Энергия волн
Шрифт:
Это приводит к двум результатам: можно видеть, как энергия волн зависит от частоты и как будут работать утки в условиях, соответствующих мощности энергетического потока 500 кВт/м, — «сорт моря, в котором мы хотим выжить», как определил это м-р Келлер. Группа Солтера планирует установить на общем многозвенном опорном валу связку из 20-30 уток, сделанных в масштабе 1/150, и изучить их поведение. Диаметр самого опорного вала при этом лишь 10 см. Масштаб более крупных моделей, испытывавшихся на озере Лох-Несс, 1/15, диаметр вала соответственно 1 м. Диаметр в прототипе утки, как говорилось, будет составлять около 15 м. Добавив мысленно еще бетонный клюв, двигающийся на волнах, как поплавок, можно представить себе вид этой тридцатиметровой конструкции.
Если расчеты оправдаются, на одном опорном валу разместится 20-30 уток на некотором расстоянии друг от друга. Длина одной энергетической установки будет, по-видимому, около 1200 м — почти миля, — мощность от 30 до 50 МВт. Глядя на модель и оперируя этими переходными коэффициентами, начинаешь представлять
Волна набрасывается на модель утки в масштабе 1/50 и оставляет за ней спокойную воду. Энергия абсорбирована.
Солтер сохранял уверенность и спокойствие во всех перипетиях своей деятельности. Он не пытался обойти трудности и с готовностью признал справедливость критиков, утверждавших, что утку нельзя создавать из «грошовых кусков», — идея, которая дает определенные преимущества Коккерелю и некоторым другим. Нельзя экспериментировать всего с одной уткой в море, подобно эксперименту с плотом или осциллирующим водным столбом. Утки должны составлять цепочку из 20-30 штук, чтобы нагрузки на опорный вал, когда волны падают на различные элементы, осреднялись естественным образом. По этому поводу солтеровская команда выдвигает следующие соображения. Они верят, что устройство будет функционировать даже в самых жестоких морских условиях. Поскольку устройство весьма специализировано, имеются свои трудности в его создании и эксплуатации. Но сконструировано оно так, чтобы уцелеть в любых условиях, ибо его наибольшая часть — подвижна. Лишь опорный вал, связывающий цепочку уток, остается относительно неподвижным, тогда как сами утки подчинены движению моря. С плотом имеет место прямо противоположная ситуация: третий в тройке понтонов вдвое превосходит размерами, каждый из остальных, и именно этот наибольший элемент связки остается неподвижным. Что же касается осциллирующего столба, то все сооружение должно быть неподвижным, чтобы обеспечивать максимальное относительное движение воздушного пузыря. Поэтому следует учитывать, что лишь утки могут выжить за Внешними Гебридами и стать самым эффективным источником энергии, хотя их создание и обслуживание выдвигают собственные задачи, тогда как другие устройства себя лучше чувствуют в более спокойных местах, производя меньше электричества, но зато и обходясь дешевле [30] .
30
Приведенные соображения о сравнительной прочности различных конструкций носят умозрительный характер. Колебания уток на валу несколько уменьшают вертикальные нагрузки, но не снижают горизонтальных усилий. При высоте волн 10 м величина динамических нагрузок на погонный метр вала может достигать многих десятков тонн. Серьезность проблемы нельзя недооценивать. — Прим. ред.
Другим достоинством является то, что легче наладить массовое производство уток, чем других устройств. Изготовление утки как элемента конструкции сравнительно экономично. Один осциллирующий столб, скажем, эквивалентен связке из 15 уток (или трем плотам). Огромная башня осциллирующего столба предназначена для вращения одной турбины. Каждая утка приводит в движение 6-10 насосов, связанных с турбиной, — и никаких бетонных башен, противостоящих натиску моря.
Как будет работать утка? Большая часть устройства будет изготовлена из армированного бетона. Внутри опорного вала диаметром 15 м и длиною около мили располагаются центробежные насосы. Полезная энергия вырабатывается за счет поворотов ныряющей части конструкции — клюва утки — относительно опорного вала. Чем больше повороты опорного вала вслед за уткой, тем меньше доля улавливаемой энергии. Если же вал не будет поддаваться вовсе, он сломается. Как говорит Глен Келлер, «утки пытаются привести в движение вал, когда волны ударяют в них. Если вал достаточно длинный, с большим количеством нанизанных уток, то средний крутящий момент, действующий на него, должен быть небольшим». Это напоминает двух людей равной силы, которые, поставив локти на стойку бара и соединив ладони, стараются уложить руку противника: ладони их неподвижны, среднее усилие равно нулю; но на этом сравнение заканчивается, ибо каждая утка приводит в движение насос внутри вала. Насос выталкивает жидкость, заставляя ее циркулировать в замкнутой системе и вращать турбину, установленную между утками и приподнятую над поверхностью моря для облегчения операций, связанных с ее обслуживанием.
Вся система уток должна соединяться на манер лампочек на рождественской елке, когда перегорание одной из них не выводит всю гирлянду из строя.
В варианте вращения генератора напрямую от уток вращение было бы слишком слабым. Чтобы ускорить движения, потребовался бы пятнадцатиметровый передаточный механизм; надежность его основывалась бы на таких факторах, на которые нежелательно полагаться.
Одним из ключевых допросов, ждущих разрешения, является соединительный опорный вал. Помимо крутящих моментов, связанных
М-р Ричард Джеффрис, специалист по гидродинамике, уделяет особое внимание эффективности поглощения энергии при различной степени морского волнения. В еще большей степени этот вопрос занимает исследовательскую группу, работающую над осциллирующим столбом в Национальной инженерной лаборатории. С их точки зрения, получать энергию рациональнее небольшими порциями, но в широком спектре волнения, чем «все 100%», сконцентрированные в узком диапазоне волн. Действительно, в случае с осциллирующим столбом можно увеличить эффективность, воспринимая волны различного направления. Но для любой конструкции, какой бы она ни была, необходимы устройства, принимающие и передающие поток энергии настолько непрерывно по спектру волнения, насколько это возможно, пусть даже за счет снижения эффективности.
Точка зрения м-ра Джеффриса по этому вопросу, применительно к уткам, состоит в следующем: «Можно изготовить утку, которая будет очень эффективна в некотором диапазоне периодов волн, но в других случаях она будет бездействовать. (Этот диапазон включает периоды 5-15 с.) Утку можно настроить и на более широкий спектр частот, в ущерб ее оптимальным свойствам на пике. Мы думаем, что предельный уровень мощности, который утка способна воспринять, составляет 100 кВт/м. Но если на нее обрушивается 2 МВт/м, а эффективность ее в таких условиях равна лишь 5%, то она и здесь воспримет свой максимум — 100 кВт/м.»
Дэвид Джеффри, один из сотрудников Солтера, высказывает некоторые замечания об учете особенностей работы конструкции в реальных условиях. Он предполагает на модели изучить гидродинамические явления, вызванные колебаниями самой утки, чтобы затем связать эти колебания с флуктуациями в поглощении энергии. Он хотел бы также найти экспериментальные соотношения между движением ныряющей части и геометрией корпуса. Он считает, что ныне принятая пошаговая постепенность прогресса происходит недопустимо медленно. «Единственным основанием для исследований на моделях 1/10 или 1/15 является проверка правильности экстраполяции утверждений, полученных на модели 1/150, — говорит он. Нет причин утверждать, что предсказание поведения полномасштабной модели невозможно. Наша экстраполяция результатов от модели 1/150 к модели 1/15 была точна, и нет оснований сомневаться в правильности дальнейшего прогноза. На модели 1/15 нельзя изучить энергетический аспект, поскольку малые гидравлические системы не относятся к категории устройств, которые можно разместить за шельфом. Они рассчитаны на прием сотен киловатт, и уменьшение размера не сделает их пригодными для приема сотен ватт. Мощность модели 1/15 составляет 0,0003 мощности полномасштабной модели. Три ватта модели 1/15 соответствуют 10 кВт на реальной установке.
Здесь, возможно, будут полезны разъяснения. Соотношение между масштабами моделей не влечет соответствующей пропорциональности их различных характеристик. Например, перейти от модели, выполненной в масштабе 1/10, к полномасштабной модели можно лишь, увеличив в 10 раз ее размеры в каждом измерении; модель размерами 2x2x2 м перейдет в модель размерами 20x20x20 м, и сравнению подлежит не величина 1:10, а 8:8000. С энергией происходит нечто аналогичное. Рассуждения м-ра Джеффри затрагивает закулисную сторону дискуссий по предмету [31] .
31
При соблюдении определенных правил моделирования мощность, принимаемая сооружением от волн, при переходе от модели к натуре будет возрастать в ?3,5 раз, где ? — отношение линейных размеров сооружения и модели. Для масштаба 1:10 коэффициент пересчета равен 3150, а для 1:15 — 10700. Однако для рассматриваемых сооружений практически невозможно промоделировать потери мощности в механических, гидравлических и электрических системах. — Прим. ред.
Проект испытаний на озере Лох-Несс вышел не из Эдинбургского университета, а из Ланкастерского политехнического института в Ковентри. Эти два учебных заведения недолюбливают друг друга. К тому же политехник настроен критически к Национальной инженерной лаборатории, обеспечивающей энергетическую сторону испытаний. Где-то кто-то ослеплен, как сказал бы Теннисон. И как говорил президент Кеннеди, поражение — лишает родителей. К настоящему времени лохнесские испытания выбились из графика на полгода и опорный вал сломан. Эдинбург может сказать, что Ланкастеру не следовало бы бахвалиться своими осенними действиями на озере в 1977 г., когда он поставил там цепочку уток. Ланкастер может возразить, что все было бы сделано заранее, до того как испортилась погода и озеро Лох замерзло, если бы инженерная лаборатория удосужилась доставить оборудование своевременно. А лаборатория скажет, что она получила требование на изготовление специального генератора только 29 сентября и выполнила заказ к 1 ноября, что на обычном языке означает: «Мы затратили на это гораздо больше усилий, чем были обязаны». Зная Национальную лабораторию, я в этом не сомневаюсь. Ее компетентность не подлежит сомнению. Однако в Политехническом институте решили, что генератор требует изменений.