Энергия волн - Дэвид Росс

Что касается кабеля, то этот вопрос сегодня вызывает меньше затруднений, чем в период первых экспериментов м-ра Ботта. Пирелли предложил способ изготовления кабеля длиной 80 км — важное предложение, ибо место стыка всегда бывает самым слабым. Существует богатый опыт прокладки подводного кабеля, действующего многие годы. Еще в 1965 г. был проложен кабель протяженностью 119 км, от Италии в районе Пьомбино до Корсики и Сардинии, рассчитанный на передачу 300 МВт.

Случилось так, что в настоящее время эти подрядчики работают над кабелем, способным снять с повестки дня многие вопросы, и по иронии судьбы заказ сделан ядерной энергетикой. Американская компания, занимающаяся электрогазофикацией, предложила им изготовить подводный кабель на напряжение 345 кВт переменного тока для плавающей атомной электростанции. Станция должна находиться в 7 км от берега, кабель будет уложен на дно.

Изготовить цельный кабель такой длины несложно, но концевая его секция, присоединяющаяся к станции, ставит те самые задачи, которые надо решить для генераторов, работающих от волн. Кабель должен иметь возможность следовать за платформой, совершающей колебания под воздействием ветровых волн и прилива. Пирелли предложил гибкий кабель заключать в рифленый алюминиевый чехол вместо утолщенной свинцовой оболочки. Была осуществлена полная программа модельных испытаний, включающая проверку на усталость материала при изгибах с максимальной ожидаемой механической нагрузкой. Результаты оказались удовлетворительными. Таким образом техника, предназначенная для атомной станции, продвинула вперед решение одной из задач, относящихся к волновой энергетике, считавшейся непреодолимой всего несколько лет назад. Интересно отметить, что м-р Гленденнинг, который, как мы видели, не является поклонником солтеровских уток, полагает, что с помощью Пирелли эксплуатацию их можно наладить, хотя предпочтительнее все-таки подсоединить этот кабель к плоту Коккереля.

Я подробно остановился на этой стороне дела, ибо важно осознать, что мы являемся очевидцами развития новой отрасли техники, вопросы которой сменяются весьма быстрыми ответами. Всего два года назад вопрос передачи энергии от волновых генераторов был самым серьезным и детально изучался в самом Управлении. Мы переживаем период, когда инженеры осуществляют то, что до 1976 г. было мечтой.

Вернемся к м-ру Ботту. В марте 1975 г. он представил первую развернутую записку о волновой энергетике в Королевское общество[23]. По-видимому, тогда впервые внимание ученых столь высокого уровня было привлечено к предмету в деталях. Он начал с объяснения того, как волны переносят энергию, и интересно отметить, что основные факты оказались новыми для многих известных ученых, никогда ранее не имевших возможности заглянуть туда, что, по выражению м-ра Ботта, было «глухим закоулком естественнонаучных знаний». Если бы он говорил так, например, о паровой энергии, объясняя, как этот малый Уатт сообразил получить ее, то его манера говорить выглядела бы оскорбительной; но по отношению к волнам наши познания находились к 1975 г. на уровне пятого класса начальной школы.

М-р Ботт сделал таблицу, иллюстрирующую уже знакомый нам факт, что высота волны служит ее самой содержательной энергетической характеристикой. Так, волна высотой 1,5 м и длиной 15 м произведет 4,33 кВт, в то время как волна такой же длины, но вдвое большей высоты (3 м) обладает энергонесущей способностью 17,9 кВт, т.е. произведет в четыре раза с лишним больше, поскольку в формулу для энергии волны ее амплитуда входит в квадрате. Однако волна высотой 1,5 м и длиной 30 м произведет 8,9 кВт, тогда как волна той же высоты и вдвое большей длины будет производить всего вдвое больше энергии — 17,8 кВт. В области более высоких волн это различие еще разительней. Энергия шестиметровой волны будет 220 кВт, а двенадцатиметровой — 880 кВт[24]. Вот почему самые высокие волны одновременно и самые привлекательные, хотя именно с ними связаны основные инженерные проблемы.

Это область, в которой скоро придется ответить на трудные вопросы: во сколько обойдется строительство установки, способной выстоять под напором гигантских волн, воспринять их мощь и дать электроэнергии больше, чем дала бы менее дорогая установка в более спокойном море? В какой степени разумно противостоять действительно большим волнам, вместо того чтобы использовать их энергию? Что выгоднее: объект, предназначенный для приема максимально возможного потока энергии в суровом открытом море, или же менее радикальная установка, но рассчитанная на 100% выживания? Для Уолтона Ботта, с его образованием и знанием моря, конструкторские и эксплуатационные задачи, вместе с проблемой надежности, были естественно основными, тогда как инженеры другого профиля подчеркивали значение производительности установок, подчиняя им те или иные конструкторские решения. Это напоминает научные сражения прошлого века и является причиной интереса к ситуации: мы пользуемся привилегией быть свидетелями перехода от теоретического обсуждения к практической деятельности, касающейся всего нашего будущего.

М-р Ботт, решив, что идея размещения функционирующей установки в открытом море «не подлежит обсуждению», вернулся к проектам у берега. Он понимал, что рифовое окаймление острова представляет устойчивый фундамент для ограничительной стенки. Самая дорогая часть любого морского барьера — его основание, и на Маврикии, как он выразился, «природа построила его для нас», что значительно уменьшит стоимость инженерного сооружения.

Все, что требовалось, — это возвести две поперечные стенки-шпоры под прямым углом к внешнему ограждению и превратить берег в замкнутую лагуну (как бы ловушку для воды), внутри которой уровень воды мог бы поддерживаться на 2-3 м выше, чем в море. В поперечных стенках должны были разместиться низконапорные турбины и генераторы, приводимые в движение водой, стекающей обратно к океану. Выдержит ли риф? Он должен удерживать массивный бетонный откос с погонным давлением во много тонн на фут, увеличенным ударами волн. Все должно представлять гигантский волнолом противоположного назначения — вместо того чтобы максимально противостоять волнам, он должен позволять им накатываться возможно выше.

Ответ м-ра Ботта был таков: «Природа строит рифы в самой пасти волн, обеспечивая распространение исключительно стойкого вида коралла на кромке рифа, где воздействия волн интенсивнее всего. Этот вид (мадрепора) имеет форму шишки, крепкой как сталь, он доказал свою способность сопротивляться любому натиску моря». (Лично я предпочел бы смотреть на это менее романтично и считаю, что это единственный вид коралла, который может выжить в таких условиях, и должен был оказаться прочнейшим; это скорее философская сноска, а не инженерная.)

Администрация Маврикия решила проэкспериментировать с ограждающими наклонными стенками небольшого размера, но их не смогли установить. Тогда решили использовать заякоренные волнографы, чтобы увязать их показания с величиной энергии, получаемой в прибрежной экспериментальной установке. С этой идеей администрация обратилась в министерство по вопросам развития заморских территорий, чтобы получить ассигнования на исследования, а затем в сотрудничестве с агентством Кроуна поручила Гидрологической исследовательской станции провести модельные испытания. М-р Ботт высоко оценивает их, так как была получена необходимая информация о соотношении между высотой волны, ее длиной и величиной полученной энергии. Период волны составлял от шести до десяти секунд, что является естественным диапазоном океанских волн у Маврикия. Период имеет значение потому, что при набегании каждой новой волны повышается уровень перед бассейном и изменяется характер стока воды обратно в море. Экспериментаторы меняли также высоту и длину волн, высоту ограждающих конструкций, уровень воды непосредственно за ограждением и даже шероховатость свободной поверхности.

Слишком высокие ограждения позволяли бы в отдельных случаях обеспечить и более высокий горизонт воды в бассейне, но зато при уменьшении степени волнения поступление воды в него становилось бы недостаточным; это могло привести к ненадежности энергоснабжения от волн. М-р Ботт хотел, чтобы его проект обеспечивал основательное, устойчивое снабжение, а это означало, что дамба должна иметь меньшую высоту сравнительно с той, которая обеспечивает более высокий уровень в бассейне, рассчитанном на благоприятные условия.

И все же чем ниже была высота стенки и меньше бассейн, тем ниже располагалась головная часть турбины в тоннеле для воды, стекающей обратно в море. Стоимость была бы выше — турбина, работающая при высоте напора 10 м, стоила бы около одной трети стоимости турбины при двухметровом напоре. Это влияло на стратегию проекта: вместо двух установок мощностью по 2500 кВт предпочтительнее было ставить пять установок мощностью по 1000 кВт. Оценки показывали, что в мелком бассейне при полной нагрузке среднечасовая мощность составила бы около 5000 кВт. Но даже это потребовало бы дноуглубительных работ, чтобы вода могла свободно стекать обратно, и соответственно дополнительных затрат. С другой стороны, ненадежность снабжения при использовании высоких дамб требовала постройки тепловой электростанции. Анализ свидетельствовал в пользу более высокой дамбы, углубленного бассейна и более высокого напора для турбины, пусть даже за счет меньшего притока энергии в лагуну.