Энергия волн

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.

М-р Ботт назвал это ситуацией между Сциллой и Харибдой; точнее сказать — между дьяволом и дьявольски мелким морем. Возможности Гидрологической исследовательской станции могли облегчить, но не решить задачу. Пока дискуссия продолжалась, в 1966 г. цена на нефть стала понижаться. Специалисты посмотрели на проект и сказали: «Забудьте его». Практически это был конец, но м-р Ботт не оставил свой план и много позднее предложил решение. Следовало рассматривать запруженный бассейн не как непосредственное звено между морем и турбиной, а как промежуточное водохранилище. Его должна окружать невысокая дамба, облегчающая круглосуточное поступление энергии. При этом захваченную воду можно перекачивать на более высокий уровень путем использования энергии приходящих волн.

М-р Ботт предложил некоторую модификацию давно известного и надежного центробежного насоса, применявшегося для подкачки воды в сельской местности. Его устройство, имеющее один ротор, сочетало возможности гидравлической турбины и насоса. На Маврикии оно могло бы использоваться для пропуска больших расходов морской воды при движении ее из лагуны обратно в море. Эта вода приводила бы в движение центробежный насос, который подавал бы часть воды наверх. Вода, стекая в море, и сама могла бы вращать турбину, но, вытекая из верхнего резервуара, она совершала бы то же самое эффективнее.

Аналогичную конструкцию использовали более 50 лет назад в Германии, где на плотине реки Изар в районе Мюнхена установлен «преобразовательный насос» с двойным ротором. Он получил такое название в силу того, что «преобразовывает» низкое давление воды в высокое, поднимая ее наверх. Коэффициент полезного действия составляет 60%, но в данном случае эта цифра представляет лишь академический интерес, ибо насос работает за счет даровой энергии. Следует отметить, что наше Электроэнергетическое управление использует гидроаккумулирующие хранилища, наполняя верхние резервуары при помощи электростанций, работающих на ископаемом топливе (затрачивая четыре единицы электроэнергии, чтобы поднять воду наверх, и получая в результате три единицы — при падении воды вниз). Сила тяжести конфискует четверть доли в свою пользу.

М-р Ботт указал, что водохранилища должны быть много меньше тех, которые входят в обычные речные гидротехнические проекты, где естественные расходы воды могут не достигать требуемого значения в течение шести месяцев в году. На Маврикии этот период составлял в совокупности шесть недель и приходился на разное время года.

Дальнейшее удешевление нефти было бы нелепостью, и этого, как известно, не произошло. Но проект сохранился и не был забыт Гидрологической исследовательской станцией, директор которой Роберт Рассел отдает должное м-ру Ботту [25] . «Наша система порождена маврикийским проектом», — сказал он мне.

25

Имеются сообщения об испытаниях на Калифорнийском побережье Тихого океана волновой электростанции, аналогичной проекту У. Ботта. Станция построена на искусственном атолле. Ее мощность составляет 2000 кВт. — Прим. ред.

Популярность системы снижали два обстоятельства: она нефотогенична и имеет малопривлекательное имя — Гис-выпрямитель. Первоначально ее называли выпрямителем Рассела, но м-р Рассел предпочел, по соображениям скромности, изъять из названия собственное имя. Таким образом, не говоря уже о непривлекательности аббревиатуры, нуждающейся в расшифровке, неспециалисту требуется объяснить, что понимают инженеры под выпрямителем. Это звучит неопределенно, что-то вроде курса реабилитационной физиотерапии. На деле же это метод выпрямления, или изменения, движения. Так, в осциллирующем водном столбе, к которому мы обратимся позднее, движение воздуха в двух направлениях (он всасывается и выталкивается) «выпрямляется» с помощью клапанов таким образом, чтобы он только в одном направлении попадал на турбину. В Гис-выпрямителе вертикальные волновые колебания уровня преобразуются в однонаправленное движение потока, подаваемого на турбину.

Так может выглядеть Гис-выпрямитель.

Лучше было бы назвать это затвором Рассела, поскольку сооружение напоминает шлюзовый затвор, разделяющий резервуары с различным уровнем воды.

Сооружение представляет собой прямоугольный ящик, установленный на дне, на глубине 15-20 м, примерно в 5-10 км от берега. Оно имеет размеры гигантского танкера. Одна половина его разделена бетонными стенками на шеренгу камер, плотно закрытых затворами с резиновым уплотнением. Затворы открываются лишь внутрь, и напрашивающимся сравнением является шеренга уличных почтовых ящиков, положенных отверстиями вверх. При движении волны вода через отверстия под давлением попадает во внутреннюю полость, представляющую резервуар, в котором можно поддерживать повышенный уровень воды. Поднятие свободной поверхности при прохождении гребня волны создает избыточное давление по сравнению с гидростатическим давлением на обратной стороне затвора, и это давление открывает заслонки, ведущие во внутреннюю полость.

Затворы, подобно щелям в почтовых ящиках, являются клапанами, открывающимися лишь внутрь, и вода через них попадает во внутреннюю камеру, поднимая в ней уровень. Избыток воды имеет только один выход через турбину в резервуар с более низким уровнем. Таким образом, при прохождении воды турбина вращается и приводит в движение генератор. По мере подъема воды в нижнем резервуаре возрастает давление на соответствующий ряд затворов, предназначенных для выпуска воды и препятствующих проникновению ее внутрь.