Океанские волны представляют собой огромный, но пока слабо используемый источник возобновляемой энергии. В отличие от солнечных панелей, которым нужен свет, или ветрогенераторов, зависящих от ветра, волновые установки способны работать практически круглосуточно. Главная проблема — эффективность и стоимость оборудования.
Исследователи из Германии и Австралии предложили способ существенно повысить отдачу крупных волновых электростанций. Согласно компьютерному моделированию, ферма из 50 или 100 специальных буев, если индивидуально настраивать каждый из них с учетом окружающих волн, теоретически способна преобразовывать в электричество около 90% энергии входящего волнового потока. Исследование опубликовано в Journal of Fluid Mechanics.
Как работает волновая электростанция
Речь идет о специальных плавучих устройствах, закрепленных на морском дне. Волна поднимает буй, затем он опускается вместе с уходящей водой. Это возвратно-поступательное движение приводит в действие генератор, превращая механическую энергию волн в электрическую.
Некоторые подобные буи могут достигать размеров небольшого дома и, по оценке исследователей, вырабатывать достаточно энергии для снабжения нескольких сотен домохозяйств.
На первый взгляд кажется, что достаточно поставить в море много таких устройств и соединить их в одну электростанцию. Но здесь возникает неожиданная проблема: буи начинают влиять друг на друга.
Почему сто одинаковых буев работают хуже
Когда волна проходит через первую линию установок, она взаимодействует с буями: часть энергии поглощается, часть рассеивается, а характер движения воды изменяется. Поэтому до следующих рядов доходит уже не та волна, которая пришла на электростанцию изначально.
В результате буй в передней части фермы может испытывать совсем другое воздействие, чем такой же буй несколькими рядами дальше. Если все устройства настроены одинаково, часть из них неизбежно работает далеко не в оптимальном режиме.
Ключевым параметром здесь является резонансная частота. Это характеристика, определяющая предпочтительный ритм колебаний системы. Проще говоря, буй эффективнее всего раскачивается, когда его собственный режим движения соответствует параметрам приходящей волны — примерно так же, как качели легче всего раскачать, подталкивая их в правильный момент.
Современные волновые преобразователи энергии уже позволяют изменять резонансную частоту в определенных пределах. Кроме того, можно регулировать сопротивление генератора, который преобразует движение буя в электричество.
Каждый буй получает собственную настройку
Именно эту возможность исследователи решили использовать максимально эффективно.
Ученые из Университета Аугсбурга в Германии, Университета Аделаиды и Мельбурнского университета в Австралии смоделировали волновые электростанции из 50 и 100 буев, расположенных в шахматном порядке. Для каждого устройства отдельно подбирались два параметра: резонансная частота и сопротивление генератора. При этом алгоритм учитывал положение каждого буя и то, как соседние устройства изменяют окружающее волновое поле.
Получается своеобразная «оркестровка» всей электростанции. Вместо того чтобы заставлять сотню одинаковых устройств работать в одном ритме, система подстраивает каждое из них под конкретные условия.
Причем речь идет не о настройке один раз перед запуском. Важное преимущество такого подхода заключается в возможности учитывать меняющиеся характеристики волн — их частоту, скорость и направление.
До 90% энергии волн — в расчетах
Результаты моделирования оказались впечатляющими. Оптимизированная система сохраняла высокую эффективность в широком диапазоне частот волн. На результат относительно слабо влияли изменения направления их распространения и скорости.
В расчетах около 90% энергии входящих волн удавалось преобразовать в электричество.
При этом модель показала еще один интересный эффект. По мере прохождения через ряды энергетических буев волны постепенно уменьшались. За пределами фермы на поверхности воды оставалось лишь слабое движение. Это вполне логично: если установка действительно извлекает большую часть энергии волнового потока, за ней волны должны становиться значительно спокойнее.
Однако важно подчеркнуть: 90% — результат компьютерного моделирования, а не показатель уже работающей морской электростанции. Реальные установки столкнутся с дополнительными ограничениями, включая штормовые нагрузки, коррозию, обслуживание, надежность креплений и потери при передаче электроэнергии.
Почему волновая энергетика пока не стала массовой
Энергия волн привлекательна тем, что источник практически не требует топлива: океан продолжает двигаться независимо от того, светит ли солнце или дует ли ветер. Но превратить это движение в дешевую электроэнергию значительно сложнее, чем просто поставить буй в море.
Оборудование необходимо изготовить, доставить в море, закрепить на дне и подключить к энергосистеме. Затем все это придется обслуживать в крайне агрессивной среде — соленой воде и постоянном воздействии волн.
Именно поэтому высокая теоретическая эффективность еще не гарантирует экономической эффективности. Авторы исследования отмечают, что способность крупных волновых электростанций конкурировать с уже широко распространенными солнечной и ветровой энергетикой будет зависеть прежде всего от дальнейшего технологического развития и снижения стоимости строительства и эксплуатации.
Волны можно не просто ловить, а «настраивать»
Главный результат работы заключается поэтому не столько в самих буях, сколько в новом способе управления их коллективной работой.
Когда устройств становится много, они перестают быть независимыми: каждый буй меняет волновое поле для остальных. Исследователи предлагают превратить этот недостаток в преимущество, подстраивая характеристики каждой установки под волну, которая фактически до нее доходит.
Если результаты моделирования подтвердятся в натурных испытаниях, такой подход позволит повышать производительность волновых электростанций без принципиального изменения конструкции самих преобразователей энергии.
Пока до промышленного применения еще далеко. Но исследование показывает, что следующий шаг в развитии волновой энергетики может быть связан не столько с созданием все более крупных устройств, сколько с умным управлением уже существующими технологиями.
