Волны, налетающие на берег во время сильного шторма, весьма наглядно демонстрируют, какая громадная энергия таится в них. Известны случаи, когда во время шторма опрокидывался волнолом весом 7 тыс. т, разрушались береговые сооружения весом почти 18 тыс. т, у тяжелого крейсера волна однажды оторвала 30-тонный кусок носовой части судна.
Энергия волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, а мощность — произведению квадрата амплитуды на ее период. Так, мощность волны высотой 1 м с периодом 5 с равна примерно 2,5 кВт/м, двухметровой — почти в 10 раз больше, 22,1 кВт/м, а четырехметровой — 39,2 кВт/м. Мощность десятиметровой волны с периодом 15 с достигает громадных значений — 735 кВт/м.
Па интенсивность волнообразования влияет состояние моря. Например, перед штормом или после пего амплитуда волн равна 1—2 м, имеющаяся в них энергия составляет 2—8 кВт/м. При умеренном шторме энергия волн достигает 250 кВт/м, при сильном — до 900 кВт/м. Средняя энергия волн зимой может быть в 5—6 раз больше, чем летом, осенью море, как правило, более беспокойное, чем весной.
Период ветровых волн лежит в диапазоне от 2 до 20 с, а высота гребня достигает 30 м. В 1971 г. волна высотой 27 м снесла буровую вышку на острове Ванкувер в Тихом океане. Морские волны в отличие от звуковых и электромагнитных движутся со скоростью, существенно зависящей от периода. Чем больше период, тем выше их скорость, следовательно, одна волна может догнать другую, имеющую меньший период. Когда вершина одной волны настигает вершину другой, временно возникает волна, превышающая по высоте и ту и другую.
Оценки показывают, что вблизи береговой линии Мирового океана мощность воли равна примерно 2,7 тыс. ГВт. Если же говорить о всей поверхности Мирового океана, то потенциальный ресурс волн доходит до 70 тыс. ГВт. Для большинства прибрежных районов мира нет точных данных о мощности волн. Наиболее достоверные имеются лишь для северных районов Атлантики. Так, в Северо-Восточной Атлантике средняя годовая мощность, приходящаяся на 1 м длины волнового фронта, составляет 88 кВт, в Северной Атлантике — 15—70 кВт. Изучены возможности волновой энергетики в Великобритании. На каждый метр волнового фронта вдоль Британского побережья в среднем за год приходится мощность 80 кВт.
Приведенные выше цифры относятся к энергии волн, движущихся во всех направлениях. Реально можно использовать, как это представляется сегодня, только часть этой энергии, например энергию волн, двигающихся по направлению к берегу. Нужно также учесть, что КПД преобразования механической энергии волн в электрическую далек от 100%. Существуют также потери энергии в системе передачи энергии к потребителю. Все это свидетельствует о гораздо более скромных возможностях волновой энергетики.
Как образуются волны? Читатель, несомненно, знает, что первопричина волн на поверхности океанов, морей, озер и рек — ветер. Это он дает часть своей энергии воде, приводя в движение поверхностные слои. Океан никогда не бывает абсолютно спокоен, а движущиеся массы воды обладают значительной инерцией. Следовательно, волны являются своеобразным аккумулятором энергии ветра. Ветер часто меняет свое направление и силу, поэтому волны также, как правило, неодинаковы, нерегулярны, движутся в разных направлениях и с разной скоростью. Из штормовых областей океана они движутся со сравнительно малым затуханием, пока не разрушатся па береговой полосе.
Возможность извлечения энергии волн в течение многих лет привлекала внимание людей. Впервые предложили использовать энергию воли в 1799 г. отец и сын Жерары из Парижа. Их идея заключалась в том, чтобы построить гигантский рычаг с точкой опоры на берегу и понтоном на конце рычага, находящимся в море. Когда устройство поднимается и опускается, следуя колебаниям волн, береговое плечо рычага, двигающегося вверх-вниз, можно использовать для вращения жерновов мельниц, движения кузнечных молотов, пил и пр.
По современным представлениям преобразователи энергии волн следует располагать не на берегу, а в прибрежных районах океана. Предлагается сооружать плавающие конструкции, которые при прохождении волн должны либо качаться друг относительно друга, либо иметь шарнирную конструкцию, позволяющую одной части подниматься и опускаться вслед за волной, а другой — оставаться неподвижной. Относительные смещения элементов конструкций используются для прокачки воздуха или воды через турбины, соединенные с электрогенераторами. Преобразователи энергии волн следует устанавливать относительно близко к суше и максимально использовать набегающие на нее волны. Устройство должно эффективно утилизировать энергию волн всех периодов и амплитуд, характерных для данного места, и полностью использовать энергию волн до глубины, где круговое движение частиц воды становится пренебрежимо малым. Материалы конструкций и конструкторские решения, безусловно, обязаны быть рассчитаны на возможность использования энергии волн во время шторма. Хорошая конструкция должна содержать минимальное количество движущихся частей. Поскольку волнообразование существенно меняется во времени и далеко не регулярно, то в конструкции необходимо предусмотреть широкий диапазон функционирования ее элементов.
Устройства волновой энергетики приводят к уменьшению волнообразования и тем самым нарушают привычную картину морского побережья. Следует обратить внимание на неудобство движения транспортных судов вдоль побережья, на существенное изменение характера движения прибрежных песков, а также на эрозию побережья. Конструкции волновых электростанций могут оказаться опасными для судов во время сильных штормов. Особое внимание придется уделять прочности и надежности якорных устройств, которые должны быть рассчитаны на экстремальные штормовые условия. Зрительное восприятие волновых электростанций с побережья также должно быть учтено архитекторами и строителями. Элементы волновых электростанций весьма массивны и требуют большого количества материалов. Например, волновая электростанция, предложенная в Великобритании фирмой «Волновая энергия», имеет 100 м в длину, 50 м в ширину и 8 м в глубину. Если она будет построена из стали, то ее вес достигнет 3,5 тыс. т, на ее заякорение уйдет 12 тыс. т балласта.
Несмотря на даровое «топливо» волновых электростанций, их установка и эксплуатация требуют больших капитальных затрат. Следовательно, они должны быть рассчитаны на длительный период работы, чтобы стоимость сэкономленного топлива превысила все сделанные расходы. Отметим еще одно важное обстоятельство. Большинство традиционных электростанций могут работать с той мощностью, которая отвечает уровню спроса. Волновая энергетика, как и ветровая, зависит от капризов погоды и не может обеспечить постоянную подачу энергии потребителям без дополнительного использования мощных аккумулирующих устройств. А это, в свою очередь, дополнительно удорожает эксплуатацию волновых электростанций.
