее экватора), в северной части Тихого океана, вокруг Британских островов ветром вызывается гораздо более сильное волнение на море, и энергия волн уже значительна. По полученным недавно оценкам специалистов, она равна примерно 30% всей энергии, используемой в мире. Такие цифры, естественно, побуждают многие страны финансировать исследования в области использования волновой энергии. Министерство энергетики США не так давно заявило, что только в северной части Тихого океана преобразование энергии волн дало бы от 5 до 50 мегаватт электричества на километр побережья. Профессор физики Эдинбургского университета (Шотландия) Стефан Солтер подсчитал, что 300-мильная (480-километровая) цепь изобретенных им устройств, размещенная в Атлантике вокруг Гебридских островов, сможет преобразовать в электричество такое количество волновой энергии, что его хватит для снабжения всей современной Великобритании.

В течение многих лет по мере сбора и анализа информации о волнах ученые-океанологи задумывались об использовании их энергии на благо людей. Однако без ответа оставался самый главный вопрос: каким способом можно эффективно и экономично извлекать значительное количество этой энергии.

Число энтузиастов, старавшихся найти решение, столь велико, что лишь в одной Англии в период с 1856 по 1973 год было зарегистрировано более 340 патентов на генераторы, использующие энергию волн. Суть большинства изобретений, особенно недавних, состоит в создании своего рода поплавков, плавающих по волнам. В таких поплавках подъемы и спады волн приводят в действие вращающиеся устройства, которые преобразуют кинетическую энергию волн в механическую. Не правда ли, просто? Да, однако все эти проекты так и остались на бумаге.

Лишь в последней четверти двадцатого столетия были выдвинуты на рассмотрение эффективные проекты, после того как британское министерство энергетики финансировало ряд исследовательских работ в этой области. Естественно, применять изобретенные устройства предполагалось в местах, где волны обладали наивысшей активностью: на побережье Атлантического океана, Ла-Манша и Северного моря. К 1979 году среди всех этих проектов на первое место вышли четыре: "нырок" Солтера, плот Кокерелла, колеблющаяся водная колонна (резервуар) и выпрямитель Рассела.

"Нырок" был придуман доктором Стефаном Солтером, который является не только профессором физики, но и инженером-механиком, специалистом по искусственному интеллекту и изобретателем. Идея проекта возникла у Солтера совершенно случайно. Сам он объясняет это таким образом: "Когда в 1973 году я простудился, моя жена (с бессердечным равнодушием к моему недомоганию) заявила: "Прекрати изнывать от жалости к самому себе. Почему бы тебе не заняться разрешением проблемы энергетического кризиса?" Устройство, которое она хотела получить, должно было бы производить необходимое количество энергии, работать не нанося вреда окружающей среде, быть пригодным к функционированию в зимних условиях Шотландии и создавать энергию вечно".

Профессор физики Солтер представил себе бурные волны, плещущие вдоль побережья Шотландии. Инженер Солтер проделал кое-какие вычисления и поразился тому количеству энергии, которое из них можно было бы извлечь. Изобретатель Солтер прикинул в уме проект простого устройства для извлечения энергии, напоминающего поплавок, который поднимается и опускается вместе с волнами, приводит в действие насос и производит электрический ток. Все, что ему тогда требовалось, это динамометр, чтобы измерить работу, совершаемую поплавком, и помещение, где можно было бы собрать его. Запасясь бальсовым деревом и клеем, транзисторами и динамометром, он взялся за работу.

Созданное им детище по форме напоминало продолговатую каплю. Плавая в баке с водой, оно покачивалось, словно ныряющая утка, - отсюда и произошло его название.

Первая модель могла преобразовать около 15% волновой энергии. Этот результат уже был хорош сам по себе. Когда последовательное совершенствование конструкции "нырка" позволило довести его эффективность до 90%, правительство предложило финансовую помощь. Вскоре в университете был построен новый большой водный бассейн (самый большой в Европе), и работа пошла всерьез. Группа Солтера занялась дальнейшим улучшением конструкции "нырка", одновременно стремясь соединить отдельные компоненты в гибкую плавучую цепь.

Во время первых испытаний вне стен лаборатории, в Дрейкоте, цепочка "нырков", размером всего в одну пятидесятую часть от запланированного, работала столь успешно, что группа немедленно приступила к подготовке более мощной модели - в одну десятую полной величины - для испытаний в озере Лох-Несс. Следующим этапом будет полномасштабное создание цепочек таких устройств и постановка их на якорь вдоль берегов, разумеется, таким образом, чтобы они не находились на пути морских судов.

Прислонясь к цементной стене университетского бассейна, с отсутствующим видом, столь характерным для него, Солтер с готовностью описывает проектируемые им модели в натуральную величину. Они будут состоять из гигантских стальных и цементных ячеек, каждая размером с дом. С карандашом в руках Солтер тут же рисует, что будет происходить в открытом море. Набегающие волны приведут в действие вращающиеся гидравлические насосы. Насосы под давлением подадут воду на турбогенератор, который начнет вырабатывать электричество, передаваемое на берег по подводному кабелю.

Как много энергии можно получить таким способом? Группа Солтера рассчитывает, что с одного метра цепи, состоящей из таких "нырков", изготовленных в натуральную величину, можно будет получать в среднем от 30 до 50 киловатт электричества. Цепь длиною 300 миль (480 км), как уже упоминалось выше, способна удовлетворить все современные потребности Великобритании в электроэнергии.

И осуществлено все это может быть задолго до 1990 года.

"Не нужно упускать из виду и то,- подчеркивает Солтер,- что "нырки", по-видимому, отвечают всем требованиям, предъявляемым миссис Солтер. Они не загрязняют окружающей среды и безопасны в употреблении, производят значительное количество энергии и способны функционировать если и не вечно, то, во всяком случае, достаточно долго".

Между южным берегом Англии и островом Уайт протекает бурный поток, известный под названием Солент. На его пенистые волны в апреле 1978 года директор "Вэйвпауэр лимитед", сэр Кристофер Кокерелл, вывел на первые испытания свой плот. Вместе с ним в испытаниях принимали участие менеджер проекта и заместитель секретаря парламента по энергетике Алекс Иди. По сообщению сэра Кристофера, эксперименты с установкой, мощностью в одну пятидесятую часть от запланированной, уже проводились. "Однако осуществлялись они лишь в водных бассейнах. Сегодня же наша цель заключается в проверке установки, размеры которой составляют одну десятую часть натуральной величины, в морских условиях". Менеджер проекта добавляет: "Сегодняшние морские эксперименты должны доказать, что использование энергии волн - не выдумка ученых, а реальное, разумное предложение". Он объяснил также, что испытания проводятся далеко не в идеальных условиях, так как при юго-западном ветре волны Солента набирают силу в десять раз меньшую, чем волны Северной Атлантики вблизи побережья Гебридских островов.

'Нырок' Солтера

Конструкция плота была придумана сэром Кристофером в 1971 году. Он состоит из трех соединенных на шарнирах понтонов, которые, находясь на плаву, повторяют движение волн. Их подъемы и спады приводят в движение гидравлические тараны, соединяющие понтоны. Эти сжатия и растяжения передаются рабочей жидкости, которая приводит в действие гидравлический генератор, вырабатывающий в результате этого электрический ток.

Плот изгибается на волнах, а специальное устройство, управляемое компьютером, контролирует процесс преобразования энергии волн. Располагается оно на находящейся неподалеку барже и соединяется с плотом при помощи кабеля. Периодически выдаваемые сообщения позволяют судить о характере волнового движения, выходной мощности установки и напряжении.

Хотя установка величиной в одну десятую от проектных параметров производит лишь один киловатт электроэнергии, специалисты "Вэйвпауэр лимитед" подсчитали, что одиночный плот, размеры которого составляют 50 метров в ширину и 100 метров в длину (что соответствует размерам целого городского квартала), при благоприятных морских условиях будет способен генерировать 2 мегаватта электроэнергии (один мегаватт равен тысяче киловатт). Уже в скором времени предполагается создать цепь плотов в открытом море у берегов Шотландии и в Ла-Манше. В оптимальных условиях такая цепь длиною в 15 миль (25 км), как ожидается, разовьет мощность, равную 500 мегаваттам.

Тем временем ряд проблем еще нуждается в разрешении. Необходимо усовершенствовать плавучие конструкции, создать более простые и надежные в эксплуатации якоря, увеличить срок действия и повысить устойчивость их к воздействию коррозии.

Говоря о глобальных перспективах использования энергии волн, сэр Кристофер осторожно отметил: "Развитие таких методов находится еще в начальной стадии. Однако при условии, что правительство не прекратит финансовой поддержки, прототип волновой электростанции может быть создан уже в 80-х годах".

Колеблющаяся водная колонна (или резервуар) - установка, разработанная в Национальной технической лаборатории Великобритании, в корне отличается от "нырка" Солтера (университетский проект) и плота сэра Кристофера (частное коммерческое предприятие).

Это устройство использует действие волн для сжатия воздуха и производства таким образом электричества.

Плот Кокерелла, уменьшенный в несколько раз, во время испытаний

Идея колонны заимствована у японского морского офицера Ю. Масуда, который изобрел плавучий волнолом. Масуда обнаружил; что если волнолом сделать в виде переверну" той коробки с отверстиями в верхней части, то высота волн внутри него будет значительно меньше, чем снаружи, так как волны будут сглаживаться под воздействием потоков воздуха, проходящих через отверстия. Он обнаружил также, что интенсивные воздушные потоки постоянно то поступают внутрь камеры, то выходят из нее вследствие подъемов и спадов волн.

В Национальной технической лаборатории разрабатывается модель колеблющейся водной камеры другого типа - кольцевидного буя, предназначенного для создания воздушного давления. Он представляет собой полое кольцо тороидальной формы с прорезями или отверстиями наверху. Плавая по воде, он поднимается и опускается вместе с волнами, вызывая тем самым сжатие воздуха, поступающего вовнутрь через прорези, что приводит в действие турбину.

Несмотря на то что разработка колеблющейся водной камеры находится на ранней стадии развития, она представляет собой более современную и сложную установку, похожую внешне на плавучую коробку без дна. Уже решен вопрос, каким образом возможно вращение турбины в одну сторону, если поток воздуха, поступающий через прорези, постоянно меняет направление. Для этой цели используются клапаны, пропускающие воздух, вращающий турбину лишь в одном направлении.

Внимание исследователей привлекает и выпрямитель Рассела. Эта установка регулирует движение воды так, что она поступает на турбину только с одной стороны.

Вот как она устроена. Несколько прямоугольных резервуаров закреплены на якорях в открытом море, при этом некоторые из них находятся над, а некоторые - под поверхностью воды.

Между верхними и нижними резервуарами расположен турбогенератор. Волны нагоняют воду в верхние резервуары. Оттуда она (через невозвратные клапаны) стекает вниз, приводит в движение турбогенератор, производя тем самым электричество, и выливается наружу. Выпрямитель Рассела, вызывающий особый интерес у специалистов Национальной технической лаборатории, в 1980 году находился все еще на начальной стадии разработки.

Колеблющийся водный резервуар-колонна, или осциллирующий водяной столб

Еще один способ извлечения энергии волн - комбинированный, позволяющий использовать сразу три источника энергии: волны, ветер и солнце.

Ни один из них никогда не рассматривался как решение энергетического кризиса, так как волны не всегда обладают достаточной силой, ветер не всегда дует с нужной скоростью, солнце в разные часы светит с разной интенсивностью.

"Волны, ветры и солнце - непостоянные источники энергии, но это не причина, чтобы их не использовать",- считает профессор Энтони Перанио.

Он запатентовал ряд проектов и моделей для использования энергии альтернативных источников. К одному из них относится комбинированная установка по преобразованию как энергии волн, так и энергии ветра. Как объясняет автор, она может быть размещена на судах, сообщающихся с берегом с помощью кабеля. Конструкция ее достаточно проста и состоит, по сути дела, из двух частей: головного резервуара, расположенного в корпусе судна, и наклонной плоскости, которая может регулироваться в зависимости от высоты (рисунок на стр. 71). Когда наклонная плоскость помещается в море, волны, набегая на нее, перекатываются и попадают в резервуар. Затем вода выпускается на специальную, низконапорную турбину, установленную на судне. Это необычная турбина. Она способна вращать генератор для выработки электричества, приводить в действие компрессор для сжатия воздуха и насос для накачивания резерва воды, используемой затем для производства электроэнергии.

Несмотря на простоту конструкции, установка генерирует значительное количество электроэнергии, больше - когда волнение моря сильнее, меньше - когда оно относительно спокойно. Но даже в те дни, когда высота волн достигает 6-7 футов (около 2 м), а скорость ветра- 16-18 миль (25-28 метров в час), установка Перанио может вырабатывать 1,5 мегаватта электричества на каждые 325 футов (100 м3) налившейся в резервуар воды. Эта мощность может быть увеличена на 0,25 мегаватта, если использовать и ветер. Для этого требуется всего лишь установить два пропеллера, соединенных с системой, использующей энергию волн.

Волно-ветряные преобразователи могут также быть смонтированы на стальных каркасах, находящихся на причале в качестве волноломов-энергопроизводителей. Вычисления показывают, что пятнадцать таких каркасов, каждый по 325 футов (100 м) длиной, смогут обеспечить электричеством населенный пункт с двадцатитысячным населением. При этом поток энергии будет постоянным, так как наклонные плоскости будут автоматически подстраиваться под высоту волн, а каркасы волноломов поворачиваться, ориентируясь по направлению ветра и волн.

Выпрямитель Рассела

Перанио считает, что в случае комбинированного использования его волно-ветряных преобразователей и солнечной энергосистемы можно получить действительно стабильный и непрерывный поток электроэнергии. "Когда ветер стихает, наиболее вероятно, что выдастся ясный и солнечный день, а это позволит эффективно использовать энергию солнца,- поясняет он.- С другой стороны, когда небо затянуто облаками - преобладают сильные ветры". Перанио указывает, что его установки с географической точки зрения вовсе не обязательно должны быть установлены в водах Средиземного моря. Они могут применяться для дополнения солнечных энергосистем и в средних широтах, так как если летом там интенсивно светит солнце, а ветер и волны слабеют, то зимой все происходит наоборот - солнце дает меньше тепла и света, зато энергия ветра и волн достигает наивысшего

уровня.

Специалисты рассчитывают создать работающую энергосистему такого комбинированного типа. Технология ее проста, недорога, и вполне реальна. Необходимые капиталовложения невелики, волны и ветры бесплатны, а для многих людей в процессе строительства и управления такими установками появится возможность получить работу.

Самыми первыми создателями действующих, долговечных и эффективных преобразователей энергии волн были японцы. Речь идет о портовых бакенах или буях. Изобретены они были Масудой и, используя энергию волн, функционировали как сигнальные огни или портовые маяки. Существует два типа подобных бакенов. Одни в качестве основных преобразователей энергии имеют плунжеры - длинные поршни, приводимые в действие движением волн по вертикали. Другие - механизмы маятникового типа, которые раскачиваются по мере раскачивания волн. В настоящее время сотни таких бакенов функционируют в прибрежных водах не только Японии, но и других стран мира. Они особенно ценны тем, что практически не требуют ухода и внимания.

Комбинированная установка по преобразованию энергии волн и ветра

Новейший японский энергетический проект имеет своей целью использовать огромный волновой потенциал Японии в крупных масштабах. В его основе - плавучая экспериментальная станция стоимостью 3,1 миллиона долларов. Это судно "Каимеи" водоизмещением 450-500 т, которое было построено для производства работ в Японском море, где средняя высота волн составляет 10-13 футов (3-4 м). "Каимеи", поддерживаемая на плаву с помощью четырех воздушных камер, имеет довольно большие размеры: 264X40 футов (80X12 м). Она имеет также 22 воздушных отсека, в которых и аккумулируется энергия волн. Волны оказывают давление на воздух, который вращает турбину, вырабатывающую электрический ток с помощью трех генераторов.

Первые испытания "Каимеи" были проведены вполне успешно, поэтому в будущем планируется увеличить число генераторов. После этого придет время строительства станции мощностью 20 мегаватт, которая будет передавать электрический ток по подводному кабелю на сушу.

В создании установок, использующих энергию волн, хотя и в меньшей степени, участвуют и другие страны. В Соединенных Штатах в Скриппском институте океанологии профессор Джон Исаакс и инженер Давид Кастел работают над остроумным проектом - водяным насосом, приводимым в действие волнами, высота которых достигает 13 футов (4 м). Это довольно простое устройство, состоящее из вертикальной трубы, плавучего бакена с клапаном в днище. Пока что были проведены (и успешно) испытания такой установки длиной 300 футов (90 м) в заливе Канеох (Гавайи). В установке вода закачивается в резервуар для создания необходимого давления, после чего она под давлением поступает на турбогенератор, производящий электрический ток.

В Вашингтонском университете в результате работы семинара по океанской инженерии был создан ряд проектов: отводной абсорбер Солтера, полностью загерметизированный бакен и "колеблющийся клин".

В Канаде деятельность, направленная на использование энергии волн, основывается в первую очередь на британских проектах, уже обсуждавшихся в этой книге: "нырок", плот Кокерелла, колеблющаяся водная камера и выпрямитель Рассела.

Очевидно, что все рассмотренные установки, несмотря на весьма хитроумную подчас конструкцию, могут быть построены в целях производства значительных количеств энергии, если имеется в наличии энергия волн. Поэтому их испытания проводятся большей частью в штормовых водах Британских островов и Японии. Что касается нежелательного влияния на окружающую среду или других недостатков, то, видимо, они касаются только возможного неудобства для кораблей и рыбацких судов. Однако все это можно учесть, имея на руках навигационные карты морских трасс. Зато такие установки имеют два больших преимущества. Плавучие станции могут быть использованы для приманки рыбы и уменьшения эрозии берегов.

В настоящее время очень трудно предположить, какая из вышеупомянутых энергосистем окажется наиболее эффективной и экономичной, надежной и простой в обслуживании. Никто не знает, какая из них будет лучше функционировать в морских условиях (речь идет не только о непредсказуемости силы волн, но и о влиянии ветров, течений и приливов). Будут ли они плавать или закрепляться на дне, будет это "нырок", выпрямитель волн или колеблющаяся водная камера? Может быть, в конечном итоге будет создана комбинированная система извлечения энергии из волн, ветра и солнца? Может быть, конструкция этой системы будет основываться на материалах, которые еще не изобретены? Только время ответит на все вопросы, и, как считают специалисты, время это не за горами. Когда примерно? Скорее всего в 1985-1990 годах.

А пока рассмотрим еще одно научное направление, цель которого - попытаться использовать энергию течений, которые подобны рекам, текущим в море.