Энергия волн - Дэвид Росс

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.

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.

Может ли такое сооружение стоять на морском дне и не превратиться в раздавленную массу? Сомневающиеся склонны все же говорить: «Ну если Рассел считает это возможным, значит, так оно и есть». Его репутация в данной области действительно очень высока. В том чтобы заставить объекты устоять в море, его специалисты находятся вне конкуренции.

Проект, как сказал мне м-р Рассел, обладает «достоинством исключительной простоты». Это может быть одной из причин того, что проект привлек меньше внимания сравнительно с некоторыми другими. Кроме того, по-видимому, это один из приемлемых проектов для районов с невысоким уровнем прилива, как, скажем, остров Маврикий или Средиземноморье. Он обладает существенным преимуществом перед первоначальным планом Ботта, и это преимущество состоит в том, что при прохождении подошвы волны вода высасывается из нижнего резервуара наружу; эффективность схемы Ботта определялась потенциальной энергией только поднятой воды.

Предполагается, что у реального сооружения мощность будет 10 мВт при погонной плотности 70 кВт/м. Модель в масштабе 1/30 функционирует в Уоллингфорде, на следующем этапе планируется установка в море модели в 1/4 натуральной величины. Другим вариантом, возможно, еще более впечатляющим, будет линия затворов с клапанами, построенных в натуральную величину, поставленная в море независимо от общей схемы сооружения и испытанная в реальных условиях. Это имеет смысл, ибо затворы — единственный блок сооружения, в котором используется новая техника.

М-р Рассел уверен, что они способны противостоять давлению волн; необычным в его эксперименте является естественный и старомодный материал — резина. «Мы пользуемся жесткой резиной, имеющей нечто общее с материалом для покрышек, — говорит он. — Резина очень долго сохраняется в соленой воде, если ее уберегать от солнца. Держите ее мокрой и холодной. На берегу можно найти покрышки, сохранявшиеся в воде 20-30 лет».