Энергия моря: буи, морская змея и «волшебный ковёр»

Не одними приливными электростанциями жива эксплуатация Мирового океана в энергетических целях. Но какой из способов окажется самым практичным?

Приливные электростанции (ПЭС) — это хорошо, что видно хотя бы из полувекового французского и не менее интересного (правда, не такого длительного) корейского опыта. Но у них есть фундаментальные ограничения: они работают только в прилив или отлив (последний, кстати, эксплуатируют далеко не все станции). В итоге КИУМ для них равен 24–26%, а пик выработки часто приходится на ночной минимум сетевого потребления. Другая деталь: ПЭС есть смысл ставить только там, где приливы и отливы особенно высоки. (Богатейшая в этом смысле страна — сами понимаете, какая — в развитии такого вида энергетики не спешит перешагнуть даже 2-мегаваттный рубеж.) Что ещё важнее, ПЭС могут работать только в составе больших энергосистем, а в реальном мире обеспечивать энергией надо и изолированные острова, и прочие места, лишённые доступа к сети.

Oyster соединён с морским дном, поэтому его установка далеко в открытом море невозможна. (Иллюстрация Aquamarine Power.)

Буи Oyster 2

Один из концептов, пытающих избежать названных недостатков, — Oyster 2, разрабатываемый британской Aquamarine Power и использующий энергию волн в береговой полосе. На первый взгляд, это три буя, устанавливаемые поблизости от берега, обычно на глубине 10–16 м, но при этом соединённые с намертво заякоренным на дне грузом. При раскачивании буёв волнами рычажное соединение между ними и дном сокращается, нагнетая воду по трубе, ведущей на берег. Труба выходит на береговую полосу и подаёт воду в гидротурбину, имеющую мощность 2,4 МВт — как у приличного ветряка. Учитывая, что каждый буй предполагается длиной в 26 м, ясно, что это довольно материалоёмкая установка. Именно поэтому, чтобы проверить концепцию, в 2009 году разработчик начал с установки менее масштабных 315-киловаттных систем, которые действуют у Оркнейских островов вот уже пять лет, подавая электричество в общую сеть.

Очевидно, что это решение довольно громоздко, а установка требует ещё и огромной баржи. Тем не менее, несмотря на стоимость в $5 000–7 000 за киловатт-час установленной мощности, разработчики системы уверены в её экономической целесообразности. Да, говорят они, это недёшево, однако КИУМ электростанций довольно высок, ведь волны в полосе прибоя есть всегда (впрочем, это относится не ко всем побережьям), то есть генерация на каждый киловатт установленной мощности значительно выше, чем от фотоэлементов в умеренном климате или даже от ветряка.

Кроме того, замечают в Aquamarine Power, острова, являющиеся главной целью их технологии, сейчас платят вдвое–втрое дороже за киловатт-час, чем потребители в крупных сетях. Это и впрямь крупная проблема островных экономик, причём её не удаётся побороть даже на таких немаленьких архипелагах, как Гавайский: вроде бы возможности для крупных инвестиций в энергетику там есть, а киловатт-час всё равно стоит 7–8 рублей. В таких местах системы наподобие Oyster 2 будут идеальны, уверены в компании.

В то же время у технологии есть два заметных невооружённым глазом недостатка. Первый — место. Западная Ирландия, многие участки побережья островов Тихого океана и тому подобные места действительно характерны сильным систематическим волнением у берега. А вот, скажем, на Балтике с береговыми волнами не всегда хорошо. Вторая проблема — механическая прочность. Чем сильнее воздействие волн, тем выше вероятность поломок. И хотя сама турбина вынесена на берег, соединение буя с дном при очень сильном волнении может серьёзно пострадать, что вынуждает компанию периодически ремонтировать свои экспериментальные установки. Нельзя сказать, что это дорого или долго, но возникновение перебоев в любом случае не является плюсом для системы круглосуточного автономного энергоснабжения. Кроме того, в сильные штормы наблюдается пиковая генерация, которую, вообще говоря, некуда девать. Сейчас проблема компенсируется недовнедрённостью технологии, делающей лишь первые шаги, но что будет потом?

«Морская змея» Pelamis Wave Power Converter

Совсем другие идеи лежат в основе проектов британской же Pelamis Wave Power. Представители этой компании считают, что полоса сильного прибоя есть не везде, а механические поломки в ней вероятнее, чем в открытом море. Они используют соединённые в цепь («морская змея») плавучие полупогружённые цистерны, которые самостоятельно плавают на поверхности, не имея связи с дном, кроме банального якоря. Кстати, даже он необязателен, поскольку установка может использовать плавучий якорь, не требующий контакта с дном.

Глубина, на которой работает установка, в идеале должна превышать 50 м, а устанавливают её в 5–10 км от берега, где хорошее волнение. Электричество вырабатывается в силу взаимного колебания отдельных секций, из-за чего гидравлические насосы закачивают воду под давлением внутрь секций. Стандартный Pelamis Wave Power Converter состоит из пяти таких устройств, каждое из которых имеет отдельную турбину, работающую от поступающей воды. С увеличением волнения жёсткость соединения секций «змеи» автоматически корректируется, и генерация электричества меняется с большей плавностью, чем сила волн. Несмотря на то что волны в море часто меняют высоту сильнее, чем в полосе прибоя, выработка установки не скачкообразна, так как её мгновенная мощность зависит не от высоты волны, а от её крутизны (с ростом волны увеличивается и её длина, так что кривизна в целом меняется не очень сильно).

«Змея» (Pelamis Wave Energy Converter) при мощности 1 МВт имеет длину 180 м. Чтобы не стать угрозой судоходству, она окрашена кричаще яркие цвета. (Иллюстрация Pelamis Wave Power.)

Компания уже создала несколько полуэкспериментальных установок мощностью 750 кВт и пару более крупных — на 1 МВт, показав их высокою живучесть. Чтобы противостоять волнам высотой до 30 м (заявленный безопасный максимум), «змея» самоориентируется по направлению волнения, что исключает боковые удары. Если волна обрушивается прямо над погружёнными звеньями «змеи», то последняя как бы подныривает под неё без серьёзных повреждений. Несмотря на высокую живучесть, предусмотрено быстрое (15 мин) сворачивание плавучего или обычного якоря «змеи» и буксировка последней в док. Коэффициент использования установленный мощности системы равен, в зависимости от характера моря, 25–40% — то есть он в несколько раз больше, чем для фотоэлементов, и даже чуть выше среднего для мировой энергетики.

Сейчас Pelamis Wave Power разрабатывает мегаваттную версию своей установки и планирует на 2017 год создание первой крупной электростанции мощностью 10 МВт. Кстати, такой гигант, как E. ON, и меньшая по размерам ScottishPower Renewables уже имеют по одному устройству Pelamis, проводя их долгосрочные испытания. В ближайшие годы они собираются построить несколько волновых электростанций на этой основе, с общей мощностью более 50 МВт.

Это начинание выглядит очень перспективно, хотя нельзя не заметить, что пока не вполне ясна окончательная цена киловатт-часа установленной мощности. Кроме прочего, причина в том, что каждая группа установок требует подсоединения к материку подводным кабелем, и от удалённости от берега и количества установок в группе этот компонент может резко меняться. Понятно, что чем больше «морских змей» в каждой волновой ферме, тем ниже удельная стоимость, но до начала массового развертывания таких систем сделать корректную оценку довольно сложно.

Водоизмещение 1-мегаваттной системы равно 1 350 т, длина — до 180 м, а диаметр — 4 м. С такими размерами очевидно, что стоимость вырабатываемой энергии будет зависеть ещё и от массовости производства подобной системы.

«Волшебный ковёр» обещает извлекать с одного метра прибрежного калифорнийского дна столько же энергии, сколько фотоэлементы получают с 64 м² тамошней суши. (Иллюстрация UCB.)

«Волшебный ковёр» Резы Алама

Наконец, третий подход, авторства Резы Алама (Reza Alam) из Калифорнийского университета в Беркли (США). Он основывается на эксплуатации волн в прибрежной полосе, однако с самого начала нацелен на полное исключение повреждения системы волнами. Ради этого установку помещают на дно близ берега (до глубин в 18 м), где она под ударами волн колеблется, благо её верхняя часть сделана из полимерного «коврика». Под ковриком находятся насосы, которые от колебаний нагнетают воду по трубопроводу малого сечения на берег. Там эта вода под давлением может быть использована либо в турбине, либо в установке обратного осмоса для опреснения морской воды.

Последнее весьма важно, поскольку в малых энергосистемах спрос на электричество есть не всегда. И тогда невостребованную волновую энергию можно тратить на опреснение или запасать с помощью пневматического аккумулятора. Недавние испытания системы в опытных резервуарах показали, что, несмотря на придонное расположение, так можно извлечь до 90% энергии волн, причём вне зависимости от их высоты и амплитуды:

Среди недостатков этой технологии главным пока является отсутствие реальной проверки морем: первая опытная волновая станция такого типа будет построена лишь в 2016 году.

В то же время «волшебный ковёр» Резы Алама выглядит довольно здравой альтернативой другим методам использования волновой энергии, не в последнюю очередь благодаря способности к ослаблению волн над собой и, следовательно, неповреждаемости. По словам конструктора, результаты лабораторных экспериментов в условиях усреднённого калифорнийского побережья показали, что 100 м² его «ковра» дадут столько киловатт-часов, сколько 6 400 м² солнечных батарей, расположенных в той же местности. И, разумеется, работает «ковёр» не только днём.

http://newscenter.berkeley.edu/2014/01/28/seafloor-carpet-catches-waves-to-harness-energy/

news.nationalgeographic.com/news/energy/2014/02/140220-five-striking-wave-and-tidal-energy-concepts/

Создано устройство, которое является акустическим полупроводником

Принципы работы нового устройства, называемого акустическим циркулятором (acoustic circulator), вступают в противоречие с принципами распространения звуковых волн, которые, как и все другие волны, распространяются во всех направлениях. И дальнейшее развитие этих принципов может привести к созданию акустического эквивалента одностороннего зеркала, через которое можно услышать то, что говорят другие люди, оставаясь самому неслышимым для них.

Все виды волн, будь это звук, свет или радиоволны, обладают свойством так называемой обратной временной симметрии (time reversal symmetry). Это означает, что волну, посланную в определенном направлении всегда можно отразить назад или послать подобную волну в обратном направлении. "Если я в состоянии говорить с Вами, то благодаря именно этому принципу и Вы можете говорить со мной" - поясняет Андреа Аллу (Andrea Alu), инженер из Техасского университета в Остине.

В случае с радиоволнами ученые уже давно выяснили методы, при помощи которых можно нарушить вышеупомянутый принцип, для этого используют магнитные материалы, электроны которых вращаются в одном направлении, препятствуя "обратному" распространению радиоволн. Для того, чтобы добиться подобного эффекта в отношении звуковых волн, которые являются колебаниями плотности воздуха, исследователи создали полость специальной формы, в которой установлены три вентилятора, заставляющие воздух двигаться в одном направлении с определенной скоростью. Звуковые волны, попавшие в полость, выходят наружу через одну из трех труб, на конце которых установлены чувствительные микрофоны.

Воздух в полости движется по кругу, за счет этого звуковая волна, вошедшая через одну трубу и распространяющаяся в направлении движения воздуха, беспрепятственно достигает следующей трубы по ходу движения воздуха. Но ее движение в обратном направлении затруднено тем же движением потока воздуха. В результате, звуковая волна, вошедшая в устройство акустического циркулятора через трубу 1, может пройти только одним путем и выйти наружу только через трубу 2. При этом, звук, вошедший в трубу 2, никогда не достигнет трубы 1, он может выйти наружу только через трубу 3. А это и есть ничто иное, как акустический полупроводник.

На данный момент перспективы использования акустического циркулятора в том виде, в котором он есть, весьма неопределенны и туманны. Но, по мнению Себастиана Генно (Sebastien Guenneau), физика из института Френели во Франции, реализация подобных принципов на уровне метаматериалов позволит использовать их в технологиях шумоподавления и звукоизоляции автомагистралей, музыкальных студий, самолетов и субмарин, оградив их акустическим зеркалом и сделав их намного тише для окружающего мира.
http://www.nbcnews.com/science/spies-take-note-scientists-create-one-way-sound-machine-2D12024651

Удалось узнать, жив ли кот Шредингера

Исследование квантовых состояний с 27 измерениями всегда представляет собой долгий многоступенчатый процесс с использованием технологии квантовой томографии, которая очень схожа с процессом создания 3D образа из 2D изображений. Вместо этого ученым удалось провести исследование напрямую в рамках единственного эксперимента, не требующего последующей обработки данных. В новой работе они продемонстрировали непосредственный способ исследования квантового состояния, который связан с орбитальным угловым моментом.

Технология непосредственного исследования позволяет напрямую определить состояние квантовой системы.

Впервые она была разработана в 2011 году учеными из Национального исследовательского совета Канады, которые использовали технологию для определения положения и момента протонов. В прошлом году исследовательская группа из Рочестера и Оттавы под руководством Роберта Бойда (Robert Boyd) доказала, что метод непосредственного исследования может применяться для измерения поляризации света. Эта новая научная работ впервые описывает применение этого метода к исследованию дискретной системы с большим количеством измерений.

Кажется, что непосредственное исследование волновой функции исключено на основе принципа неопределенности, идея которого в том, что некоторые свойства квантовой системы можно точно установить только в том случае, если другие свойства остаются неизвестными.

Однако метод непосредственного измерения включает в себя «уловку», которая делает его применение возможным. Это важно, поскольку в том случае, если мы хотим создать безопасные квантовые системы связи, нам необходимы точные и эффективные методы оценки состояний с большим количеством измерений.

Метод непосредственного исследования состоит из двух типов исследований: «осторожное» исследование, за которым следует «интенсивное» исследование.

В квантовой механике измерение квантового состояния необратимо искажает его. Данный феномен известен как коллапс волновой функции.

«Уловка» заключается в том, что первое исследование является таким осторожным, что не искажает систему и не приводит к коллапсу волновой функции.

«Можно сравнить такое исследование с беглым взглядом в ящик Шредингера для того, чтобы узнать, жив ли кот внутри, не открывая при этом коробку, – говорит ведущий исследователь Мехул Малик (Mehul Malik), который на данный момент проводит исследование после защиты докторской степени в Университете Вены (Австрия) и который являлся доктором наук в составе группы Бойда при проведении исследований. – Осторожное исследование по существу является неточным исследованием, которое, по большому счету, не проясняет, жив кот или мертв. Вместе с тем, оно позволяет получить часть информации о здоровье кота и при многократном повторении может почти точно ответить на вопрос о его состоянии».

«Наша работа доказывает, что непосредственное исследование является потрясающей альтернативой квантовой томографии, – говорит Роберт Бойд профессор оптики и физики из Университета Рочестера (Великобритания). – С расширением области применения квантовой информации можно ожидать, что метод непосредственного исследования будет играть все более важную роль в ее получении».

Бойд добавил, что, несмотря на неопределенность относительно того, насколько эффективен метод непосредственного измерения по сравнению с квантовой томографией, отсутствие последующей обработки данных является важнейшим фактором в контексте ускорения процедуры непосредственного измерения.

Малик, в свою очередь объяснил, что значимость «осторожного» исследования в том, что оно не разрушает систему в отличие от других распространенных методов исследования квантового состояния, позволяя проводить последующий анализ – «интенсивные» исследования других переменных величин.

Последовательность осторожных и интенсивных исследований затем повторяется для множества идентичных квантовых систем до тех пор, пока волновая функция не будет измерена с достаточной точностью.

.Университет Рочестера

Космический аппарат "Венера-Экспресс" обнаружил волновые пакеты на загадочной Венере.

Планета Венера, которую называют злой сестрой Земли, от нашего взора скрывают толстые и густые облака. В видимом волновом диапазоне поверхность Венеры практически невозможно увидеть из-за этой густой дымки облаков, но благодаря космическому аппарату "Венера-Экспресс", запущенному 9 ноября 2005 года Европейским Космическим Агентством, ученым удалось обнаружить на Венере так называемые волновые пакеты. Согласно общему определению, это определённая совокупность волн, обладающих разными частотами, которые описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве.

Подобные волновые пакеты были найдены КА "Венерой-Экспресс" в основном над северными широтами второй от Солнца планеты.

Изучение гравитационных волн в атмосфере Венеры помогло астрономам обнаружить и выделить четыре различных типа волн: длинные, короткие, средние и нерегулярные. Все эти волны были обнаружены при помощи высокочувствительного инструмента Venus Monitoring Camera, установленного на КА "Венера-Экспресс". Они находятся на северных широтах 60-80 градусов и спрятаны в области густых облаков. Для обнаружения этих волн были использованы ультрафиолетовый, видимый и средне инфракрасный волновые диапазоны.

donmigel_62