Ученые выяснили, как высвободить энергию океанских волн

Фото из открытых источников

В океанских волнах заключено огромное количество чистой энергии, если бы только мы смогли найти способ использовать её больше. Новое исследование объясняет, как гироскоп, расположенный на поверхности воды, может значительно повысить эффективность. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Fluid Mechanics.

Исследование, проведенное Такахито Иидой с кафедры кораблестроения и океанотехники Университета Осаки в Японии, основано на теоретическом моделировании гироскопического преобразователя волновой энергии (GWEC).

Подобная геотермальная электростанция представляла бы собой плавающее тело с вращающимся маховиком внутри, соединенным с генератором, способным вырабатывать электроэнергию под воздействием качек и колебаний волн – даже если эти волны менялись по силе и направлению.

Ранее устройства на основе волновой энергии (GWEC) тестировались как способы высвобождения энергии волн, но им не удавалось достичь практически значимых уровней эффективности из-за изменчивости волновых паттернов изо дня в день. Новое исследование предполагает, что устройства GWEC могут работать гораздо лучше, если их правильно внедрить.

«Устройства для поглощения энергии волн часто испытывают трудности из-за постоянных изменений океанических условий, — говорит Иида. — Однако гироскопическую систему можно контролировать таким образом, чтобы поддерживать высокое поглощение энергии даже при изменении частоты волн».

Ключевое нововведение, описанное здесь, заключается в использовании линейной волновой теории для расчета взаимодействия между волнами, гироскопом и плавучей конструкцией, внутри которой он находится. На основе этих данных Иида смог рассчитать оптимальную конфигурацию для такой машины.

Благодаря точной настройке скорости вращения вращающегося маховика и сопротивления генератора внутри гироскопа в соответствии с волновыми условиями, эти устройства должны достигать максимальной эффективности в 50 процентов – теоретически, преобразуя до половины энергии волны в электричество.

«Этот предел эффективности является фундаментальным ограничением в теории волновой энергии, — говорит Иида. — Что особенно интересно, так это то, что теперь мы знаем, что его можно достичь в широком диапазоне частот, а не только при одном резонансном условии».

Иными словами, прецессию гироскопа — то, как внешние силы воздействуют на вращающийся объект, — можно настроить таким образом, чтобы она оставалась близкой к уровню эффективности в 50 процентов даже при изменении волновых условий.

Хотя данное исследование не включало реальных испытаний на воде, компьютерное моделирование также использовалось для проверки работоспособности и изучения множества частот и длин волн, а также того, как может реагировать гироскоп.

Эти результаты моделирования совпали с ранее полученными математическими расчетами, но волны невероятно сложны и их трудно смоделировать с помощью уравнений, поэтому существуют некоторые ограничения в вычислениях.

Когда Иида смоделировал работу гироскопа в условиях неравномерных и несбалансированных волн, больше похожих на океанские, он обнаружил, что устройство становится менее эффективным при больших волнах, хотя при определенных условиях оно все еще может извлекать достаточное количество энергии.

Помимо использования преимущественно идеализированных волновых условий, эти расчеты не учитывают энергозатраты на фактическую работу гироскопа на океанских волнах. Это лишь первый шаг в попытке оценить целесообразность такого типа сбора энергии от волн.

Однако, даже с учетом этих ограничений, исследование вселяет реальную надежду на то, что гироскопы обладают потенциалом в этой области. Иида также отмечает, что другие конструкции машин, в частности асимметричные, потенциально могут превзойти этот 50-процентный потолок эффективности – хотя это еще предстоит выяснить.

Следующий шаг — проведение проверки теоретически обоснованных физических явлений, и это уже планируется. В недалеком будущем плавающие гироскопы могут внести значительный вклад в экологически чистый энергетический баланс нашей планеты.

«В дальнейших исследованиях будут проведены модельные тесты для проверки предложенной теории», — пишет Иида в своей опубликованной статье. «Кроме того, мы изучим оптимальные стратегии управления, учитывающие причинно-следственные связи и нелинейные отклики GWEC».