Энергия волн океана

Океаны, покрывающие большую часть поверхности Земли, являются, безусловно, крупнейшим источником возобновляемой энергии, которую еще предстоит эффективно освоить. Развитие волновой энергетики продолжает интенсивно развиваться.

Ожидается, что мировое потребление энергии будет расти и поэтому стоит задача расширить использование всех возобновляемых источников энергии и разработать более эффективные энергетические системы.

Предполагается, что до 2040 года мировое потребление энергии вырастет на 28%, в то же время прогнозируется, что глобальный спрос на электроэнергию увеличится на 65%, причем 85% увеличения этого спроса будет приходиться на развивающиеся страны.

Возможность извлечения энергии из океанских волн интересовала людей на протяжении многих веков, но только во второй половине двадцатого века начали появляться работоспособные конструкции. Несмотря на то, что существует более тысячи патентов на изобретение различных устройств преобразователей энергии волн, очень немногие из них дошли до стадии разработки, не говоря уже о промышленном производстве.

1 Физические принципы энергии волн

Океанские волны образуются в результате взаимодействия между сильными морскими ветрами и поверхностью океана.

Здесь задействованы три основных процесса:

1. Воздух, проходящий над морем, оказывает воздействие на поверхность воды, что приводит к образованию и росту волн.
2. Турбулентный поток воздуха вблизи поверхности воды создает быстро меняющиеся колебания давления. Там, где эти колебания совпадают по фазе с существующими волнами, происходит дальнейшее развитие волн.
3. Наконец, когда волны достигают определенного размера, ветер может оказывать более сильное воздействие на наветренную сторону волны, вызывая дополнительный рост волны.

Поскольку ветер изначально рождается благодаря солнечной энергии, можно рассматривать энергию океанских волн как накопленную форму солнечной энергии. Уровень солнечной энергии, обычно порядка 100 Вт/м² (среднее значение), может быть в конечном итоге преобразован в волны с уровнем мощности до 30 кВт на метр длины волны вдоль гребня. Используется именно этот показатель мощности волн, потому что природа волн не позволяет говорить о мощности на единицу площади: надо учитывать, что действие волн происходит по всей глубине воды, и поэтому мы рассматриваем мощность, проходящую через слой воды шириной в один метр.

Давайте начнем с рассмотрения идеализированной волны, как показано на рисунке 1.

Эта простая, «стандартная» волна может характеризоваться следующими параметрами:

• длина волны (λ) – расстояние между последовательными пиками (или впадинами) волны,
• высота (H) – разница в высоте между пиками и впадинами,
• период (t) – время в секундах между последовательными гребнями (или впадинами)  волны.

Пики и впадины волн движутся по поверхности моря со скоростью (v) и частотой (f) – количество колебаний поверхности волны от пика к пику (или от впадины к впадине) в секунду. Математически частота f является величиной, обратной периоду:

f= \frac {1}{t}

Итак, если волна движется со скоростью V мимо заданной фиксированной точки, она пройдет расстояние, равное ее длине волны, за время, равное периоду волны t. Это можно выразить следующим уравнением:

V= \frac {λ}{t}

Волновой ресурс обычно описывается как мощность на метр волнового фронта (длину гребня волны).

Мощность (P) в глубокой воде, там, где глубина больше половины длины волны, может быть описана следующим выражением:

P= \frac {ρg^2TH^2}{32π}

Источник

где:

ρ — плотность морской воды, зависит от ее температуры, солености и глубины. На поверхности океана ρ = 1,000 – 1,028 т/м³, на глубине 11000 метров ρ = 1,076 т/м³,

g – ускорение свободного падения, примерно равно 9,81 м/с²,

π — математическая константа, является отношением длины окружности к её диаметру, примерно равна 3,14,

H – высота волн.

Большая часть энергии в волне содержится вблизи поверхности и резко убывает с глубиной. Поэтому большинство волновых энергетических установок сконструированы для размещения вблизи поверхности воды.

Из вышеприведенного выражения видно, что мощность P, стандартной океанской волны зависит от квадрата ее высоты, H (в метрах), умноженному на период волны, t (в секундах). Приблизительно P может быть выражена следующим уравнением (в кВт на метр фронта волны):

P ≈ H^2t\quad [кВт/м]

Существуют различия между волнами в глубоководной части океана и на мелководье.

1.1 Глубоководные и мелководные волны

Глубоководные волны – с точки зрения распространения волн, вода считается «глубоководной», когда толща слоя воды до дна превышает примерно половину длины волны. Можно показать, что скорость глубоководной океанской волны пропорциональна ее периоду, как показано в уравнении:

V = \frac {gt}{2π}

Из этого уравнения можно сделать такой вывод:

Скорость глубоководной волны в метрах в секунду примерно в 1,5 раза превышает ее период в секундах.

Длинные волны распространяются быстрее, чем короткие волны. Это является уникальной особенностью глубоководных волн и проявляется в районах ураганов, где длинные волны обычно распространяются быстрее, чем порождающий их шторм, и поэтому приходу урагана часто предшествует сильный прибой на побережье.

Волны на мелководье – когда волны приближаются к берегу, морское дно начинает влиять на их скорость, и можно показать, что если глубина места, на котором распространяется волна составляет менее четверти ее длины, то:

Скорость распространения волны в этих условиях примерно равна квадратному корню из глубины места, на котором распространяется волна – она больше не зависит от длины (или периода) волны:

V ≈ \sqrt{{g}{H_м}}≈ 3,1\sqrt{{H_м}}\quad [м/с]

где:

 H_м — глубина места, на котором распространяется волна в метрах,

g – ускорение свободного падения

Высота и крутизна волн, создаваемых любым потоком ветра, зависит от трех факторов:

• скорости ветра,
• его продолжительности,
• и «разгона ветра» — длины водного пространства, на котором ветер постоянного направления воздействует на поверхность моря.

Важно знать, что происходит под водой, чтобы понять, как эффективно улавливать энергию волн.

1.2 Что происходит под водной поверхностью?

Профиль поверхности океана является очевидным доказательством существования волн, но также необходимо понимать подповерхностную природу волн, если мы хотим разработать схемы сбора из них энергии.

Как показано на рисунке 3, волны состоят из вращающихся частиц воды. Вблизи поверхности круговые траектории движения молекул воды имеют тот же размер, что и высота волны, но размер этих круговых орбит уменьшается по мере увеличения глубины. Размер орбит экспоненциально уменьшается с глубиной. 95% энергии волн содержится в слое между поверхностью и глубиной, равной четверти длины волны.

В мире есть несколько районов, где береговая линия образована крутыми утесами, обрывающимися в достаточно глубокую воду. Эти районы наиболее подходят для преобразователей энергии волн, устанавливаемых на берегу, поскольку падающие волны имеют высокую плотность мощности. Но для большинства береговых линий по всему миру прибрежные районы довольно мелководны. Из-за большого трения между частицами воды и морским дном глубоководные волны постепенно отдают свою энергию по мере того, как они докатываются до мелководных районов, набегая, в конечном итоге на берег.

Эта потеря мощности, очевидно, уменьшает общий ресурс энергии волн. Как правило, волны с плотностью мощности 50 кВт/м на большой глубине содержат лишь 20 кВт/м или меньше, когда они достигают мелководья ближе к берегу.

2 Волновые энергетические ресурсы

Большие волны, достигающие береговой линии, преодолевают очень большие расстояния при минимальных потерях энергии. Другие формы возобновляемых источников энергии имеют меньшую плотность энергии, чем энергия волн и приливов. Кроме того, непостоянство и отсутствие предсказуемости альтернативных форм энергии, таких как ветер и солнце, означает, что, например,  в Великобритании, выработка электроэнергии из этих альтернативных источников энергии возможна только в течение 20-30% всего времени. Энергию же из волн можно получать на протяжении 90% времени, однако ее добыча является более сложной задачей.

На рисунке 4 показаны оценки средней плотности мощности волн в различных точках мира. Районы, подверженные регулярным ветровым потокам, обладают наибольшими ресурсами волновой энергии. Юго-западные ветры распространены в Атлантическом океане и часто проходят значительные расстояния, передавая энергию воде для формирования больших волн, набегающих на европейское побережье.

Великобритания и Западная Европа обладают одним из самых высоких доступных волновых энергетических ресурсов. Что касается Великобритании, Торп (T.W. Thorpe, 2003) оценил, что общая среднегодовая волновая энергия вдоль северной и западной сторон Соединенного Королевства составляет от 100-140 ТВт/ч в год у берега и до 600-700 ТВт/ч в год на глубоководье, что составляет примерно 35% от всех европейских ресурсов волновой энергии.

Доля этого ресурса, которая может быть использована для производства электроэнергии, конечно, зависит от различных практических, технических и экономических факторов. Такие ресурсы и потенциал позволили ЕС поставить задачу на достижение цели — иметь 100 ГВт энергетических мощностей океана к 2050 году. Однако по состоянию на конец 2016 года в Европе было установлено только 14 МВт волновых эгнегетических установок.

3 Технологии использования энергии волн

Для получения энергии от морских волн необходимо использовать конструкции, которые будут соответствующим образом реагировать на силы, создаваемые волнами.

История исследований в области волновой энергетики насчитывает более двухсот лет. Француз Пьер-Симон Жирар признан первым обладателем патента на волновую энергию в 1799 году. Бывшего начальника японского военно-морского флота Японии Йошио Масуду можно считать отцом современной технологии WEC (Wave Energy Converter — Преобразователь энергии волн). Он разработал навигационный буй, использующий энергию волн, оснащенный воздушной турбиной, который фактически представлял собой то, что позже было названо (плавающим) колеблющимся водяным столбом (Oscillating Water Columns — OWC) (рис 5).

Эти буи были запущены в промышленное производство в Японии с 1965 года (а позже в США). С тех пор было разработано множество других различных конструкций. Некоторые из них не пошли дальше чертежного стола, другие превратились в мелкомасштабные модели, а некоторым суждено было пройти морские испытания. Технология все еще несовершенная и не существовала бы вовсе, если бы правительства стран не субсидировали ее.

Поэтому, чтобы стать конкурентоспособной на энергетическом рынке, для этой отрасли очень важно снизить общую стоимость вырабатываемой с помощью волн электроэнергии. Существует множество различных концепций преобразователей энергии волн, и неясно, какая из них лучше.

Различные варианты преобразователей волновой энергии (Wave Energy Converters — WEC):

В устройствах, установленных на берегу, конструкция прочно закрепляется на морском дне.

В других типах устройств часть конструкции может быть неподвижной, возможно, закрепленной на морском дне, а другая часть может быть поплавком, который движется синхронно с волнами. В этом случае относительное движение между якорем и поплавком обеспечивает возможность извлечения энергии.

Можно также использовать плавающие конструкции, закрепленные якорными тросами, но при этом необходимо создать базовую конструкцию – своеобразную стабильную систему отсчета, чтобы «активная» часть устройства двигалась относительно основной конструкции. Этого можно достичь, воспользовавшись свойством инерции, сделав основную конструкцию достаточно большой и массивной, чтобы она могла оставаться в относительно стабильном положении под воздействием волн, оставаясь достаточно устойчивой при достаточно широком спектре морских волнений.

Тело в море, подверженное воздействию волн, подвержено шести типам воздействия. Это sway (снос в поперечном направлении), roll (крен, бортовая качка, вращение относительно продольной оси) и yaw (рыскание, поворот в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси) которые обычно не используются в технологии преобразования энергии волн. Три других, которые в той или иной степени используются в большинстве волновых преобразователей энергии, следующие:

1) pitch (килевая качка) — волны заставляют устройство или его часть вращаться вокруг своей поперечной оси.

2) heave (вертикальные колебания) — волны заставляют устройство подниматься и опускаться вертикально, хотя эти устройства имеют слишком большую инерциальную массу, чтобы эти колебания были реально эффективными.

3) surge (продольный снос) — волны заставляют устройство двигаться горизонтально взад-вперед, Теоретически, такие движения вдвое активнее, чем вертикальные колебания, поэтому предпочтительнее использовать эту составляющую волн.

С экономической точки зрения необходимо, чтобы устройство проработало в море не менее пяти лет. За это время некоторые из его компонентов должны будут совершить от 15 до 30 миллионов циклов, что накладывает серьезные требования к выбору материалов. Конструкция, предназначенная для работы при определенной мощности волн, также должна будет выдержать штормы с мощностью, в десять-тридцать раз превышающей рабочее значение.

Существует множество различных конструкций преобразователей энергии волн (WEC). На переднем крае в области исследований и разработки WEC находятся Китай, Америка, Индия и некоторые европейские страны. Правительственные учреждения в этих странах финансировали исследования и предоставили испытательные площадки и лаборатории для разработки систем преобразования энергии.

Кроме того, помимо исследований, финансируемых государствами, некоторые исследования проводятся университетами, частными организациями, исследовательскими центрами, а также множеством инженеров-энтузиастов, увлеченных идеей получения энергии из океанских волн. Был сформирован широкий спектр идей преобразователей энергии волн (WEC).  К 1980 году уже было зарегистрировано более 1000 патентов, и с тех пор их число постоянно растет.

Было предложено несколько способов классификации WEC:

1. По местоположению устройства

1) стационарные береговые — закрепленные на морском дне обычно на мелководье или на берегу (например, TAPCHAN)

Эти устройства устанавливаются на береговой линии. Просты в обслуживании и установке (часто встраиваются в существующие сооружения, например, волнорезы). Кроме того, не требуются глубоководные швартовы, и риск повреждения штормами береговых устройств минимален, но и режим волнения здесь менее эффективен.

2) размещенные на промежуточных глубинах (например, Oyster, WaveRoller).

Устройства предназначены для установки на мелководье, в прибрежной волновой среде, которая обычно находится вблизи береговой линии и где трение дна начинает рассеивать часть энергии набегающих океанских волн.

3) морские устройства (например, AWS-III).

Устройства предназначены для размещения в глубоких морских волновых средах, как правило, далеко от береговой линии и там, где трение дна оказывает незначительное влияние на волновую энергию. Это соответствует месту, где глубина больше чем половина длины океанской волны. Морские устройства, в силу суровых климатических условий, могут выдерживать большие нагрузки, однако их гораздо сложнее развертывать и эксплуатировать.

2. По принципу действия:

1) Колеблющийся водяной столб (Oscillating water column — OWC)

Колеблющийся водяной столб представляет собой частично погруженную в воду полую структуру. Имеется открытый проход со стороны моря ниже поверхности уровня воды. Волны заставляют столб воды подниматься и опускаться, что, в свою очередь, сжимает и разжимает столб воздуха. Этот воздух выталкивается в атмосферу и засасывается обратно из атмосферы через турбину, которая обычно имеет возможность вращаться независимо от направления воздушного потока. Вращение турбины используется для выработки электроэнергии. В настоящее время конструкции на основе OWC находятся в стадии активной разработки, интенсивно изучаются и, вероятно, получат большое развитие в ближайшие несколько лет.

2) Устройства вертикального колебания (Heaving type devices)

Устройства обычно сконструированы как осесимметричные буи на поверхности воды или чуть ниже, извлекающие энергию из вертикального движения волны. В общей сложности 74 компании, зарегистрированные Морским энергетическим центром в Европе в области энергии волн, сосредоточены на производстве точечных поглотителей вертикального колебания. Среди них Cor Power WEC, Power Buoy (рис. 9), система CETO.

3) Преобразователи движений водных масс (Oscillating wave surge — OWSC)

OWSC состоят из колеблющейся конструкции, например, пластины, шарнирно закрепленной на рычаге погруженной в воду опорной базе. Рычаг колеблется, как перевернутый маятник, в соответствии с движением воды в волнах. Энергия извлекается из волн и движущихся масс воды. В настоящее время в мире разработано несколько таких преобразователей волн, включая BioWare, Langlee и Oyster.

4) Использующие подводные перепады давления (Submerged pressure differential)

Эти устройства обычно размещают рядом с берегом и прикрепляют к морскому дну. Обычно они представляют собой подводные точечные поглотители, установленные вблизи берега, и состоят из одной или более камер, заполненных воздухом, в которых давление колеблется в зависимости от фазы падающей волны (впадина или гребень).

Изменение давления приводит к непрерывному движению потока воздуха внутри устройства, который преобразуется воздушной турбиной в электричество. Например, в конструкции  WEC Bombora  используются модули, представляющие собой ряд надуваемых воздухом ячеек, покрытых резиновыми мембранами, которые крепятся к конструкции под поверхностью океана. Когда волны проходят сверху, давление воды становится больше и воздух выталкивается из каждой ячейки через ряд клапанов в воздуховод. После прохождения волны ячейки снова заполняются воздухом. Поток воздуха в канале приводит в действие турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие генератор.

5) Переливные устройства (Wave Overtopping Device)

Устройства перелива захватывают воду, когда волны врываются в специальное водохранилище,  расположенное выше уровня поверхности океана. Затем вода возвращается в море, проходя через обычную низконапорную турбину, которая вырабатывает электроэнергию.

Переливные устройства всегда базируются у берега. Типичными примерами таких устройств являются Tapchan и Wave Dragon.

3. В  соответствии с направлением распространения волны:

1) терминаторы (ограничители) (Terminator).

Эти устройства перехватывают волны, находясь перпендикулярно преобладающему направлению движения волн, поглощают энергию только с одного направления.  

2) аттенюаторы (Attenuator), преобразователи с качающимся корпусом (Oscillating Body Converters). Их ориентация параллельно направлению волн.

Аттенюатор представляет собой обширную плавучую конструкцию, ориентированную по направлению волны. Аттенюатор работает, используя энергию от движения двух соседних плеч относительно друг друга, когда через них проходит волна.

Типичным примером является Pelamis. Впервые в мире три установки Pelamis установили на побережье Португалии в сентябре 2008 года.

3) точечный поглотитель (Point absorber)

Точечный поглотитель имеет значительно меньшие размеры, чем длина волны, и может вырабатывать энергию независимо от направления распространения волны. Буй может колебаться с одной степенью свободы или более, как показано на рисунке 16. Энергия извлекается от движения буя, а генератор преобразует ее в электричество. Примером точечного поглотителя, использующего килевую качку, является «Утка Солтера».  Также примерами многоточечных поглощающих устройств можно назвать Wave Star, FO3 и Manchester Bobber.

4) квазиточечный поглотитель (Quasi-point absorber)

Квазиточечные поглотители представляют собой осесимметричные WEC, которые не реагируют на направление волны (как и точечные поглотители), но имеют довольно большие размеры, сравнимые с длинами волн (как и терминаторы). Примерами могут служить Hals и Falnes.

4. По принципу отбора мощности (Power Take-Of- (PTO))

1) Пневматические – действие волны вызывает движение воздуха, приводящего в движение турбину. Этот метод отбора мощности является общим для группы устройств с колеблющимся водяным столбом.

2) Гидро – вода используется для привода обычных гидротурбинных двигателей, например, гидротурбины с низким напором в переливных устройствах или турбины Пельтона для систем, перекачивающих воду под давлением.

3) Гидравлические — гидравлические масла высокого давления передаются между насосами, двигателями и аккумуляторами для работы генератора.

4) Использующие прямой привод — чаще всего это касается линейных генераторов, но также и механических систем с прямым соединением (например, маховиков, храповых систем, и т. д.)

5. По принципу установки:

1) WEC установлен на фундамент, сооруженный на морском дне или на берегу (Bottom-standing).

2) Плавающие — для поддержания системы на одном месте на плаву в открытом море (или реже прибрежном) используются специальные системы швартовки (Floating).

3) Подводные — WEC полностью погружена под воду — будь то привязана к морскому дну или закреплена на дне (Submerged)

6. По источнику воздействия

1) Морское дно — относительное движение WEC по отношении к морскому дну обеспечивает источник воздействия, используемый в системах отбора мощности — PTO (Power Take-Off). Это наиболее характерно для WEC, жестко соединенных с морским дном.

2) Самостоятельное движение — относительное движение одного из элементов конструкции WEC обеспечивает источник воздействия, используемый в системах отбора мощности. Это наиболее распространено в заякоренных, плавающих конструкциях, где один элемент конструкции двигается относительно другого в  системе (например, тороидальный буй вокруг столбовидного буя или точечный поглощающий буй относительно плавающей платформы).

● 64% этих технологий предназначены специально для использования в открытом море, 19% — только на мелководье вблизи берега, примерно 11% могут использоваться как вблизи берега, так и в море, и только 6% предназначены для использования на берегу (рис. 18a).

● 67% технологий плавающие, 19% — фундамент конструкции установлен на дне, а 14% — полностью погружены под воду (рис. 18b).

● 53% — точечные поглотители, 33% — терминаторы и 14% — аттенюаторы (рис. 18c).

● 42% технологий используют гидравлический принцип отбора мощности (PTO), 30% используют PTO с прямым приводом, 11% используют гидромашины, 11% используют пневматические PTO, 5,6% — не известно (рис. 18d).

Рассмотрим более подробно некоторые конструкции (конечно же, не все! Их огромное количество!) преобразователей энергии волн (WEC). Начнем со стационарных устройств.

3.1 Стационарные береговые устройства

Стационарные устройства, закрепленные на морском дне или устанавливаемые на берегу — это наиболее распространенные типы преобразователей энергии волн.

Эти устройства устанавливаются на береговой линии или встраиваются в нее, что имеют ряд преимуществ, например, более простое обслуживание и/или установка. Кроме того они не требуют глубоководных причалов или длинного подводного электрического кабеля. Однако они будут подвергаться гораздо менее мощному волновому режиму. Развертывание таких схем может быть ограничено требованиями к геологии береговой линии, диапазонами приливов и отливов, сохранением прибрежного пейзажа и т.д.

Устройства для использования энергии волн на береговой линии:

Преимущества и недостатки стационарных береговых устройств по сравнению с плавающими показаны в таблице 1:

Таблица 1 

3.1.1 Стационарные устройства с колеблющимся водяным столбом (OWC)

Большинство протестированных и разрабатываемых стационарных устройств относятся к типу колеблющихся водяных столбов (oscillating water column — OWC).

В устройствах OWC воздушная камера частично погружена в воду, и содержащийся в ней воздух вытесняется, а затем опять поступает в камеру под действием накатывающихся волн. При своем прохождении из камеры и обратно воздух проходит через воздушную турбину – обычно типа Уэллса, показанную на рисунке 23.

Турбина Уэллса — это устройство с осевым потоком, которое приводит в действие генератор и, таким образом, производит электроэнергию.

Она вращается в одном направлении независимо от направления воздушного потока и обладает аэродинамическими характеристиками, особенно подходящими для применения в волновой энергетике. Это были наиболее используемые турбины в OWC до разработки бирадиальных турбин. Наиболее используемым типом турбины Уэллса является многолопастная турбина. Она вырабатывает электроэнергию при низких скоростях потока и ее эффективность резко падает при скоростях потока выше критического значения из-за аэродинамических потерь. Поэтому эти турбины не подходят для очень бурных морей. Их основным производителем является компания Voith Hydro Wavegen.

В середине 1980-х годов команда ученых Королевского университета в Белфасте (QUB) работала над созданием устройства колеблющегося водяного столба (OWC) на береговой линии на острове Айлей в Шотландии. С 1991 года он периодически снабжал местную сеть электричеством от генератора мощностью 75 кВт, пока не был выведен из эксплуатации в 1999 году. Подход QUB заключался в разработке устройства, которое можно было бы дешево построить на островах с использованием местных технологий и оборудования.

Чтобы преодолеть некоторые недостатки своего первого прототипа, команда QUB совместно с компанией Wavegen of Inverness продолжила разработку второго проекта под названием LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer).

В Limpet также используется колеблющийся водяной столб (OWC).

Данная береговая установка OWC состоит из частично погруженной в воду полой конструкции, которая открыта для моря ниже ватерлинии. Эта конструкция заключает в себе столб воздуха поверх водяного столба. Когда волны набегают на устройство, они заставляют столб воды подниматься и опускаться, что в свою очередь сжимает и разжимает столб воздуха. Если этим воздухом вращать турбину, то можно выработать электроэнергию. Для получения энергии обычно также используется турбина Уэллса.

Строительство LIMPET было завершено в сентябре 2000 года. Он имел максимальную выходную мощность 500 кВт; более чем за десять лет наработал много тысяч часов. Установка была выведена из эксплуатации, и по состоянию на 2018 год все агрегаты, кроме бетонной конструкции, составляющей волновую камеру, были демонтированы.

Стационарные установки OWC бывают отдельно стоящие (isolated) и встроенные в волнорез (breakwater).

По всему миру были установлены несколько отдельно стоящих стационарных установок OWC, например:

▪ Установка  Pico на Азорских островах, Португалия (400 кВт) (рис. 25) работала с 1999 года с турбинами Уэллса, построенными на морском дне рядом с вертикальным обрывом.

▪ Установка LIMPET в Шотландии, Великобритания (500 кВт) (рис. 26). Она была расположена в углублении, вырезанном в скалистом утесе.

▪ Береговая установка OWC была построена в 2001 году в провинции Гуандун (Guangdong Province) (Китай) (100 кВт).

▪ В 2015 году в Йонгсу (Yongsoo), остров Чеджу, Южная Корея, было завершено строительство донной OWC (500 кВт) (рис. 27). В 2019 году аналогичная конструкция была установлена на острове Кинг, Австралия (200 кВт).

Были и другие проекты OWC, которые потерпели неудачу, например, установка OSPREY (1 МВт), расположенная на побережье Шотландии, или установка greenWAVE (1 МВт), построенная компанией Oceanlinx в Порт-Аделаиде.

При строительстве OWC одним из вариантов его размещения является интеграция в волнорез. Этот вариант очень удобен по нескольким причинам: затраты на строительство общие, эксплуатация и обслуживание проще, а эффективность обычно выше.

В качестве примера можно привести OWC, установленные в порту Саката (Япония), и в Мутрику (Испания) (рис. 28).

3.1.2 TAPCHAN

Концепция TAPCHAN (TAPered CHANnel – «сужающийся канал») проста. Первый и пока единственный экземпляр был построен на небольшом норвежском острове. Устройство TAPCHAN состоит из постепенно сужающегося канала с высотой стенок обычно от 3 до 5 м над средним уровнем воды. Волны входят в широкий конец канала и, по мере их распространения по сужающемуся каналу, высота волн увеличивается до тех пор, пока гребни волн не переливаются через стены в водохранилище, которое приподнято над уровнем моря.

Таким образом, кинетическая энергия волн преобразовывается в потенциальную энергию, которая впоследствии преобразуется в электричество. Вода в водохранилище возвращается в море через систему турбин Каплана. Это приводит в действие генератор мощностью 350 кВт, который поставляет электроэнергию в норвежскую сеть. Турбины Каплана в настоящее время широко используются во всем мире для производства электроэнергии с высоким расходом и низким напором.

Опытная установка с номинальной мощностью 350 кВт начала работать в 1985 году в Тофтесфаллене, Норвегия. Устройство успешно функционировало до начала 1990-х годов, когда работы по модификации устройства разрушили конический канал.

Потенциальный рынок для такого устройства в Европе ограничен, поскольку конструкция требует (среди прочего) небольшого диапазона приливов и отливов. Поэтому данное устройство лучше подходит для островов.

3.1.3 Устройство Pendulor

Опытное устройство Pendulor мощностью 5 кВт было установлено в Японии на Хоккайдо в 1983 году.

Оно состояло из прямоугольного блока, который с одного конца был открыт в сторону моря (рисунок 22). Над этим отверстием шарнирно закреплена маятниковая заслонка, так что под действием волн она раскачивается вперед-назад. Это движение затем используется для приведения в действие гидравлического насоса и генератора. На основе испытаний этой конструкции, было разработано и смонтировано новое устройство Pendulor в 1994 году.

3.1.4 Устройства, размещаемые на промежуточных глубинах

В Японии и Шотландии также были протестированы другие прототипы волновых электрогенераторов. В Шотландии в 2009 году в Европейском центре морской энергетики было разработано устройство под названием Oyster, способное выдавать 315 кВт.

Oyster был разработан эдинбургской компанией Aquamarine Power, специализирующейся на разработке устройств для получении энергии из волн. Oyster использует энергию прибрежных океанских волн. Устройство было спроектировано для работы в воде глубиной от 10 до 12 метров. Оно состоит из силовой соединительной рамы (Power Connector Frame — PCF), намертво крепящейся к морскому дну, и блока захвата энергии (Power Capture Unit — PCU). PCU представляет собой 200-х тонную подвижную плавучую створку, которая движется взад-вперед при движении волн. Движение створки заставляет работать два гидравлических поршня, подающих воду под высоким давлением в береговую гидроэлектрическую водяную турбину, которая в свою очередь приводит в действие генератор для выработки электроэнергии.

 В 2012 году была введена в эксплуатацию установка Oyster второго поколения, способная выдавать уже 800 кВт. В Oyster 2 используется та же базовая технология, что и в Oyster 1, однако она имеет другую форму, которая позволяет максимально увеличить количество энергии, улавливаемую из волн. Oyster 2 состоит из трех подвижных створок мощностью 800 кВт, которые подключены к одному трубопроводу, ведущему к береговому гидроэлектрогенератору мощностью 2,4 МВт. Длина каждой створки составляет 26 метров, что в два раза больше, чем у Oyster 1.

Проект Oyster был заброшен в 2015 году после того, как компания Aquamarine Power не смогла найти инвесторов для дальнейшего развития этой программы.

3.2 Морские устройства

Этот класс устройств преобразования энергии волн способны вырабатывать больше энергии, чем стационарные береговые устройства (размещаются там, где глубина больше 40 метров), поскольку мощность волн в открытом море выше, чем на мелководье, и нет особых ограничений для развертывания большого количества таких устройств.

Существует много различных типов таких морских устройств, некоторые из которых показаны на рисунке (32а—д). Они были выбраны, поскольку представляют собой широкий спектр устройств и механизмов, с помощью которых энергия извлекается из волн.

3.2.1 Поплавковые устройства

Самые простые концепции извлекают энергию из вертикального движения поплавка, когда он поднимается и опускается с каждой волной.

В устройстве Danish Wave Power (DWP) (рис. 32а) это достигается путем крепления поплавка к насосу и генератору, установленным в корпусе на морском дне.

После проведения опытно-конструкторских работ, опытный образец устройства мощностью 1 кВт был установлен возле гавани Ханстхольм, Дания.

После некоторых первоначальных трудностей, это устройство работало непрерывно в течение нескольких месяцев, обеспечив получение значительного объема информации, использованного впоследствии при дальнейшей разработке этой схемы.

Другой пример устройства, использующего принцип поплавка, Hosepump (рис. 32б),   представляет собой прочный резиновый шланг, объем которого уменьшается по мере его растяжения. Внутренняя часть Hosepump заполнена морской водой, и, когда поплавок поднимается,  резина растягивается, внутренний объем уменьшается и создается давление. С помощью обратного клапана устройство может подавать морскую воду под напором в линию, соединяющую несколько модулей Hosepump. По этой линии морская вода подается в обычную турбину Пелтона при давлении от 1 до 4 МПа. После испытаний Hosepumps, один малогабаритный модуль установили в озере Лигнерн на западе Швеции.

Позже более крупная система, состоящая из пяти модулей, подключенных параллельно к одной турбине и генератору, была установлена также на озере Лигнерн. В течение 1983-84 годов установка из трех модулей с турбиной и генератором была установлена в открытом море близ норвежского побережья. Несмотря на потерю первых установленных систем во время штормов, была проведена оценка стоимости станции мощностью 64 МВт, состоящей из 360 модулей для размещения у норвежского побережья. Характеристики системы были достаточно хорошими, чтобы можно было говорить об использовании Hosepump для питания навигационных буев.

3.2.2 Пневматические устройства

Другие концепции морских устройств используют воздух для генерирования электроэнергии.

3.2.2.1 “MightyWhale”, SEAClam, Bombora

Большое плавучее устройство под названием “Mighty Whale” («Могучий кит»), было в 1998 году установлено в Японии в 1,5 км от берега недалеко от залива Гокашо. Начались его испытания. Могучий кит имел длину 50 м, ширину 30 м, высоту 12 м и осадку 8 м. Водоизмещение составляло около 4400 тонн. Могучий кит — преобразователь энергии волн типа колеблющегося водяного столба с воздушными турбинами. Он имел три воздушные камеры размером 10 м х 8 м х 12 м. Эти камеры включали в себя турбины с номинальной мощностью 10 кВт, 30 кВт и 50 кВт, которые подключались в зависимости от состояния волнения.  В декабре 2000 испытания были прекращены, а в 2002 установка была демонтирована.

Другой тип пневматических устройств использует гибкую мембрану или мешок, в котором заключен некоторый объем воздуха. Когда мешок периодически сжимается под действием волн, он прогоняет воздух через турбогенератор. Основная работа в этой области была проведена Университетом Ковентри. В круговой конструкции боковые воздушные мешки оказывали давление на кольцевую полость, в которой находилось несколько турбин Уэллса. Эта концепция была усовершенствована в дальнейшем, что привело к появлению эскизного проекта прототипа 2,5 МВт под названием SEA Clam (рис. 32в).

Также примером пневматического устройства с использованием эластичных ячеек можно назвать преобразователь энергии волн «mWave» от компании Bombora Wave Power. Компания Bombora разработала мембранный преобразователь энергии волн mWave™. mWave™ представляет собой серию заполненных воздухом ячеек, покрытых резиновыми мембранами, которые крепятся к конструкции под поверхностью океана. Когда волны проходят над головой, давление воды увеличивается, ячейки сжимаются и воздух выталкивается из каждой ячейки через ряд клапанов в односторонний воздуховод. Когда волна пройдет, ячейки снова заполняются воздухом. Гибкая мембрана изготовлена из промышленного каучука. Многолетнее использование подобных материалов в ряде морских конструкций продемонстрировало надежность и долговечность материала.

Разработаны как плавающие платформы mWave™, с возможностью размещения в глубоких водах (более 50 метров), стационарные прибрежные платформы, размещаемые на дне на глубине примерно 10-25 метров, так и комплексная система mWave™, на платформе которой размещены одновременно и преобразователь энергии волн и ветровая турбина.

3.2.2.2 Буй с обратным изгибом (Backward Bent Duct Buoy — BBDB)

Одной из разновидностей плавающих преобразователей энергии волн в электроэнергию на основе использования OWC является буй с обратным изгибом (Backward Bent Duct Buoy — BBDB) (рис. 36).

Буй с обратным изгибом (BBDB) был задуман как относительно недорогое волновое энергетическое устройство для преобразования энергии волн в электричество. Буй с обратным изгибом (BBDB) состоит из L-образного канала, воздушной камеры, воздушной турбины, генератора и модуля плавучести.

В канале L-образной формы используется колеблющийся столб воды. Открытое устье канала находится на противоположной стороне от набегающих волн. В вертикальной части удерживается столб воздуха в верхней части канала, а вентиляционное отверстие позволяет воздуху входить и выходить под давлением из-за колебаний поверхности воды. Возникающее воздушное течение приводит в движение воздушную турбину, установленную над колеблющимся столбом воды. Этот воздушный поток становится средством для производства электроэнергии.

На рис. 37 показан BBDB, который первоначально был сделан для тестирования без силового модуля. Конструкция имела эквивалентное отверстие для того, чтобы имитировать турбину. Размеры устройства были определены после исследований модели.

3.2.2.3 Точечный поглотитель AWS-III/Clam

Разработанный в Университете Ковентри AWS-III/Clam (рис. 38) состоит из двенадцати соединенных воздушных камер, или ячеек, расположенных по окружности тороида, с турбинами Уэллса в каждой ячейке. В полном масштабе это было бы около 60 м в диаметре, и размещалось бы там, где большая глубина (40-100 м). Каждая ячейка изолирована от моря гибкой армированной резиновой мембраной.

3.2.3  Устройства с подвижным корпусом

В более сложных типах морских устройств используются подвижные твердые корпуса, которые колеблются в ответ на воздействие волн или движение частиц воды. Было разработано множество различных концепций движущихся тел, из которых самыми известными являются: эдинбургская утка, бристольский цилиндр, волновой насос МакКейба (McCabe Wave Pump), Pelamis и лягушка PS (PS Frog).

3.2.3.1  Эдинбургская утка

Подход, принятый командой Эдинбургского университета, заключался в разработке волнового энергетического устройства («Утка») (рис. 32г), которое могло бы использовать максимальное количество волновой энергии, доступной на глубоководье. Это требовалось, чтобы «Утка» работала в более энергичных волновых режимах, что, естественно,  предъявляло большие технические требования к устройству.

Концепция «Эдинбургской утки», также известной как Утка Солтера, или «кивающая утка» (рис. 39) проекта 1983 года мощностью 2 ГВт состояла из восьми связок, в каждой из которых было 54 плавучих секций «позвоночника», пришвартованных на глубине 100 м гибкими тросами. Корпуса «Уток», прикрепленные к «позвоночнику», вращались вокруг «позвоночника» и «кивали», покачиваясь на волнах. Гидравлические цилиндры, установленные в соединениях между каждой секцией «позвоночника», позволяли всему «позвоночнику» изгибаться в штормовых условиях.

Каждый корпус «Утки» содержал два независимых силовых контейнера, каждый из которых представлял собой полностью герметичный блок, содержащий основную механическую и электрическую установку.

Внутри каждого силового контейнера были установлены несколько кулачковых насосов и гироскопы. Эксцентрики, которые управляли насосами, были закреплены на стенке контейнера.

При кивке утки гироскопы, рамка гироскопа и насосы перемещались относительно стенки контейнера и эксцентриков. В результате каждый насос при движении взаимодействовал с эксцентриком, что создавало насосное действие, подавая масло в гидравлическую кольцевую магистраль высокого давления.

Эта гидравлическая кольцевая магистраль питала несколько двигателей, которые были подключены к гироскопу и электрическому генератору. Такое собрание двигателей позволяло передавать энергию к гироскопам и от них, что обеспечивало накопление энергии. Это давало возможность сгладить колебания уровня мощности при различных состояниях моря, обеспечивая стабильную подачу мощности на двигатель электрического генератора.

Силовые контейнеры внутри позвоночника также вырабатывали энергию, используя масло от гидравлических цилиндров, установленных в соединениях между каждой секцией «позвоночника». Энергия, вырабатываемая силовыми контейнерами «Утки» и «позвоночника», собиралась по всей длине «позвоночника» и подавалась на берег.

Теоретически концепция является одной из наиболее эффективных из всех схем волновой энергетики, но, вероятно, потребуется очень много времени, чтобы полностью разработать инженерные решения, необходимые для использования этой концепции в полном масштабе.

По состоянию на май 2018 года ни одно такое устройство не запускалось в крупносерийное производство.

3.2.3.2  Бристольский цилиндр

В этой конструкции (рис. 32д) большой плавающий корпус подвергается круговому движению под действием волн. При этом происходит воздействие на платформу, закрепленную на морском дне. В первоначальном проекте относительное движение цилиндра использовалось для приведения в действие поршней гидравлических насосов. Они нагнетали масло высокого давления, которое использовалось для привода электрического генератора.

3.2.3.3  Волновой насос McCabe

Устройство было придумано Питером МакКейбом в 1980 году, после чего оно было изучено как теоретически, так и экспериментально. В августе 1996 года прототип длиной 40 м был развернут у побережья Килбаха, графство Клэр, Ирландия.

Устройство состоит из трех прямоугольных стальных понтонов (рис.40а), которые соединены между собой шарнирами. Эти понтоны выровнены таким образом, что ось их продольного сечения направлена навстречу набегающим волнам. Носовая часть переднего понтона закреплена якорными тросами, а еще два якорных троса прикреплены к заднему понтону (рис. 40б). Это позволяет системе изменять свое положение для того, чтобы быть ориентированной на встречные волны.

Три понтона перемещаются относительно друг друга в волнах. Существенным элементом схемы является демпферная плита, прикрепленная к центральному понтону; это увеличивает инерцию центрального понтона (за счет увеличения массы), гарантируя, что он остается относительно неподвижным. Таким образом, носовой и задний понтоны за счет килевой качки перемещаются относительно центрального понтона, поворачиваясь на шарнирах. Энергия извлекается из вращения вокруг шарниров с помощью линейных гидравлических цилиндров, установленных между центральным и двумя внешними понтонами. Управление характеристиками гидравлической системы позволяет настроить устройство в соответствии с преобладающим состоянием моря и таким образом оптимизировать захват энергии.

По замыслу разработчика, это устройство должно было нагнетать морскую воду для использования в системе обратного осмоса для получения пресной питьевой воды. Расчеты показывают, что оно будет экономически конкурентоспособно на рынке.

3.2.3.4  Пеламис (Pelamis)

Пеламис (Pelamis), или «морская змея», состоит из нескольких плавающих цилиндрических секций, соединенных друг с другом подвижными соединениями (рис. 41). Из-за вызванного волнами вздымания и раскачивания секций, гидравлические цилиндры прокачивают масло под высоким давлением через гидромоторы, а они приводят в действие электрогенераторы для выработки электроэнергии. Электричество подается по соединительному кабелю, проложенному на морском дне.

Прототип установки Pelamis P1 имел мощность 750 кВт и был 120 м в длину и 3,5 м в диаметре. Он состоял из четырех секций, соединенных тремя модулями преобразования энергии. Общий вес установки – 750 тонн.

«Морская змея» была разработана ныне несуществующей шотландской компанией Pelamis Wave Power в 2004 году. Было построено еще пять других машин Pelamis: три машины первого поколения Pelamis P1, которые были испытаны у побережья Португалии в районе Агусадора, на расстоянии пяти километров от берега, и две машины второго поколения, Pelamis P2-001, -002, которые были испытаны у Оркнейских островов, Шотландия с 2010 по 2014 год.

Проект Pelamis P1 закрыли раньше, чем планировалось, потому что управлявшая всем проектом компания Babcock & Brown обанкротилась.

В 2010 году Pelamis Wave Power начала испытания Pelamis второго поколения — Pelamis P2. При длине 180 м, диаметре 4 м и весе около 1350 тонн (в основном песчаный балласт) Pelamis P2 шире, длиннее и тяжелее, чем машина конструкции P1. Это позволяло Pelamis P2 улавливать больше энергии при существенном снижении затрат на один МВт. P2 состоит из пяти трубчатых секций с четырьмя соединениями.

Усовершенствованная система отбора мощности Pelamis P2 была более эффективна, обеспечивала улучшенное управление и повышала надежность. Угол наклона шарниров был увеличен, что позволило значительно увеличить поглощение энергии при разных состояниях моря. Вместо отдельных секций P1 силовые модули были вмонтированы в секции труб. Шарнирные соединения с одной степенью свободы были заменены на универсальные шарниры, обеспечивающие две степени свободы. Эти изменения уменьшили количество дорогостоящих торцевых крышек в установке. Был упрощен процесс соединения труб.

По результатам успешной эксплуатации Pelamis P2, компанией Scottish Power Renewables, по заказу которой строилась Pelamis P2-002, планировалось установить 66 установок Pelamis в проекте мощностью 50 МВт в водах у западного побережья Оркнейских островов. Но, как всегда, для дорогостоящих проектов не хватило финансирования.

После прекращения деятельности компании Pelamis Wave Power, вся документация и другие материалы по проекту Pelamis были переданы шотландскому государственному органу Wave Energy Scotland.  Устройство P2-001, отработав более 15 000 часов, было приобретено Wave Energy Scotland, затем в апреле 2016 года было выведено из эксплуатации и продано Совету Оркнейских островов за 1 фунт стерлингов. Другое устройство, P2-002, было продано Европейскому центру морской энергетики для использования в качестве испытательной установки.

В Китае также была построена волновая энергетическая машина Hailong (Dragon) 1 которая, как сообщается, является почти полной копией Pelamis.

3.2.3.5  PS Frog

Работа над проектом PS Frog (далее — «Лягушка») началась в Ланкастерском университете, Великобритания, в 1985 году.

Оригинальная «Лягушка» имела верхнюю часть в форме весла, ось которого параллельна гребням падающих волн, и прикрепленную к цилиндрической нижней части (рис. 42). Верхняя часть образует рабочую поверхность, в то время как нижняя часть содержит все механическое и электрическое оборудование, включая большую реактивную массу, которая движется относительно корпуса. При килевой качке и продольном сносе реактивная многотонная масса скользит взад-вперед по направляющим.  Движение массы заставляет гидравлические цилиндры по обе стороны от массы гнать масло под высоким давлением через аккумулятор (для сглаживания колебаний мощности) в гидравлический мотор и электрический генератор. Электроэнергия передается на берег по подводным кабелям.

Устройство соединено с морским дном с помощью швартовых тросов. Оно может располагаться в широком диапазоне глубин, но 40 м считается оптимальной глубиной.

Более совершенной моделью «Лягушки» является устройство PS Frog Mk 5 (рис. 44).

Содержащийся в герметичном стальном корпусе, без внешних движущихся частей, PS Frog спроектирован таким образом, чтобы быть таким же прочным, как корабль, и способен выдерживать штормы в течение длительного периода времени. Такое устройство будет очень экономичным с точки зрения выходной мощности на единицу капитальных затрат.

4. Экономика волновой энергетики

Капитальные затраты на кВт при создании волновой электростанции, вероятно, как минимум, в два раза выше, чем у обычной станции, работающей на ископаемом топливе. Коэффициент мощности ниже, чем у обычной станции из-за изменчивости волнового климата. Следовательно, затраты на волновую энергию могут быть конкурентоспособными, только если эксплуатационные расходы будут значительно ниже чем для обычной станции.

Естественно, что затраты на «топливо» в  волновой энергетике равны нулю, а главным фактором являются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание. Следовательно, конструкции должны быть надежными в преобразовании энергии и достаточно прочными, чтобы выдерживать суровый волновой климат в течение многих лет, поэтому они должны быть рассчитаны на длительный срок службы и с небольшим количеством движущихся частей (для минимизации отказов). Колеблющиеся водяные столбы (OWC) и схемы TAPCHAN являются хорошими примерами того, что требуется.

Извлечение энергии из волн в настоящее время слишком дорого, чтобы быть значимым альтернативным источником возобновляемой энергии. Затраты на извлечение энергии из волн можно разделить на несколько основных категорий: производство, установка, обслуживание и подключение к сети. Кроме того, сюда надо включить и стоимость вывода из эксплуатации по окончанию срока службы. Поскольку эти затраты сильно различаются между различными устройствами преобразования энергии волн (WEC), трудно оценить стоимость производства таких преобразователей. Например, стоимость подключения к электрической сети для береговых WEC намного меньше, чем для морских, поскольку требуется меньше электрического кабеля.

Трудно предсказать долгосрочный путь к снижению затрат, как это происходило в прошлом в других отраслях, от вычислительной техники до традиционной энергетики и более схожих секторов возобновляемых источников энергии, таких как ветер. Индустрия волновой энергетики неофициально нацелена на то, чтобы к концу 2020-х годов стать конкурентоспособной по стоимости с морским ветром. Следует подчеркнуть, что такое снижение затрат в значительной степени зависит от инвестиций, а не от времени. Нужна государственная поддержка проектов. Политики же часто по понятным причинам не решаются вкладывать средства в технологии, у которых нет четкого долгосрочного пути к сетевому паритету (состоянию равенства цены 1 КВт*ч электроэнергии, полученной от WEC, с аналогичной ценой при использовании традиционных методов, например, ГЭС).

Вероятно, будущие исследования позволят значительно снизить большую часть стоимости затрат  волновой электроэнергии. Продолжение исследований, по всей видимости, приведет к созданию более дешевых и эффективных преобразователей, которые снизят производственные затраты. Кроме того, преобразователи в настоящее время производятся только небольшими партиями для исследований. Если их производить в больших масштабах для широкого использования, производственная отрасль выиграет от экономии за счет масштаба производства, что также снизит производственные затраты.

5 Воздействие технологий волновой энергетики на окружающую среду

Преобразователи энергии волн должны стать одними из самых экологически безопасных энергетических технологий по следующим причинам:

1. Они наносят минимальное химическое загрязнение. Самое большее, они содержат некоторое количество смазочного или гидравлического масла, которое тщательно изолировано от окружающей среды.

2. Они не должны оказывать отрицательное визуальное воздействие, за исключением тех случаев, когда они установлены на берегу.

3. Уровень шума низкий – как правило, ниже, чем шум разбивающихся волн.

4. Они не должны представлять значительную опасность для судоходства.

5. Они не должны становиться препятствием для мигрирующих рыб.

6. Плавающие конструкции не должны оказывать существенного влияния на прибрежную среду. Бетонные конструкции встроенных в волнорезы преобразователей энергии по истечении срока их эксплуатации должны демонтироваться.

7. Подсчитано, что преобразователи энергии волн высвобождают (например, при строительстве и транспортировке материалов) около 11 г CO₂, 0,03 г SO₂ и 0,05 г NO_x на каждый кВт-ч вырабатываемой электроэнергии. Это делает их очень привлекательными по сравнению с обычными угольными, газовыми и атомными электростанциями. Таким образом, энергия волн может внести значительный вклад в достижение целей по изменению климата и снижению кислотных дождей.

Да, определенное воздействие на морскую среду оказывают все морские преобразователи энергии, но для оценки их положительного или отрицательного воздействия необходимы продолжительные исследования. Негативное воздействие должно быть максимально снижено разработчиками, поскольку морские сооружения становятся обычными элементами прибрежных вод вблизи населенных пунктов.

Экологические факторы, вызывающие озабоченность можно разделить на абиотические (например, качество воды и воздуха), биотические (например, морская флора и фауна) и социально-экономические (например, запретные зоны, визуальное воздействие).

Мы находимся на ранней стадии развития волновой энергетики, поскольку сейчас испытываются и строятся только конструкции в единичных экземплярах или небольшими партиями, и могут быть спрогнозированы только оценки возможного воздействия.

Большие массивы преобразователей волновой энергии могут вступить в конфликт с интересами охраны природы с точки зрения потери видов или среды обитания, или угроз для конкретных видов.

Невозможно легко предсказать такие вопросы охраны природы, как потеря среды обитания или уровень вымирания морских организмов. Здесь требуются длительные исследования.

6 Интеграция волновой энергии в энергосистему

Электроэнергию, вырабатываемую волновым преобразователем энергии, можно использовать локально, но гораздо более вероятно, что электроэнергия будет подаваться в единую энергосистему.

Когда можно объединить электричество с нескольких станций, общая мощность будет в целом более стабильной и плавной, чем у одного блока. Если рассмотреть массив из нескольких сотен плавающих устройств, то суммарный результат будет еще более ровным.

Несмотря на краткосрочные колебания в секундном или минутном масштабе, волновой ресурс также меняется изо дня в день и от сезона к сезону.

7 Выводы

Мировой ресурс энергии волн чрезвычайно велик. Если бы удалось использовать даже лишь небольшую его долю, это внесло бы значительный вклад в удовлетворение мировых потребностей в энергии.

Волны в открытом океане в глубоководной зоне очень богаты энергией, но условия там очень сложные, поэтому преобразователи энергии волн здесь должны быть очень прочными. Когда волны приближаются к берегу, они теряют часть своей энергии, и хотя условия эксплуатации в прибрежной зоне менее напряженные, возникают различные технологические проблемы при разработке экономичных устройств улавливания волновой энергии.

В некоторых прибрежных странах волновой климат способствует развитию волновой энергетики, но политическая атмосфера не всегда бывает благоприятной. Например, в 1970-х и 1980-х годах правительство Великобритании поставило задачу соответствующим организациям, занимающимся волновой энергетикой, разработать грандиозные конструкции мощностью 2 ГВт. Это было все равно, что ожидать, что кто-то спроектирует Boeing 747 на заре авиации, не пройдя эволюцию биплана, одноместного моноплана и реактивного двигателя.

Однако отношение к этому вопросу меняется очень быстро, что вызвано необходимостью решения проблемы глобального изменения климата, проблемой долгосрочной ресурсной безопасности поставок ископаемого топлива и становящейся все более конкурентоспособной экономикой волновой энергии.

Специалисты, занимающиеся волновой энергетикой, провели большую работу по разработке систем волновой энергетики. Новые схемы и концепции появляются в таких странах, как Норвегия, Австралия, Швеция, Дания, США, Великобритания, Китай, Индия, Япония.

Производство электроэнергии — не единственный вариант использования полученной энергии. Среди изучаемых преимуществ использования волновой энергетики — опреснение, защита побережья, перекачка воды, марикультура, извлечение минералов из морской воды и производство водорода.

Разработка технологий волновой энергетики была длительным процессом, но с экономической точки зрения разработка многих современных проектов имеет громадный потенциал.