ОКЕАНЫ ЭНЕРГИИ

Источники энергии будущего

Раздел: Наука

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 го-рам. В этих волнах содержится энергия и, как считают ученые-океанологи, ее достаточно, чтобы электрифици-ровать весь мир, а создается она при участии морских ветров.

В солнечный, безветренный день океан спокоен. Волн почти нет, их энергии хватает лишь на легкое покачива-ние 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 направ-лениям, вздымающимися и опадающими, с гребнями, по-крытыми 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, ко-личество содержащейся в них энергии учетверится.

Высокие, мощные волны, можно сказать, переполне-ны 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 вы-соте 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 океано-графов, отмечал сокрушительную силу водяных валов. В вахтенном журнале он записал: «Я наблюдал волны, вздымающиеся на 60 футов». Однако самая высокая вол-на, замеченная в открытом океане, достигала высоты 112 футов (35 м). Это произошло в 1933 году. Лунной фев-ральской 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. Стояв-ший на капитанском мостике дежурный офицер завернул-ся в клеенчатый плащ и крепко держался за поручни, ко-гда вдруг увидел, что за кормой поднимается необычайно высокая волна. Когда она достигла корабля, офицер заме-тил по мачте, под каким углом виден ее гребень, вычис-лил угол, под которым плыло судно, измерил высоту мач-ты, а остальное было делом геометрии. В результате рас-чета 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 – солн-це, которое рождает ветры. Ветры, в свою очередь, по-средством взаимодействия воздуха и воды, порождают волны.

В отдельных районах мира, там, где ветры не облада-ют большой точностью, волны чаще всего низкие и сла-бые. Но в тропическом поясе (севернее и южнее эквато-ра), в северной части Тихого океана, вокруг Британских островов ветром вызывается гораздо более сильное вол-нение на море, и энергия волн уже значительна. По полу-ченным недавно оценкам специалистов, она равна при-мерно 30% всей энергии, используемой в мире. Такие цифры, естественно, побуждают многие страны финанси-ровать исследования в области использования волновой энергии. Министерство энергетики США не так давно за-явило, что только в северной части Тихого океана преоб-разование энергии волн дало бы от 5 до 50 мегаватт элек-тричества 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 Великобри-тании.

В течение многих лет по мере сбора и анализа инфор-мации о волнах ученые-океанологи задумывались об ис-пользовании их энергии на благо людей. Однако без отве-та 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 генера-торы, использующие энергию волн. Суть большинства изобретений, особенно недавних, состоит в создании сво-его рода поплавков, плавающих по волнам. В таких по-плавках подъемы и спады волн приводят в действие вра-щающиеся устройства, которые преобразуют кинетиче-скую энергию волн в механическую. Не правда ли, про-сто? 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 финанси-ровало ряд исследовательских работ в этой области. Есте-ственно, применять изобретенные устройства предпола-галось в местах, где волны обладали наивысшей активно-стью: на побережье Атлантического океана, Ла-Манша и Северного моря. К 1979 году среди всех этих проектов на первое место вышли четыре: «нырок» Солтера, плот Ко-керелла, колеблющаяся водная колонна (резервуар) и вы-прямитель Рассела.

«Нырок» был придуман доктором Стефаном Солте-ром, который является не только профессором физики, но и инженером-механиком, специалистом по искусственно-му интеллекту и изобретателем. Идея проекта возникла у Солтера совершенно случайно. Сам он объясняет это та-ким образом: «Когда в 1973 году я простудился, моя жена (с бессердечным равнодушием к моему недомоганию) за-явила: «Прекрати изнывать от жалости к самому себе. Почему бы тебе не заняться разрешением проблемы энер-гетического кризиса?» Устройство, которое она хотела получить, должно было бы производить необходимое ко-личество 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 из-влечь. Изобретатель Солтер прикинул в уме проект про-стого устройства для извлечения энергии, напоминающе-го поплавок, который поднимается и опускается вместе с волнами, приводит в действие насос и производит элек-трический ток. Все, что ему тогда требовалось, это дина-мометр, чтобы измерить работу, совершаемую поплавком, и помещение, где можно было бы собрать его. Запасясь бальсовым деревом и клеем, транзисторами и динамомет-ром, он взялся за работу.

Созданное им детище по форме напоминало продол-говатую каплю. Плавая в баке с водой, оно покачивалось, словно ныряющая утка, – отсюда и произошло его назва-ние.

Первая модель могла преобразовать около 15% вол-новой энергии. Этот результат уже был хорош сам по се-бе. Когда последовательное совершенствование кон-струкции «нырка» позволило довести его эффективность до 90%, правительство предложило финансовую помощь. Вскоре в университете был построен новый большой вод-ный бассейн (самый большой в Европе), и работа пошла всерьез. Группа Солтера занялась дальнейшим улучшени-ем конструкции «нырка», одновременно стремясь соеди-нить отдельные компоненты в гибкую плавучую цепь.

 Во время первых испытаний вне стен лаборатории, в Дрейкоте, цепочка «нырков», размером всего в одну пя-тидесятую часть от запланированного, работала столь успешно, что группа немедленно приступила к подготов-ке более мощной модели – в одну десятую полной вели-чины – для испытаний в озере Лох-Несс. Следующим эта-пом будет полномасштабное создание цепочек таких устройств и постановка их на якорь вдоль берегов, разу-меется, таким образом, чтобы они не находились на пути морских судов.

Прислонясь к цементной стене университетского бас-сейна, 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 разме-ром 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 турбоге-нератор, 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 натураль-ную 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 электро-энергии.

И осуществлено все это может быть задолго до 1990 года.

«Не нужно упускать из виду и то,– подчеркивает Сол-тер,– что «нырки», по-видимому, отвечают всем требова-ниям, предъявляемым миссис Солтер. Они не загрязняют окружающей среды и безопасны в употреблении, произ-водят значительное количество энергии и способны функционировать если и не вечно, то, во всяком случае, достаточно долго».

Между южным берегом Англии и островом Уайт про-текает 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 сек-ретаря парламента по энергетике Алекс Иди. По сообще-нию сэра Кристофера, эксперименты с установкой, мощ-ностью 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 услови-ях». Менеджер проекта добавляет: «Сегодняшние мор-ские эксперименты должны доказать, что использование энергии волн – не выдумка ученых, а реальное, разумное предложение». Он объяснил также, что испытания прово-дятся далеко не в идеальных условиях, так как при юго-западном ветре волны Солента набирают силу в десять раз меньшую, чем волны Северной Атлантики вблизи по-бережья Гебридских островов.

Конструкция плота была придумана сэром Кристофе-ром в 1971 году. Он состоит из трех соединенных на шар-нирах понтонов, которые, находясь на плаву, повторяют движение волн. Их подъемы и спады приводят в движе-ние гидравлические тараны, соединяющие понтоны. Эти сжатия и растяжения передаются рабочей жидкости, ко-торая приводит в действие гидравлический генератор, вырабатывающий в результате этого электрический ток.

Плот изгибается на волнах, а специальное устройство, управляемое компьютером, контролирует процесс преоб-разования энергии волн. Располагается оно на находя-щейся неподалеку барже и соединяется с плотом при по-мощи кабеля. Периодически выдаваемые сообщения поз-воляют судить о характере волнового движения, выход-ной мощности установки и напряжении.

Хотя установка величиной в одну десятую от проект-ных параметров производит лишь один киловатт электро-энергии, 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 благоприят-ных морских условиях будет способен генерировать 2 ме-гаватта электроэнергии (один мегаватт равен тысяче ки-ловатт). 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, рав-ную 500 мегаваттам.

Тем временем ряд проблем еще нуждается в разреше-нии. Необходимо усовершенствовать плавучие конструк-ции, 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: «Разви-тие таких методов находится еще в начальной стадии. Однако при условии, что правительство не прекратит фи-нансовой 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.

Идея колонны заимствована у японского морского офицера Ю. Масуда, который изобрел плавучий волно-лом. Масуда обнаружил; что если волнолом сделать в ви-де перевернутой коробки с отверстиями в верхней части, то высота волн внутри него будет значительно меньше, чем снаружи, так как волны будут сглаживаться под воз-действием 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 разраба-тывается модель колеблющейся водной камеры другого типа – кольцевидного буя, предназначенного для созда-ния воздушного давления. Он представляет собой полое кольцо тороидальной формы с прорезями или отверстия-ми 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 пред-ставляет собой более современную и сложную установку, похожую внешне на плавучую коробку без дна. Уже ре-шен 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, вращаю-щий 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 ре-зервуаров закреплены на якорях в открытом море, при этом некоторые из них находятся над, а некоторые – под поверхностью воды.

Между верхними и нижними резервуарами располо-жен турбогенератор. Волны нагоняют воду в верхние ре-зервуары. Оттуда она (через невозвратные клапаны) сте-кает вниз, приводит в движение турбогенератор, произво-дя тем самым электричество, и выливается наружу. Вы-прямитель Рассела, вызывающий особый интерес у спе-циалистов Национальной технической лаборатории, в 1980 году находился все еще на начальной стадии разра-ботки.

Еще один способ извлечения энергии волн – комби-нированный, позволяющий использовать сразу три источ-ника энергии: волны, ветер и солнце.

Ни один из них никогда не рассматривался как реше-ние энергетического кризиса, так как волны не всегда об-ладают достаточной силой, ветер не всегда дует с нужной скоростью, солнце в разные часы светит с разной интен-сивностью.

«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 исполь-зования энергии альтернативных источников. К одному из них относится комбинированная установка по преобра-зованию как энергии волн, так и энергии ветра. Как объ-ясняет автор, она может быть размещена на судах, сооб-щающихся 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 тур-бину, установленную на судне. Это необычная турбина. Она способна вращать генератор для выработки электри-чества, приводить в действие компрессор для сжатия воз-духа и насос для накачивания резерва воды, используемой затем для производства электроэнергии.

Несмотря на простоту конструкции, установка гене-рирует значительное количество электроэнергии, больше – когда волнение моря сильнее, меньше – когда оно отно-сительно 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 вы-рабатывать 1,5 мегаватта электричества на каждые 325 футов (100 м3) налившейся в резервуар воды. Эта мощ-ность может быть увеличена на 0,25 мегаватта, если ис-пользовать и ветер. Для этого требуется всего лишь уста-новить два пропеллера, соединенных с системой, исполь-зующей 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 под-страиваться под высоту волн, а каркасы волноломов по-ворачиваться, ориентируясь по направлению ветра и волн.

Перанио считает, что в случае комбинированного ис-пользования его волно-ветряных преобразователей и сол-нечной энергосистемы можно получить действительно стабильный и непрерывный поток электроэнергии. «Ко-гда ветер стихает, наиболее вероятно, что выдастся ясный и солнечный день, а это позволит эффективно использо-вать энергию солнца,– поясняет он.– С другой стороны, когда небо затянуто облаками – преобладают сильные ветры». Перанио указывает, что его установки с геогра-фической 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 све-тит солнце, а ветер и волны слабеют, то зимой все проис-ходит наоборот – солнце дает меньше тепла и света, зато энергия ветра и волн достигает наивысшего уровня.

Специалисты рассчитывают создать работающую энергосистему такого комбинированного типа. Техноло-гия 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 ра-боту.

Самыми первыми создателями действующих, долго-вечных 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 порто-вые 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 маят-никового типа, которые раскачиваются по мере раскачи-вания 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.

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 по-мощью четырех воздушных камер, имеет довольно боль-шие размеры: 264×40 футов (80×12 м). Она имеет также 22 воздушных отсека, в которых и аккумулируется энер-гия 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 чис-ло генераторов. После этого придет время строительства станции мощностью 20 мегаватт, которая будет переда-вать 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 океаноло-гии профессор Джон Исаакс и инженер Давид Кастел ра-ботают над остроумным проектом – водяным насосом, приводимым в действие волнами, высота которых дости-гает 13 футов (4 м). Это довольно простое устройство, со-стоящее из вертикальной трубы, плавучего бакена с кла-паном в днище. Пока что были проведены (и успешно) испытания такой установки длиной 300 футов (90 м) в за-ливе Канеох (Гавайи). В установке вода закачивается в резервуар для создания необходимого давления, после че-го она под давлением поступает на турбогенератор, про-изводящий электрический ток.

В Вашингтонском университете в результате работы семинара по океанской инженерии был создан ряд проек-тов: отводной абсорбер Солтера, полностью загерметизи-рованный бакен и «колеблющийся клин».

В Канаде деятельность, направленная на использова-ние энергии волн, основывается в первую очередь на бри-танских проектах, уже обсуждавшихся в этой книге: «ны-рок», плот Кокерелла, колеблющаяся водная камера и вы-прямитель Рассела.

Очевидно, что все рассмотренные установки, несмот-ря на весьма хитроумную подчас конструкцию, могут быть построены в целях производства значительных ко-личеств энергии, если имеется в наличии энергия волн. Поэтому их испытания проводятся большей частью в штормовых водах Британских островов и Японии. Что ка-сается 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 навигацион-ные 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 эф-фективной и экономичной, надежной и простой в обслу-живании. Никто не знает, какая из них будет лучше функ-ционировать в морских условиях (речь идет не только о непредсказуемости силы волн, но и о влиянии ветров, те-чений и приливов). Будут ли они плавать или закреплять-ся на дне, будет это «нырок», выпрямитель волн или ко-леблющаяся водная камера? Может быть, в конечном итоге будет создана комбинированная система извлечения энергии из волн, ветра и солнца? Может быть, конструк-ция этой системы будет основываться на материалах, ко-торые еще не изобретены? Только время ответит на все вопросы, и, как считают специалисты, время это не за го-рами. Когда примерно? Скорее всего в 1985-1990 годах.

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