Мільтон. "Втрачений рай"

Варто вимовити слово "океан", як перед очима тут же постають хвилі, які відіграють сонячними відблисками, білопінні або темно-зелені, подібні водяним горах. У цих хвилях міститься енергія і, як вважають вчені-океанологи, її досить, щоб електрифікувати весь світ, а створюється вона за участю морських вітрів.

У сонячний, безвітряний день океан спокійний. Хвиль майже немає, їх енергії вистачає лише на легке погойдування предметів: плотів і човнів, викинутих пляшок і шматочків дерева, а також дітей, які плавають з надувними кругами. Але як тільки небо посереет, підніметься вітер - посилиться і хвилювання на морі. Змінюється вітер - то ж відбувається і з хвилями, що розходяться в усіх напрямках, що здіймаються і опадають, з гребенями, вкритими білою піною. Посилиться швидкість вітру - вище стануть хвилі, ще стрімкіше стане їх біг. У них буде міститися більше енергії, отриманої від вітру. Причому, якщо висота хвиль зросте в два рази, кількість міститься в них енергії почетверити.

Високі, потужні хвилі, можна сказати, переповнені енергією. Уявіть собі силу хвилі, здатної викинути на дах маяка камінь вагою 139 фунтів (69,5 кг). Такий випадок мав місце на Тілламук Рок, поблизу узбережжя Орегона. Маяк був встановлений на кручі на висоті 135 футів (40 м) над рівнем моря. У Франції хвилі перекинули валун вагою 2700 кг через дамбу в Шербуге, висота якої була 20 футів (6 м). На Гаваях під час штормів прибій висотою 100- 200 футів (30-60 м) обрушується на лавовий берег Оаху, і це цілком звичайне явище для тих місць.

Величезна енергія, укладена в хвилях, звернула на себе увагу ще в ті часи, коли відправлялися в перші далекі плавання моряки. У дев'ятнадцятому столітті сер Джон Мюррей, один з найвідоміших в світі океанографів, відзначав нищівну силу водяних валів. У вахтовому журналі він записав: "Я спостерігав хвилі, що здіймаються на 60 футів". Однак найвища хвиля, помічена у відкритому океані, досягала висоти 112 футів (35 м). Це сталося в 1933 році. Місячної лютневої ночі танкер ВМС США "Рамапо" плив за вітром в бурхливому Тихому океані. Вітер, не зустрічаючи на своєму шляху у відкритому океані ніяких перешкод на протязі тисяч миль, досяг ураганної сили. Що стояв на капітанському містку черговий офіцер загорнувся в клейончатий плащ і міцно тримався за поручні, коли раптом побачив, що за кормою піднімається надзвичайно висока хвиля. Коли вона досягла корабля, офіцер помітив по щоглі, під яким кутом видно її гребінь, обчислив кут, під яким пливло судно, виміряв висоту щогли, а інше було справою геометрії. В результаті розрахунку виявилося, що висота хвилі становила 112 футів, що можна порівняти з висотою дванадцятиповерхового будинку.

Непрямим чином гігантська енергія, укладена в хвилях, також є позаземної. Її джерело - сонце, яке народжує вітри. Вітри, в свою чергу, за допомогою взаємодії повітря і води, породжують хвилі.

В окремих районах світу, там, де вітри не володіють великою точністю, хвилі найчастіше низькі і слабкі. Але в тропічному поясі (північ і на південь від екватора), в північній частині Тихого океану, навколо Британських островів вітром викликається набагато більш сильне хвилювання на морі, і енергія хвиль вже значна. За отриманими нещодавно оцінками фахівців, вона дорівнює приблизно 30% всієї енергії, використовуваної в світі. Такі цифри, природно, спонукають багато країн фінансувати дослідження в галузі використання хвильової енергії. Міністерство енергетики США не так давно заявило, що тільки в північній частині Тихого океану перетворення енергії хвиль дало б від 5 до 50 мегават електрики на кілометр узбережжя. Професор фізики Единбурзького університету (Шотландія) Стефан Солтер підрахував, що 300-мильна (480-кілометрова) ланцюг винайдених ним пристроїв, розміщена в Атлантиці навколо Гебридських островів, зможе перетворити в електрику таку кількість хвильової енергії, що його вистачить для постачання всієї сучасної Великобританії.

Протягом багатьох років у міру збору і аналізу інформації про хвилях вчені-океанологи замислювалися про використання їх енергії на благо людей. Однак без відповіді залишався найголовніше питання: яким способом можна ефективно і економічно витягувати значна кількість цієї енергії.

Число ентузіастів, які намагались знайти рішення, настільки велика, що лише в одній Англії в період з 1856 по 1973 рік було зареєстровано понад 340 патентів на генератори, що використовують енергію хвиль. Суть більшості винаходів, особливо недавніх, полягає в створенні свого роду поплавців, що плавають по хвилях. У таких поплавцях підйоми і спади хвиль приводять в дію обертові пристрої, які перетворюють кінетичну енергію хвиль в механічну. Чи не правда, просто? Так, проте всі ці проекти так і залишилися на папері.

Лише в останній чверті двадцятого століття були висунуті на розгляд ефективні проекти, після того як британське міністерство енергетики фінансувало ряд дослідницьких робіт в цій галузі. Природно, застосовувати винайдені пристрої передбачалося в місцях, де хвилі мали найвищу активність: на узбережжі Атлантичного океану, Ла-Маншу і Північного моря. До 1979 року серед усіх цих проектів на перше місце вийшли чотири: "нирок" Солтера, пліт Кокерелла, що коливається водна колона (резервуар) і випрямляч Рассела.

"Нирок" був придуманий доктором Стефаном Солтером, який є не тільки професором фізики, а й інженером-механіком, фахівцем з штучного інтелекту і винахідником. Ідея проекту виникла у Солтера абсолютно випадково. Сам він пояснює це таким чином: "Коли в 1973 році я застудився, моя дружина (з безсердечним байдужістю до мого нездужання) заявила:" Припини знемагати від жалю до самого себе. Чому б тобі не зайнятися вирішенням проблеми енергетичної кризи? "Пристрій, який вона хотіла отримати, мало б виробляти необхідну кількість енергії, працювати не завдаючи шкоди навколишньому середовищу, бути придатним до функціонування в зимових умовах Шотландії і створювати енергію вічно".

Професор фізики Солтер уявив собі бурхливі хвилі, плещуться уздовж узбережжя Шотландії. Інженер Солтер виконав деякі обчислення і був вражений кількістю енергії, яке з них можна було б витягти. Винахідник Солтер прикинув в умі проект простого пристрою для добування енергії, що нагадує поплавок, який піднімається і опускається разом з хвилями, приводить в дію насос і виробляє електричний струм. Все, що йому тоді було потрібно, це динамометр, щоб виміряти роботу, що здійснюються поплавком, і приміщення, де можна було б зібрати його. Запаси бальсового деревом і клеєм, транзисторами і динамометром, він взявся за роботу.

Створене ним дітище за формою нагадувало довгасту краплю. Плаваючи в баку з водою, воно погойдувалось, немов упірнаюча качка, - звідси і пішла його назва.

Перша модель могла перетворити близько 15% хвильової енергії. Цей результат вже був хороший сам по собі. Коли послідовне вдосконалення конструкції "нирка" дозволило довести його ефективність до 90%, уряд запропонував фінансову допомогу. Незабаром в університеті був побудований новий великий водний басейн (найбільший в Європі), і робота пішла всерйоз. Група Солтера зайнялася подальшим поліпшенням конструкції "нирка", одночасно прагнучи з'єднати окремі компоненти в гнучку плавучу ланцюг.

Під час перших випробувань поза стінами лабораторії, в Дрейкоте, ланцюжок "нирків", розміром всього в одного з п'ятидесяти від запланованого, працювала настільки успішно, що група негайно приступила до підготовки більш потужної моделі - в одну десяту повної величини - для випробувань в озері Лох -Несс. Наступним етапом буде повномасштабне створення ланцюжків таких пристроїв і постановка їх на якір вздовж берегів, зрозуміло, таким чином, щоб вони не знаходилися на шляху морських суден.

Притулившись до цементної стіні університетського басейну, з відсутнім виглядом, настільки характерним для нього, Солтер з готовністю описує проектовані їм моделі в натуральну величину. Вони будуть складатися з гігантських сталевих і цементних осередків, кожна розміром з будинок. З олівцем у руках Солтер тут же малює, що буде відбуватися у відкритому морі. Хвилі, що приведуть в дію обертові гідравлічні насоси. Насоси під тиском подадуть воду на турбогенератор, який почне виробляти електрику, передане на берег з підводного кабелю.

Як багато енергії можна отримати таким способом? Група Солтера розраховує, що з одного метра ланцюга, що складається з таких "нирків", виготовлених в натуральну величину, можна буде отримувати в середньому від 30 до 50 кіловат електрики. Ланцюг довжиною 300 миль (480 км), як уже згадувалося вище, здатна задовольнити всі сучасні потреби Великобританії в електроенергії.

І здійснено все це може бути задовго до 1990 року.

"Не потрібно залишати поза увагою і те, - підкреслює Солтер, - що" нирки ", мабуть, відповідають всім вимогам, що пред'являються місіс Солтер. Вони не забруднюють довкілля і безпечні у використанні, виробляють значну кількість енергії і здатні функціонувати якщо і не вічне, то, у всякому разі, досить довго ".

Між південним берегом Англії і островом Уайт протікає бурхливий потік, відомий під назвою солент. На його пінисті хвилі в квітні 1978 року директор "Вейвпауер лімітед", сер Крістофер Кокерелл, вивів на перші випробування свій пліт. Разом з ним у випробуваннях брали участь менеджер проекту і заступник секретаря парламенту з енергетики Алекс Іди. За повідомленням сера Крістофера, експерименти з установкою, потужністю в одного з п'ятидесяти від запланованої, вже проводилися. "Однак здійснювалися вони лише у водних басейнах. Сьогодні ж наша мета полягає в перевірці установки, розміри якої становлять одну десяту частину натуральної величини, в морських умовах". Менеджер проекту додає: "Сьогоднішні морські експерименти повинні довести, що використання енергії хвиль - не вигадка вчених, а реальне, розумна пропозиція". Він пояснив також, що випробування проводяться далеко не в ідеальних умовах, так як при південно-західному вітрі хвилі солент набирають силу в десять разів меншу, ніж хвилі Північної Атлантики поблизу узбережжя Гебридських островів.

Конструкція плоту була придумана сером Крістофером в 1971 році. Він складається з трьох з'єднаних на шарнірах понтонів, які, перебуваючи на плаву, повторюють рух хвиль. Їх підйоми і спади надають руху гідравлічні тарани, що з'єднують понтони. Ці стиснення і розтягування передаються робочої рідини, яка приводить в дію гідравлічний генератор, що виробляє в результаті цього електричний струм.

Пліт згинається на хвилях, а спеціальний пристрій, що керується комп'ютером, контролює процес перетворення енергії хвиль. Розташовується воно на що знаходиться неподалік баржі і з'єднується з плотом за допомогою кабелю. Періодично видаються повідомлення дозволяють судити про характер хвильового руху, вихідний потужності установки і напрузі.

Хоча установка величиною в одну десяту від проектних параметрів виробляє лише один кіловат електроенергії, фахівці "Вейвпауер лімітед" підрахували, що одиночний пліт, розміри якого становлять 50 метрів в ширину і 100 метрів в довжину (що відповідає розмірам цілого міського кварталу), при сприятливих морських умовах буде здатний генерувати 2 мегавати електроенергії (один мегават дорівнює тисячі кіловат). Вже незабаром передбачається створити ланцюг плотів у відкритому морі біля берегів Шотландії і в Ла-Манші. В оптимальних умовах такий ланцюг завдовжки в 15 миль (25 км), як очікується, розвине потужність, рівну 500 мегават.

Тим часом ряд проблем ще потребує дозволу. Необхідно удосконалити плавучі конструкції, створити більш прості і надійні в експлуатації якоря, збільшити термін дії та підвищити стійкість їх до дії корозії.

Говорячи про глобальні перспективи використання енергії хвиль, сер Крістофер обережно зазначив: "Розвиток таких методів знаходиться ще в початковій стадії. Однак за умови, що уряд не припинить фінансової підтримки, прототип хвильової електростанції може бути створений вже в 80-х роках".

Коливання водна колона (або резервуар) - установка, розроблена в Національній технічної лабораторії Великобританії, в корені відрізняється від "нирка" Солтера (університетський проект) і плота сера Крістофера (приватне комерційне підприємство).

Це пристрій використовує дію хвиль для стиснення повітря і виробництва таким чином електрики.

Ідея колони запозичена у японського морського офіцера Ю. Масуда, який винайшов плавучий хвилелом. Масуда виявив; що якщо хвилелом зробити у вигляді переверну "тієї коробки з отворами у верхній частині, то висота хвиль всередині нього буде значно менше, ніж зовні, так як хвилі будуть згладжуватися під впливом потоків повітря, що проходять через отвори. Він виявив також, що інтенсивні повітряні потоки постійно то надходять всередину камери, то виходять з неї внаслідок підйомів і спадів хвиль.

У Національній технічної лабораторії розробляється модель хитається водної камери іншого типу - кольцевидного буя, призначеного для створення повітряного тиску. Він являє собою порожнисте кільце тороидальной форми з прорізами або отворами нагорі. Плаваючи по воді, він піднімається і опускається разом з хвилями, викликаючи тим самим стиснення повітря, що надходить всередину через прорізи, що пускає в хід турбіну.

Незважаючи на те що розробка хитається водної камери знаходиться на ранній стадії розвитку, вона являє собою більш сучасну і складну установку, схожу зовні на плавучу коробку без дна. Уже вирішено питання, яким чином можливо обертання турбіни в одну сторону, якщо потік повітря, що надходить через прорізи, постійно змінює напрямок. Для цієї мети використовуються клапани, які пропускають повітря, що обертає турбіну лише в одному напрямку.

Увага дослідників приваблює і випрямляч Рассела. Ця установка регулює рух води так, що вона надходить на турбіну тільки з одного боку.

Ось як вона влаштована. Кілька прямокутних резервуарів закріплені на якорях у відкритому морі, при цьому деякі з них знаходяться над, а деякі - під поверхнею води.

Між верхніми і нижніми резервуарами розташований турбогенератор. Хвилі наганяють воду у верхні резервуари. Звідти вона (через неповернуті клапани) стікає вниз, призводить в рух турбогенератор, виробляючи тим самим електрику, і виливається назовні. Випрямляч Рассела, що викликає особливий інтерес у фахівців Національної технічної лабораторії, в 1980 році перебував все ще на початковій стадії розробки.

Ще один спосіб добування енергії хвиль - комбінований, що дозволяє використовувати відразу три джерела енергії: хвилі, вітер і сонце.

Жоден з них ніколи не розглядався як рішення енергетичної кризи, так як хвилі не завжди володіють достатньою силою, вітер не завжди дме з потрібною швидкістю, сонце в різні години світить з різною інтенсивністю.

"Хвилі, вітри і сонце - непостійні джерела енергії, але це не причина, щоб їх не використовувати", - вважає професор Ентоні Пераніо.

Він запатентував ряд проектів і моделей для використання енергії альтернативних джерел. До одного з них відноситься комбінована установка по перетворенню як енергії хвиль, так і енергії вітру. Як пояснює автор, вона може бути розміщена на судах, які зв'язані з берегом за допомогою кабелю. Конструкція її досить проста і полягає, по суті справи, з двох частин: головного резервуара, розташованого в корпусі судна, і похилій площині, яка може регулюватися в залежності від висоти (малюнок на стор. 71). Коли похила площина поміщається в море, хвилі, набігаючи на неї, перекочуються і потрапляють в резервуар. Потім вода випускається на спеціальну, низьконапірний турбіну, встановлену на судні. Це незвичайна турбіна. Вона здатна обертати генератор для вироблення електрики, приводити в дію компресор для стиснення повітря і насос для накачування резерву води, використовуваної потім для виробництва електроенергії.

Незважаючі на простоту конструкції, установка генерує значний Кількість електроенергії, более - коли хвілювання моря сільніше, менше - коли воно відносно спокійно. Але навіть в ті дні, коли висота хвиль досягає 6-7 футів (близько 2 м), а швидкість вітру-16-18 миль (25-28 метрів на годину), установка Пераніо може виробляти 1,5 мегавата електрики на кожні 325 футів (100 м3) налівшейся в резервуар води. Ця потужність може бути збільшена на 0,25 мегавата, якщо використовувати і вітер. Для цього потрібно всього лише встановити два пропелера, з'єднаних з системою, що використовує енергію хвиль.

Образу-вітряні перетворювачі можуть також бути змонтовані на сталевих каркасах, які перебувають на причалі в якості хвилеломів-енерговиробників. Обчислення показують, що п'ятнадцять таких каркасів, кожен по 325 футів (100 м) довжиною, зможуть забезпечити електрикою населений пункт з двадцятитисячним населенням. При цьому потік енергії буде постійним, оскільки похилі площини будуть автоматично підлаштовуватися під висоту хвиль, а каркаси хвилеломів повертатися, орієнтуючись за напрямком вітру і хвиль.

Пераніо вважає, що в разі комбінованого використання його образу-вітряних перетворювачів і сонячної енергосистеми можна отримати дійсно стабільний і безперервний потік електроенергії. "Коли вітер стихає, найбільш ймовірно, що вдасться ясний і сонячний день, а це дозволить ефективно використовувати енергію сонця, - пояснює він.- З іншого боку, коли небо затягнуте хмарами - переважають сильні вітри". Пераніо вказує, що його установки з географічної точки зору зовсім не обов'язково повинні бути встановлені в водах Середземного моря. Вони можуть застосовуватися для доповнення сонячних енергосистем та в середніх широтах, так як якщо влітку там інтенсивно світить сонце, а вітер і хвилі слабшають, то взимку все відбувається навпаки - сонце дає менше тепла і світла, зате енергія вітру і хвиль досягає найвищого

уровня.

Фахівці розраховують створити працюючу енергосистему такого комбінованого типу. Технологія її проста, недорога, і цілком реальна. Необхідні капіталовкладення невеликі, хвилі і вітри безкоштовні, а для багатьох людей в процесі будівництва і управління такими установками з'явиться можливість отримати роботу.

Найпершими творцями діючих, довговічних і ефективних перетворювачів енергії хвиль були японці. Йдеться про портові бакенами або буях. Винайдені вони були Масуд і, використовуючи енергію хвиль, функціонували як сигнальні вогні або портові маяки. Існує два типи подібних бакенів. Одні в якості основних перетворювачів енергії мають плунжери - довгі поршні, які приводяться в дію рухом хвиль по вертикалі. Інші - механізми маятникового типу, які розгойдуються в міру розгойдування хвиль. В даний час сотні таких бакенами функціонують в прибережних водах не тільки Японії, але і інших країн світу. Вони особливо цінні тим, що практично не вимагають догляду і уваги.

Новітній японський енергетичний проект має на меті використовувати величезний хвильової потенціал Японії в великих масштабах. В його основі - плавуча експериментальна станція вартістю 3,1 мільйона доларів. Це судно "Каїм" водотоннажністю 450-500 т, яке було побудовано для виконання робіт в Японському морі, де середня висота хвиль становить 10-13 футів (3-4 м). "Каїм", підтримувана на плаву за допомогою чотирьох повітряних камер, має досить великі розміри: 264X40 футів (80X12 м). Вона має також 22 повітряних відсіку, в яких і акумулюється енергія хвиль. Хвилі чинять тиск на повітря, який обертає турбіну, що виробляє електричний струм за допомогою трьох генераторів.

Перші випробування "Каїм" були проведені цілком успішно, тому в майбутньому планується збільшити число генераторів. Після цього прийде час будівництва станції потужністю 20 мегават, яка буде передавати електричний струм з підводного кабелю на сушу.

У створенні установок, що використовують енергію хвиль, хоча і в меншій мірі, беруть участь і інші країни. У Сполучених Штатах в Скриппского інституті океанології професор Джон Ісаакс і інженер Давид Кастел працюють над дотепним проектом - водяним насосом, що приводиться в дію хвилями, висота яких досягає 13 футів (4 м). Це досить простий пристрій, що складається з вертикальної труби, плавучого бакена з клапаном в днище. Поки що були проведені (і успішно) випробування такої установки довжиною 300 футів (90 м) в затоці Канеохе (Гаваї). В установці вода закачується в резервуар для створення необхідного тиску, після чого вона під тиском надходить на турбогенератор, що виробляє електричний струм.

У Вашингтонському університеті в результаті роботи семінару по океанської інженерії було створено низку проектів: відвідної абсорбер Солтера, повністю загерметизований бакен і "коливається клин".

У Канаді діяльність, спрямована на використання енергії хвиль, грунтується в першу чергу на британських проектах, вже обговорювалися в цій книзі: "нирок", пліт Кокерелла, що коливається водна камера і випрямляч Рассела.

Очевидно, що всі розглянуті установки, незважаючи на досить хитромудру часом конструкцію, можуть бути побудовані з метою виробництва значних затрат енергії, якщо є в наявності енергія хвиль. Тому їх випробування проводяться здебільшого в штормових водах Британських островів і Японії. Що стосується небажаного впливу на навколишнє середовище або інших недоліків, то, мабуть, вони стосуються тільки можливого незручності для кораблів і рибальських суден. Однак все це можна врахувати, маючи на руках навігаційні карти морських трас. Зате такі установки мають дві великі переваги. Плавучі станції можуть бути використані для приманки риби і зменшення ерозії берегів.

В даний час дуже важко припустити, яка з вищезазначених енергосистем виявиться найбільш ефективною і економічною, надійною і простий в обслуговуванні. Ніхто не знає, яка з них буде краще функціонувати в морських умовах (мова йде не тільки про непередбачуваність сили хвиль, а й про вплив вітрів, течій і припливів). Чи будуть вони плавати або закріплюватися на дні, буде це "нирок", випрямляч хвиль або коливається водна камера? Може бути, в кінцевому підсумку буде створена комбінована система добування енергії з хвиль, вітру і сонця? Може бути, конструкція цієї системи буде грунтуватися на матеріалах, які ще не винайдено? Тільки час відповість на всі питання, і, як вважають фахівці, час це не за горами. Коли приблизно? Швидше за все в 1985-1990 роках.

А поки розглянемо ще одне науковий напрямок, мета якого - спробувати використовувати енергію течій, які подібні річках, поточним в море.