CC BY
25возобновляемые источники энергии для повышения эффективности исследований мирового океана
Александр Горлов,
руководитель проекта «Энергетика океана» Института океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии Наук (РАН)
Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры.
Дмитрий Менделеев, выдающийся русский ученый
Капитан Немо: Но я не пожелал пользоваться благами земли и предпочел позаимствовать у моря количество энергии, потребной для нужд корабля. Профессор Аронакс: У моря? Капитан Немо: Да, профессор, в море нет недостатка в этой энергии.
Жюль Верн.
«Двадцать тысяч лье под водой».
Введение
Исследование процессов взаимодействия океана и атмосферы, изучение и прогнозирование климата, исследование синоптической изменчивости океана, изучение сейсмической и гидротермальной активности дна океана и многие другие важнейшие задачи океанологии невозможны без непрерывного получения данных измерений многочисленных параметров океанской среды, что требует установки в различных районах открытого океана долговременных автономных буйковых или донных станций. Их регулярный съем и постановка для смены источников питания с конечным энергоресурсом обычно осуществляется научно-исследовательскими судами. Раньше в нашей стране исследованиями Мирового океана занимались десятки судов различных ведомств. Только в Институте океанологии им. П. П. Ширшова (ИО) АН СССР (далее ИОРАН) для этих целей использовались одновременно два-три раза в год более пяти больших судов, подобных, известному кораблю «Титаник», НИС «Академик Мстислав Келдыш» с подводными обитаемыми аппаратами «МИР» на борту (рис. 1). В настоящее время научный флот России значительно сократился, да и выполнение самих экспедиционных исследований стало при очень высоких ценах на судовое топли-
Кандидат технических наук Александр Горлов - специалист в области энергетики средств океанской техники. Он неоднократно принимал участие в океанологических экспедиционных исследованиях и глубоководных погружениях в качестве гидронавта, командира подводного обитаемого аппарата. Автор более 100 научных работ, среди которых книга «Электроэнергетические установки подводных аппаратов». Более 25 лет назад разработал новую концепцию «микроэнергетика океана» - долговременного энергоснабжения автономных средств океанологических исследований путем преобразования различных видов энергии океана. Научный руководитель и координатор ряда первых в России научно-технических разработок демонстрационных макетов таких преобразователей. Член Рабочей группы технологической платформы «Освоение океана» и Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, эксперт кластера «Энергоэффективность» фонда Сколково.
В ENERGY BULLETIN
во дорогостоящей, практически невозможной задачей. Существует также ряд других технических ограничений проведения исследований и наблюдений в океане. Прежде всего то, что информацию, собранную за период судовой экспедиции океанологи обрабатывают не сразу, а еще длительное время после возвращения на берег.
В рамках программы «Геоэкологический мониторинг морских акваторий, вовлеченных в развитие нефтегазового комплекса», а также программы Росгидромета РФ «Создание единой системы информации о мировом океане (ЕСИМО)» в ИО РАН была разработана система геоэкологического мониторинга111. В её основу положен принцип прогнозирования (своевременного предупреждения) нежелательной ситуации, а не реагирование на уже сложившуюся ситуацию. Для этого необходимо проведение непрерывных наблюдений, исходя из оптимального распределения измерительных средств в пространстве, и создание единой математической модели, отражающей протекание геологических, гидрологических, биологических и производственных процессов в их взаимосвязи. При этом данные необходимых измерений должны поступать оперативно, в реальном масштабе времени. Разрабатываемые математические модели, являющиеся основой системы, должны иметь возможность учитывать большое число влияющих факторов в их взаимосвязи. Полномасштабное использование такой системы мониторинга может обеспечить большой экономический эффект. Но практическая реализация этой системы, как отмечают сами ее разработчики, сопряжена с целым рядом препятствий, обусловленных имеющимися в настоящее время техническими средствами океанологических исследований. Длительное использование научно-исследовательских судов и развертывание протяженных кабельных сетей очень дорого, стационарные буи и донные станции требуют частых дорогостоящих операций съемки и постановки. Значительные трудности возникают также с обеспечением постоянной передачи данных в реальном масштабе времени.
концепция «микроэнергетика океана»
Преодоление всех таких препятствий может быть обеспечено использованием преобразователей и накопителей энергии Мирового океана.
рис. 1. научно-исследовательское судно «Академик Мстислав келдыш» с поА «Мир» на борту.
Первые предложения на эту тему применительно к подводным аппаратам были опубликованы нами еще в 1982 году121. В дальнейшем эти идеи получили поддержку директора ИОАН СССР, известного океанолога академика А.С. Монина и в 1985 году автор настоящей статьи был назначен научным руководителем этого нового направления. Была сформирована Межлабораторная группа, объединившая для выполнения работы более 25 научных сотрудников различных подразделений Института. К работе были подключены студенты и аспиранты базовой кафедры в Московском Физико-техническом институте. Нами была разработана концепция «микроэнергетики океана», направленная на организацию долговременного энергоснабжения автономных поверхностных и притопленных буев, донных сейсмических и гидроакустических станций, а также обсерваторий для изучения гидрофизических и гидротермальных процессов на базе экологически чистой возобновляемой энергетики океана. Учитывая малое потребление энергии большинством современных средств океанологических измерений, такая концепция позволяет рассматривать для создания преобразователей не только поверхностное волнение, температурный градиент в тропиках и Арктике, значительные течения, ветер в открытом океане, но и солнечную радиацию, промежуточные и донные течения, химическую и гидротермальную энергии, внутренние волны и т.п. Совместно с рядом научных и учебных организаций СССР, таких как Московский энергетический институт, Энергетический НИИ им. Г.М. Кржижановского, Институт теплофизи-
ки им. С.С. Кутателадзе, Ленинградский механический институт, Всесоюзный аккумуляторный НИИ и других, удалось разработать и испытать несколько моделей и макетов установок, использующих энергию океана, были опубликованы статьи и получены авторские свидетельства. Однако по известным причинам к 1994 году финансирование работ по «микроэнергетике океана» было прекращено, и до 2009 года в России практически никакая деятельность не проводилась, кроме отдельных публикаций и докладов на ряде конференций. Только в последние годы в ИО РАН возобновились работы по этой тематике, что особенно актуально при значительно возросших дефиците и дороговизне экспедиционных исследований. С учетом современных достижений в этой области была проведены ревизия и анализ результатов научно-технических разработок, выполненных в институте в прошлые годы131.
Энергия волнения
Нами были разработаны цифровые модели и проведены исследования эффективности отбора энергии для различных точечных волновых преобразователей (ВП): гидродинамического типа; пневмодинамического типа; колебательного движения твердой пластины; с динамическим якорем; с внутренней инерционной массой151. На основании полученных результатов выбраны для дальнейших разработок ВП, принцип действия и устройство которых были защищены авторскими свидетельствами. Например, был разработан блок ВП гидродинамического типа, состоящий из прочного корпуса с закрепленными на нем лопастями, подвешенного под поплавком на кабель-тросе с помощью вертлюга, обеспечивающего возможность вращения корпуса вокруг вертикальной оси. Знакопеременный поток воды, действующий на лопасти, с помощью двух разнонаправленных обгонных муфт, находящихся внутри, приводит в движение маховик, движущийся в одном направлении. Это позволяет обеспечить постоянное направление вращения вала электрогенератора (рис.2-а). В другом из разработанных вариантов ВП, преобразователь с внутренней инерционной массой состоял из плавучего заякоренного прочного корпуса, с закрепленным внутри ста-
тором линейного генератора, и поверхностного поплавка, связанного штоком с подвижным ротором электромеханического генератора линейного типа, находящегося внутри. Взаимодействуя с волнами, поплавок совершает колебательные движения, что приводит к возвратно-поступательному движению подвижного элемента, связанного с корпусом пружинной подвеской. Для повышения КПД линейных генераторов и уменьшения их массо-габаритных характеристик, были использованы редкоземельные магнитные материалы с высокими удельными энергетическими показателями. В дальнейшем разработка линейного генератора для ВП были продолжены в МЭИ под руководством известного российского ученого-энергетика А.Ф.Дьякова[61.
Энергия течений
Были разработаны макеты свободнопоточных преобразователей (СПП) для буйковых станций мощностью до 20 Вт с вертикальной осью для различных скоростей потока в диапазоне 0,5-5 м/с. Один из разработанных вариантов СПП был выполнен в виде двух низконапорных рабочих колес, установленных на вертикальной опорной трубе, закрепленной тросами между поплавком и якорной системой, с возможностью вращения колес в разные стороны, задаваемой ориентацией лопастей. Между турбинами в заполненном маслом, разгруженном от гидростатического давления корпусе, был размещен генератор с мультипликатором, увеличивающим угловую скорость вращения до требуемой величины[71. Такого типа СПП нормально функционирует в условиях реверсивных течений (рис. 2-б).
Испытания проводились на Черном море и в Атлантическом океане по новой, разработанной нами методике путем буксировки макетов СПП в неподвижной среде с использованием подводного обитаемого аппарата «Осмотр» и НИС «Дмитрий Менделеев». Такая методика применялась впервые в отечественной и зарубежной практике.
накопители энергии океана
Совместно с макетами СПП был создан и ис-пытывался макет подводного буферного накопителя энергии на никель-водородных химических источниках тока (НВ ХИТ) номинальной емкостью 30 А-ч, напряжением 12 В.
тепловая энергия
Впервые в мировой практике был создан и исследован макет термоэлектрического преобразователя (ТЭП) мощностью 5 Вт, использующего разницу температур поверхностных и глубинных вод океана с аккумуляторами тепла на веществах с фазовыми переходами для мигрирующего по вертикали океанского зонда.
тепловая энергия гидротерм
Впервые в мире был разработан лабораторный макет глубоководного ТЭП мощностью около 30 Вт, использующего значительную разницу температур между гидротермальными выходами на дне океана и окружающей средой для обеспечения электроэнергией донных исследовательских обсерваторий. Были выполнены также разработка и исследования математических моделей различных тепловых схем турбогенераторных преобразователей (ТГП) и был создан лабораторный макет автономного подводного блока ТГП с использованием анаэробного цикла Ренкина, выходной мощностью генератора 1,5 кВт, и проект демонстрационного макета для натурных испытаний181.
Поплавок
обгонная муфта
рис. 2a. точечный преобразователь энергии волнения.
Автономный «robotktools»
Был разработан проект автономного мобильного подводного микропроцессорного измерительного зонда с его электроснабжением на базе волновой, тепловой и солнечной энергии.
Результаты рассмотренных работ подробно представлены в отчетах ИО РАН и соисполнителей, в многочисленных статьях и авторских свидетельствах и соответствуют современному научно-техническому уровню. За последние несколько лет за рубежом резко активизировались работы как по направлению «микроэнергетика океана», так и непосредственно в области «большой» энергетики океана. Различными компаниями при государственной и инвестиционной поддержке были созданы демонстрационные и коммерческие установки для шельфа и открытого океана с мощностью от десятка и до тысяч киловатт19-10-111. Характерно, что как в наших ранних проектах, большинство разработанных в США, Европе и Японии современных волновых энергоустановок являются преобразователями точечного типа, а установок течений -свободнопоточного типа, без использования гидротехнических сооружений типа плотин и традиционных гидроагрегатов.
Поплавок
вертикальный вал
I
генератор
с мультипликатором
рис. 2б. Свободнопоточный преобразователь энергии течений.
' по|
яРР '. ' л^ИВ
1S ] L. / V J Я ж зддй
йнк,-1 ця^
рис. 3. подводная кабельная система «нептунканада» (а - сверху), один из участков подводного измерения и наблюдения системы (б - в середине) и узловой модуль (в - снизу).
кабельные сети океанологических исследований
Качественное изучения океана требует получения «длинных» рядов данных измерений. Например, погружения ПОА «МИР» дали очень важные результаты для исследования тектоники рифтовых зон и гидротермальных процессов, происходящих там. Но эти наблюдение в силу уни-
кальности и дороговизны каждого погружения носят единичный характер и не позволяют иметь общую картину происходящего. Поэтому в последние годы для долговременных исследований по времени и пространству крупномасштабных явлений в Мировом океане в разных районах США, Канады, Европы и Азии создаются протяженные региональные кабельные сети, подобные системе «NEPTUN Canada» длиной 800 км и стоимостью более 145 млн. долл. США, развернутой на северно-восточной части канадского шельфа (рис.3-а,б). Эта сеть доходит до тектонической плиты JuandeFuca в Тихом океане на глубине 2.5 км, где имеются залежи метана и гидротермальные выходы, а также часто наблюдаются землетрясения и цунами. Сеть объединяет пять узловых модулей (рис.3-в), установленных в разных точках на дне и соединенных оптоволоконным кабелем для передачи электроэнергии, данных измерений и видеоинформации в береговой Центр или управляющих сигналов из Центра. Каждый донный модуль соединен такими же кабелями с блоками датчиков, видеокамерами, сейсмографами, необитаемыми плавучими и гусеничными подводными аппаратами и другим оборудованием. Информация от подводных модулей поступает по кабелю непосредственно в береговой Центр, а оттуда через интернет по всему миру. Таким образом каждый желающий и, конечно, в первую очередь ученые и студенты, могут в реальном масштабе времени наблюдать и изучать подводную обстановку вокруг модулей. Система рассчитана на эксплуатацию в течение 25 лет. Основными недостатками кабельных систем являются значительная трудоемкость развертывания кабельных линий, установка оборудования и приборных блоков в открытом океане, а главное, общие очень большие затраты на их создание и невозможность при необходимости использования этих систем в других регионах.
Система АСои Эо
Перспективной альтернативой подобным кабельным системам является создание автономных сетей океанографических исследований (АСОИ), концепция которой разработана в Институте проблем морских технологий ДВОРАН академиком Агеевым М.Д.[12] на основе первого в мире отечественного автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) с солнечной энергетикой, с учетом предложенной в 1989 году
В ENERGY BULLETIN
Рис. 4. АСОИ ЭО - Автономная система долговременных океанологических исследований на базе возобновляемой энергетики океана.
в США концепции SLOCUM. Согласно концепции АСОИ океанологические исследования должны осуществляться большим количеством измерительных платформ (подводных глайдеров и АНПА), перемещающихся в толще океана по заданным рабочим программам и передающих полученные данные в Центр данных, откуда осуществляется также управление всеми платформами и их миссиями. Американские специалисты, создавшие глайдер «Slocum», планируют создание сети из тысячи таких АНПА, работающих по согласованным программам в различных районах океана, и они считают, что создание такой АСОИ для глобальной сети наблюдений GOOS (Global Ocean Observing System) является настоящим прорывом в океанологических исследованиях.
Нами была предложена концепция дальнейшего развития АСОИ в виде автономной распределенной автоматической системы долговременных океанологических исследований с энергообеспечением всех ее основных элементов от возобновляемых источников энергии океана13-41, включая солнце и ветер на его поверхности (АСОИ ЭО, рис.4). Для реализации этой системы, необходима разработка и создание блоков преобразователей океанской энергии, трех основных уровней мощности:
- первый от 100 Вт до нескольких киловатт -для подвижных автономных измерительных платформ (АИП) и привязных измерительных платформ (ПИП);
- второй от 5 кВт до нескольких сотен киловатт - для стационарных узловых платформ (СУП), служащих для энергообеспечения по
кабелям ПИП и подводной подзарядки АИП через блоки стыковки;
- третий до нескольких мегаватт - для региональных обитаемых базовых плавучих платформ сбора и обработки данных (БПД), вокруг которой формируется сеть СУП.
Все платформы АИП, ПИП, СУП и БПД имеют различные каналы связи между собой (кабельные, радио, гидроакустические, спутниковые и т.п.) с возможностью выхода в Интернет. В качестве ПИП могут служить разнообразные блоки измерительных датчиков, зонды вертикального профилирования, привязные плавучие и донные необитаемые подводные аппараты (НПА), видеокамеры, сейсмические станции, донные обсерватории, а в роли АИП могут быть различные автономные зонды («robotictools»), АНПА, глайдеры, ныряющие зонды типа ARGO. В составе СУП могут использоваться автономные донные соединительные модули, подобные кабельной сети «NEPTUN Canada» (рис.3-в), поверхностные и погруженные буйковые станции и донные обсерватории. Для создания всех элементов и узлов АСОИ ЭО требуется решить серьезные технические задачи:
- разработать и создать типовые автономные преобразователи энергии поверхностного волнения, течений, солнечного излучения, тепла тропиков и Арктики, донных гидротермальных выходов, ветра в океане, градиента солености для всех трех уровней мощности;
- разработать и создать типовые буферные и иные типы накопителей энергии океана для всех трех уровней мощности;
- разработать и создать новые типовые технические средства долговременных автономных океанологических исследований на базе возобновляемой энергетики океана, в том числе интеллектуальные поверхностные буи и донные подводные обсерватории, измерительные зонды, различного типа АНПА и ТПА, подводные и поверхностные глайдеры;
- разработать и создать типовые узлы подводной стыковки автономных привязных и мобильных измерительных платформ (ПИП и АИП) со стационарными узловыми платформами (СУП) с помощью обитаемых и телеуправляемых подводных аппаратов;
- разработать и создать типовые блоки подводной зарядки АИП (АНПА, глайдеров и других технических средств) от СУП (поверхностных
В ENERGY
№ 18, 2014
буев или подводных станций с электроснабжением от возобновляемой энергетики океана);
- разработать и создать типовые блоки различных каналов связи, в том числе подводной и спутниковой;
- разработать и создать разнообразное программное обеспечение синхронного взаимодействия всех элементов и узлов системы для сбора, передачи и обработки данных измерений и наблюдений, а также дистанционного управления выполнением проектов и миссий океанологических исследований.
Современный уровень развития технологий элементов АСОИ ЭО. Использование возобновляемой энергетики океана для АСОИ ЭО является не просто тривиальной проблемой электрогенерации малой распределительной энергетики. Концепция АСОИ ЭО базируется с одной стороны на фундаментальных знаниях океанологии о физических, химических, биологических и геологических процессах происходящих в Мировом океане, на обширных базах данных о ресурсах различных видов энергии океана в районах от экватора до полюса, на знаниях возможностей и перспектив развития современной океанской техники, а с другой стороны на знаниях о передовых технологиях различных направлений возобновляемой энергетики.
Для реального исполнения всех перечисленных выше задач создания АСОИ ЭО требуется чёткая координация разработок в области океанской и подводной техники, традиционной и возобновляемой энергетики, судостроительных, информационных и коммуникационных технологий, электромашиностроения и новейших современных материалов, надёжных и долговечных в агрессивной морской среде. В самом начале работ, более четверти века назад, перспективы реализации концепции «микроэнергетика океана» были далеко неоднозначны, что даже отразилось в названии брошюры «Энергия океана: фантазия и реальность», опубликованной нами в 1988 году. Сегодня использование такой энергии для океанских технических средств уже стало абсолютной реальностью. Но достаточен ли уровень развития современных технологий для внедрения столь масштабного проекта, каким является система АСОИ ЭО? Рассмотрим этот вопрос с точки зрения основной задачи создания такой системы, связан-
ной с реальными достижениями и возможностями возобновляемой энергетики Мирового океана, на примере уже реализованных или разрабатываемых за рубежом проектов.
Первый уровень мощности Тепловая энергия океана
Океанографический институт Вудс-Холла (WHOI) провел первые испытания теплового АНПА «SLOCUM» в 2008 году в Карибском море, при этом аппарат прошёл без перерыва 3000 км. Глайдеры «SLOCUM», длиной 2 м, имеют торпе-дообразную форму (рис. 5), погружаются на глубину 1.3 км и снова поднимаются на поверхность через каждые 5 км, где с помощью спутниковой антенны, закрепленной на руле в хвостовой части аппарата получают корректировку курса, программы новых миссий, сообщают собранные данные и свое местоположение по GPS. Используя планирующий эффект с помощью закрепленных на корпусе аппарата крыльев, они без движительной системы могут по пилообразной траектории делать это многократно, проходя тысячи миль в течение нескольких месяцев. В носовой части аппарата установлен блок измерительных датчиков (температуры, солености и т.п.). Блоки электроники, связи и управления АНПА получают питание от бортовых аккумуляторов, а тепловая энергия океана используется для обеспечения передвижения глайдера за счёт изменения дифферента и плавучести. Для этого служит система гидравлики, состоящая из забортного кормового вариатора плавучести и расположенного в прочном корпусе эластичного бака в середине и эластичного бака в носовой части аппарата. Серединный эластичный бак соединен с гидроаккумулятором, в котором давление создается пневматическим поршнем с помощью баллона со сжатым азотом. Под днищем аппарата закреплены два трубчатых контейнера с воскообразным веществом с фазовым переходом и размещёнными внутри вещества эластичными трубками, заполненными гидравлическим маслом и связанными с системой гидравлики. На поверхности глайдер имеет положительную плавучесть и нулевой дифферент благодаря целиком заполненному маслом кормовому вариатору и полностью сжатому пустому носовому баку. В начале погружения бортовой микропро-
В ENERGY BULLETIN
вариатор внутренний бак Баллон с азотом носовой
Рис. 5. Устройство подводного глайдера «БЮСиМ», использующего тепловую энергию океана (слева) и этот подводный глайдер в океане (справа).
цессор открывает клапан, что позволяет маслу из кормового вариатора поступить в носовой бак. В результате уменьшается плавучесть АНПА, а кроме того, аппарат получает дифферент на нос. Глайдер начинает погружаться, и с помощью его крыльев создается подъемная сила, обеспечивающая плавное скольжение аппарата. На глубине около 800 м при температуре воды 10 °С, воскообразное вещество в контейнерах замерзает и его объём уменьшается, что обеспечивает расширение эластичных трубок внутри вещества и перетекание в них гидравлического масла из серединного бака. На заданной предельной глубине открывается клапан газового баллона с давлением около 20 атм., за счёт чего масло из гидроаккумулятора и серединного бака поступает вновь в кормовой вариатор, обеспечивая необходимую для всплытия плавучесть. Одновременно масло из носового бака перетекает в серединный бак, создавая положительный дифферент аппарата. Глайдер начинает планировать вверх. На глубине около 330 м при температуре воды 17 °С, воскообразное вещество вновь плавится и расширяется, а масло из эластичных трубок внутри контейнеров выжимается в аккумулятор, снова загоняя газ в баллон. Таким образом, АНПА как бы «перезаряжается» на новый рабочий цикл погружения-всплытия. Глайдер этого типа совершил в декабре 2009 года одиночное автономное плавание через Атлантический океан за 221 дней.
Океанографическим институтом Скриппса (США) был создан другой АНПА «SOLO-TREC», в котором впервые в мире питание измерительных датчиков, блоков электроники, связи и коммутации, систем движения и изменения плавучести обеспечивалось полностью за счет
разницы температур на поверхности и в океанских глубинах при регулярных погружениях на глубину до 500 м.
Солнечная энергия
Проект разработанного в России подводного АНПА для научных исследований на основе солнечной энергетики лёг в основу создания в США целой серии подобных аппаратов SAUV (рис. 6-а). Развитием подобных работ занимается специально созданный под такие проекты институт AUSI (Autonomous Undersea Systems Institute). Разработаны и широко используются программы совместного использования нескольких АНПА для выполнения специальных задач океанологических исследований. Например, координируя миссии несколько таких АНПА, при наличии их связи между собой, можно создать в заданном районе океана распределенную гидроакустическую антенную решетку или любую иную систему наблюдений в океане.
Компания «EcoMarinePower» недавно представила поверхностный АНПА «Aquarius», оснащенный специально разработанными для морских условий солнечными панелями, обеспечивающими зарядку бортовых аккумуляторов (рис. 6-б). Перемещение аппарата обеспечивается электрическими движителями. На этом АНПА установлен блок датчиков, которые собирают данные об окружающей водной и воздушной среде. Вся полученная информация может быть передана на берег по каналам связи. Аппарат «Aquarius» может быть использован для выполнения самых различных миссий, таких как мониторинг загрязнения гаваней, океанографические исследования, прибрежное пограничное патрулирование и т.п.
В ENERGY
№ 18, 2014
Рис. 6. Подводный аппарат «SAUV» (а - сверху) и поверхностный аппарат «Aquarius» (б - снизу) с солнечной энергетикой.
Энергия поверхностного волнения
Один из вариантов использование энергии ветрового волнения - подводная крыльевая система, аналогичная судовой системе успокоителей качки. На основе подобного технического решения американская компания «ЩиШоЬойсБ» создала волновой АНПА «МауеСМег» и в 2009 году успешно провела его натурные испытания. Конструктивно АНПА состоит из поплавка на поверхности, соединенного кабелем с подводным глайдером, скользящим на глубине около 7 м (рис. 7). Шесть поперечных крыльев, закреплённых на нем шарнирно, обеспечивают тяговую силу аппарата, независимо от направления волнения. При подъёме волны поплавок поднимается и поднимает глайдер, что обеспечивает давление крыльев вниз и тягу вперед, а при спаде волны глайдер погружается, крылья давят на воду вверх и снова обеспечивают тягу вперед. Этот процесс повторяется снова и снова, пока высота волны не уменьшится до 0.5 м. Водоизмещение поплавка в виде доски для серфинга из композитных материалов равно 150 кг при длине 2
м и ширине 0.6 м, а длина глайдера составляет 1.9 м, массу 90 кг, размах крыльев 1.07 м. Подводный глайдер оснащен управляемым рулем и развивает скорость от 0.4 до 2 узлов. В поплавке размещены два герметичных блока с электроникой, сверху которых установлены две панели солнечных элементов, а также короткая мачта между ними со спутниковой антенной и гидрометеорологическими датчиками. Для электроснабжения бортовых систем используются ионно-литиевые аккумуляторы ёмкостью 665 В>ч, подзаряжаемые от солнечных элементов. Имеется акустический модем, система GPS, бортовой компас, система управления и навигации. На поплавке установлена система автоматической идентификация, волнограф, фотокамера, а под днищем видеокамера и акустический доплеровский измеритель течений. На корпусе подводного глайдера закреплены датчики температуры, проводимости, флуо-метр и гидрофон. Программное обеспечение позволяет оператору дистанционно управлять любым АНПА при помощи компьютера или смартфона. Сессии спутниковой связи для уточнения местоположения и передачи данных или команд управления, обычно, проводятся через каждые 15 мин. При выполнении в океане различных миссий, глайдеры оказались очень надежными, проходя без остановки тысячи миль в течение полугода, иногда в очень суровых условиях при волнении более 7 м высотой и ветре более 50 узлов. Предлагается несколько базовых модификаций волнового глайдера, отличающихся составом датчиков и оборудования: для океанологических и метеорологических исследований, ретрансляции данных, экологических исследований, наблюдения в интересах обороны и т.п.
Ветровая энергия
Несмотря на достаточно успешное использование АНПА «WaveGlider» во многих научных программах, появились его критики, считающие что этот поверхностный «беспилотник» имеет слишком малую скорость движения, не позволяющую аппарату, например, преодолевать сильные течения. Альтернативой явилось создание парусного АНПА «Saildrone», использующего энергию ветра (рис. 8). Во время первых морских испытаний в 2013 году этот аппарат прошел 4160
Пасивный \ поплавок
буксируется Поплавок
подводным
глайдером
5 футов
Ласты
крыльев / Ч
Глайдер
Крылья глайдера преобразовывают колебания волн в тягу движения
рис. 7. Схема работы АнпА «WaveGlider» с волновым движителем.
рис. 8. Схема устройства поверхностного АнпА «SDRONE», использующего энергию ветра (снизу) и этот аппарат в океане (сверху).
км из Сан-Франциско до острова Гавайи за 34 дня со средней скоростью 5,0 узлов, что в два с половиной раза больше, чем максимальная скорость волнового глайдера. При этом он сохранял устойчивость и управляемость даже при сильном шторме, когда зафиксированный датчиками угол крена АНПА «Saildrone» достигал 75°. Парус АНПА выполнен из армированного углепластика в виде свободно вращающегося аэродинамического крыла (1) с дополнительным регулируемым автоматически хвостовым оперением (2), оптимизирующим угол атаки и противовесом (3) для регулировки центра тяжести и балансировки основного крыла. Обычный кормовой руль (4) значительно улучшает маневренность аппарата. Для повышения остойчивости и предотвращения опрокидывания при сильном ветре или же в результате ошибки бортового компьютера этот поверхностный АНПА имеет конструкцию обтекаемой формы тримарана с двумя боковыми «поплавками» (аутригерами) и развитый подводный киль с утяжелителями (6). Аппарат имеет длину 6 м, ширину 2,1 м вместе с аутригерами, высоту паруса 6 м и грузоподъемность 100 кг. Для питания бортовой аппаратуры, системы навигации GPS (5) и блока датчиков используются солнечные батареи. Ожидается, что сфера использования АНПА «Saildrone» будет не менее обширна, чем у волнового глайдера «WaveGlider».
Рассмотренные выше АНПА - это только начало эры внедрения автономных беспилотных океанских технических средств первого уровня мощности. Неограниченные ресурсы возобновляемой энергии океана, в сочетании с новейшими разработками в области измерительной техники, микроэлектроники, гидроакустики и коммуникационных технологий с малым потреблением энергии, а также специализированного программного обеспечения позволяют создавать уникальные многофункциональные средства долговременных океанологических исследований и обеспечить полную автоматизацию наблюдений, сбора и обработки информации.
Второй и третий уровень мощности[9,10,11] Энергетика поверхностного волнения
Одним из основных элементов системы АСОИ ЭО является поверхностный энергетический буй - ретранслятор океанологических данных и управляющих команд, соединенный кабелем с
Рис. 9. Конструкция волнового энергетического буя РошегБиоу (а - слева), этот буй в океане (б - справа) и гараж подводной зарядки АНПА от этого буя (в -внизу).
стационарной узловой платформой (СУП). Электропитание такого буя может обеспечиваться от преобразователей энергии океана, в первую очередь поверхностного волнения. Если размеры ВП значительно меньше длины волны, то эффективность ее работы не зависит от направления движения волн. Такие установки называются точечными. Они не только могут обладать достаточно высокой эффективностью преобразования, использоваться как в одиночку, так и совместно в составе энергетических ферм, но и тем, что они собирают энергию с участка фронта волны, превышающего их линейные размеры. Например, к точечному ВП относится нидерландская установка «Arch¡medesWaveSw¡g» (AWS), аналогичная выше описанному ВП разработки ИО РАН. Она представляет собой устанавливаемую на массивном фундаменте под водой систему, состоящую
из двух коаксиальных цилиндрических частей, одна из которых жестко закреплена на основании, а вторая является поплавком, совершающим вертикальные перемещения под воздействием поверхностного волнения. Отбор энергии осуществляется с помощью линейного генератора с постоянными магнитами, закрепленного внутри цилиндрических частей. Волновой преобразователь AWS мощностью 2 МВт был впервые установлен в 2000 году для испытаний у побережья Португалии. Близко по конструкции к ВП, разработки ИОРАН, также устройство финского ВП «Seabased» и испанского ВП «Undige».
В 2006 году при поддержке нефтяной компании TOTAL компанией «OceanPowerTechnologies» (OPT) был создан прототип энергобуя «PowerBuoy» (PB40), мощностью 40 кВт для развития волновой энергетики у побережья Испании. Несколько новых таких буев, мощностью до 150 кВт, были созданы и подключены в 2009 году к береговой сети на острове Гавайи (рис.9-а,б). Система с «PowerBuoy» продемонстрировала свою высокую надёжность в жестких штормовых условиях урагана Ирена: энергообеспечение не прерывалось ни на секунду, поддерживалась устойчивая связь с береговой станцией. Одним из примеров возможности решения задач АСОИ ЭО является использование «PowerBuoy» для энергообеспечения подводной зарядки аккумуляторов нескольких АНПА «Bluefin», путём их последовательной автоматической состыковки с терминалом в подводном гараже, связанным с волновым буем (рис.9-в). В 2009 году корпорация «LockheedMartin» подписала соглашение о сотрудничестве с компанией OPT в проектах развития технологий волновой энергии в США и по всему миру. С 2012 года началось создание у берегов Reedsport (штат Орегона, США) первого энергетического волнового парка с мощностью на первом этапе 1,5 МВт и состоящего из 10 буев PB150. Планируемая общая мощность проекта составляет 50 МВт. Разрабатываются также аналогичные проекты для Австралии и Японии, а также проводится расширение типовой линейки энергобуев. Недавно в Шотландии закончились морские испытания нового буя «Mark 3 PowerBuoy», длиной 43,5 м и диаметром поплавка 11,5 м, общим весом 180 тонн. Была получена мощность 866 кВт при высоте 6 м. Компания ОРТ разрабатывает также гигантский буй «Mark4 PowerTower», единичной
рис. 10. концепт волнового энергетического парка плавучих Вп «Pelamis».
мощностью 2,4 МВт. Подобные волновые установки и энергетические парки создаются французским концерном DCNS, а также шотландской компанией «PelamisWavePower» при поддержке концерна E.ON. (рис. 10) и рядом других компаний.
Энергетика приливных течений
В последнее десятилетие за рубежом быстрыми темпами стали развиваться технологии, позволяющие использовать кинетическую энергию приливно - отливных течений непосредственно в потоке без специальных трудоёмких и дорогостоящих плотин17-111. Такие подводные энергоблоки СПП, мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт, можно собирать на небольших заводах и верфях, тиражировать большими сериями, легко перевозить в избранную точку акватории и, главное, быстро устанавливать на дне практически без специальных долговременных изысканий и трудоемких подготовительных работ. Из отдельных блоков относительно просто можно составить подводную ферму мощностью в сотни мегаватт, способную надежно работать в самых суровых условиях и под ледовым покровом, что очень перспективно для развертывания АСОИ ЭО в районах сильных приливных течений.
Выше мы уже рассказывали о созданных в ИО РАН[61 макетах СПП малой мощности для буйковых станций (рис. 2-б). Интересно отметить, что недавно шотландская компания «Nautricity» представила очень похожую на нашу технологию подводную турбину «CoRMaT» мощностью 500 кВт, использующей два ротора с лопастями вращающихся в разные стороны. Силовой блок этой турбины также расположен в маслозаполненном боксе (рис. 11).
Турбина имеет нулевую плавучесть и располагается в толще воды на глубинах от 8 м до 500 м, она всегда перпендикулярно потоку за счет троса, закрепленного якорем на дне. Установка «SeaGen» компании MCT достигает мощности в 1,2 МВт при скорости течения 2,4 м/с. А в настоящее время на севере Шотландии компания MCT с помощью концерна «Siemens», намерена развернуть 66 подобных турбин суммарной мощностью 99 МВт. Британская компания «AtlantisResourcesCo» создала подводную установку AR1000 высотой 23 м, массой 1300 тонн и мощностью 1,0 МВт, внешне напоминающую традиционную ветроэнергетическую установку с диаметром рабочего колеса 18 м (рис. 11). Недавно компания решила приступить к крупнейшему в Европе проекту «MeyGen», предполагающему создание у побережья Шотландии энергетической подводной фермы суммарной мощностью 398 МВт, достаточной для энергоснабжения 400 тысяч домов. Компания «Atlantis» намерена также развивать свои проекты подобной мощности в Индии и Китае.
На шельфе Франции ведется сооружение первой в мире коммерческой подводной энергетической фермы, состоящей из четырех 850-тонных турбин мощностью 2 МВт каждая и диаметром 21,6 м компании «OpenHydro» (рис. 11). При поддержке корпорации DCNS, эта компания планирует также выполнить проекты значительной мощности у берегов Великобритании, побережья Северной Ирландии и в канадском заливе Фанди. Британская компания «LunarEnergyLtd» создала подводную турбину мощностью 1,2 МВт и разрабатывает новую установку мощностью уже в 2,4 МВт (рис. 11). В настоящее время эта компания совместно с концерном E.ON подписала ряд соглашений в Северной Америке, Великобритании, Канаде, Австралии, Китае и Южной Кореи по созданию энергетических подводных ферм мощностью до 300 МВт.
Энергия основных течений
На базе уже внедренных в практику технологий энергетики приливных течений уже сегодня возможно приступать к использованию различных мощных течений непосредственно в открытом океане. В коммерческом смысле наиболее привлекательно течение Гольфстрим у восточного побережья США с энергетическим потенциалом примерно в 18 ГВт, где потоки те-
Рис. 11. Свободнопоточные подводные установки энергии течения (слева направо): «CoRMaT», «Atlantis», «OpenHydro», «LunarEnergy».
Недавно была создана плавучая ВЭУ «WindFloat» мощностью 2 МВт и проведены её испытания в Атлантическом океане в 200 км от берегов Португалии. За счет полузатопленных стабилизирующих поплавков в любую погоду крен огромной ветровой установки не превышал 7 градусов. Планируется создания к 2017 году у побережья Орегона (США) в районе с глубинами 350 м энергетической фермы из 5-ти таких плавучих ветровых установок мощностью по 6 МВт каждая (рис. 12). Если в среднем на суше ВЭУ работает только 6 часов в сутки, то в открытом море эта цифра удваивается, что обеспечивает гораздо большую отдачу с установленной мощности оборудования. Размещение плавучих ВЭУ в открытом океане также решает основную проблему ветроэнергетики, связанную с недостатком свободных и недорогих площадей на суше.
Тепловая энергетика океана
На сегодняшний день среди возобновляемых источников энергии только тепловая энергия океана в тропической зоне доступна непрерывно 365 дней в год1131. Именно поэтому в последние десятилетия в США, Японии, Франции и многих других странах, даже в периоды низких цен на углеводородное топливо, исследования по использованию тепловой океанской энергии никогда не прекращались. В подобных работах постоянно участвовало несколько американских компаний во главе с военно-промышленным концерном «LockhidMartinCorp.», который уже около 40 лет планомерно занимается разработками технологий ОТЕС (OceanThermalEnergyConversion)[101. В 2013 году этим концерном было подписано соглашение с пекинской компанией «Reignwood» о создании к 2017 году на юге Китая первой в мире коммерческой плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт.
Рис. 12. Плавучая ветровая установка «WindFloat».
чения со скоростью порядка 1,5-2,0 м/сек часто находятся в толще воды на глубине до 1200 м. Причем, в зависимости от сезонных и погодных условий, характеристики потока и горизонт его максимальной кинетической энергии постоянно меняются. Недавно американские инженеры предложили проект, согласно которому закрепленные на тросах пятьдесят автономных подводных турбин, суммарной мощностью до 20 МВт, должны будут автоматически перемещаться в воде, постоянно располагаясь в потоке с оптимальными параметрами. Очевидно, что скоро в океане будут работать своеобразные поверхностные и подводные энергетические АНПА с подстройкой своих элементов для эффективного отбора энергии в изменяющихся условиях суровой окружающей среды.
Энергетика плавучих ветровых установок
Районы открытого океана очень привлекательны в силу высоких скоростей ветра, но недоступны обычным шельфовым установками требуют разработки плавучих ветровых турбин.
В ENERGY BULLETIN
рис. 13. концепт-проект мультипродуктивной плавучей отЕС концерна «Покхид Мартин» с пришвартованным судном для перевозки сжиженного газа.
Помимо электроэнергии, ОТЕС может производить большие объемы пресной воды, в которой человечество нуждается все острее. Кроме того, ОТЕС мощностью 100 МВт может путем электролиза производить около 32 тонн в сутки жидкого водорода для использования его в качестве экологически чистого топлива (Рис.13). Начаты проекты создания плавучих ОТЕС мощностью от 10 МВт до 100 МВт около острова Гавайи, в водах Пуэрто-Рико, у острова Диего-Гарсия,возле Маршалловых и Багамских островов и острова Гуам. Большая программа строительства плавучих ОТЕС мощностью до 10 МВт выполняется французской корпорацией ЭСЫБ в водах острова Реюньон в Индийском океане, острова Таити в Тихом океане и острова Мартиника в Карибском регионе. В 2013 году в Японии была введена в эксплуатацию первая в мире коммерческая ОТЕС мощностью 50 кВт, а в Южной Кореи к 2015 году планируется создание коммерческой ОТЕС мощностью 1,0 МВт. В работах по ОТЕС участвуют также ученые Нидерландов, Швеции, Норвегии, Великобритании, Бельгии, Италии, Малайзии и Филиппин. В последнее время интерес к этой проблеме проявили Фиджи, Занзибар, Кюросао, Верджинские острова и ряд стран Африки.
Таким образом, за рубежом уже разработаны технологии преобразователей различных видов энергии океана всех уровней мощности, что подтверждает абсолютную реальность создания системы АСОИ ЭО. Необходима только комплексная доработка совместно с ними отдельных элементов системы, каналов связи и обмена информацией, создание программного обеспечения
для решения различных задач океанологических исследований и синхронного объединения всех элементов для взаимодействия в системе. В России по ряду причин практическое создание многих основных элементов и узлов АСОИ ЭО только начинается, хотя имеется значительный научно-технический задел, особенно в области «микроэнергетики океана», океанологической техники и подводных аппаратов.
Базовые платформы передачи данных (Бпд) системы АСои Эо
С борта мобильных БПД, которые фактически могут стать описанными Жюль Верном «плавучими островами», будут выполняться экспедиционные исследования со сменой ученых по вахтовому графику, подобно специалистам на нефтегазовых платформах, на них могут постоянно базироваться подводные обитаемые и необитаемые аппараты, храниться различные СУП, ПИП и АИП. Это также очень важная проблема, так как создание судов-носителей для подводной техники и, особенно, их эксплуатация требуют затраты, значительно превышающие немалую стоимость самих этих средств.
Реальная перспектива реализации проектов БПД недавно была подтверждена компанией «Google», оформившей патенты на размещение коммуникационных Центров данных в океане на судах с энергообеспечением за счет энергии волнения. Три года назад в США прошла первая конференция «TheSeasteadingConference», где были широко представлены проекты плавучих островов будущего «Floatingcity», в которых предполагался полностью автономный цикл жизнеобеспечения за счет использования «зеленой энергетики».
Уже сегодня, например, в качестве БПД могла бы служить самая большая в мире британская яхта с солнечной энергетикой «TüranorPlanetSolar»[141. Энергетическая установка яхты состоит из 10 тонн литиевых аккумуляторных батарей, заряжаемых от размещенных на палубе фотогальванических панелей, состоящих из 38 000 солнечных элементов площадью 530 м2 и установленной мощностью 90 кВт. Два гребных электродвигателя обеспечивают яхте крейсерскую скорость до 7 узлов. Это судно, представляющее собой выполненный из углепластика катамаран водоизмещением 85 тонн,
Рис. 14. Океанская яхта «TйranorPlanetSolar».
Рис. 15. Научно-исследовательская плавучая лаборатория «SeaOrbiter».
длиной 35 м и шириной 23 м, может взять на борт 46 человек (рис. 14). Стоимость яхты составляет 12,5 млн. евро, что эквивалентно затратам всего только девяти двухмесячных экспедиций НИС «Академик Мстислав Келдыш». Следует учитывать также отсутствие судовых дизелей и ущерба от их выхлопных газов, содержащих токсичные диоксид серы и оксид азота. Интересно отметить, что в романе Дж.Р.Р. Толкиена «Властелин колец» слово «Тйгапог» означает «Победа», что можно считать символом триумфа возобновляемой энергетики океана.
Идеально подошла бы также в качестве БПД полупогружная научно-исследовательская лаборатория «беаОгЬйег», макет которой был представлен известным французским архитектором Жаком Ружери на международной выставке «Ехро2012»[151. Этот проект, как и все свои подводные дома, он создал вдохновленный фантазией Жюль Верна и научной деятельностью выдающего океанолога Жак-Ива Кусто, посвятившего всю свою жизнь изучению Мирового океана. Конструкция этого судна водоизмещением 2500 тонн представляет своего рода стабилизированный буй, на две трети погруженный под воду для обеспечения остойчивости при сильном волнении (рис. 15). Лаборатории возвышается на 27 м над поверхностью, а подводная часть уходит на глубину до 31 м, что позволяет выполнять многие исследования и наблюдения непосредственно под водой. На борту судна предполагается размещать сменные международные команды ученых и экипаж общей численностью до 22 человек, а также водолазное оборудование с декомпрессионной камерой и различные подводные аппараты на глубины от 1 000 до 6 000 м. Для работы и отдыха предусмотрены все условия, включая лаборатории, комфортабельные каюты, спортивный зал и библиотеку. Данные измерений и наблюдений будут постоянно передаваться для обработки в береговой Центр. Значительную часть рабочего времени НИС «беаОгЬ^ег» будет проводить в дрейфе. Но даже в этом случае, не говоря уже о ходовом режиме, подводной лаборатории понадобится значительное количество энергии, которое проектанты рассчитывают получить от преобразователей солнечной, волновой и ветровой энергии океана. Кроме того, будет использоваться биотопливо, производимое прямо на борту судна. Отметим, что наша концепция АСОИ ЭО, включая предложения о БПД, была впервые опубликована в 2011 году. Тогда мы еще не знали о проекте «беаОгЬйег», и теперь с большим удовлетворением убеждаемся, что на нашей планете много единомышленников. Создание лаборатории поддержали первый французский космонавт Жан-Лу Кретьен и известный американский гидронавт Сильвия Эрл - единственная женщина в мире, которая самостоятельно погружалась в глубины океана на различных типах подводных аппаратов. Среди советников проекта князь Монако Альберт 11 и другие важные политические и
В ENERGY BULLETIN
общественные деятели, океанологи, адмиралы и дайверы. В проекте также приняли участие специалисты Европейского космического агентства Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA), Национального управления океанологических и атмосферных исследований (NOAA) и других организаций. Стоимость создания НИС «SeaOrbiter» составит около 43 млн. долл. США. Это сумма даже меньше, например, строительной стоимости 56,4 млн. евро новейшего германского НИС «Maria S. Merian». Учитывая, что функционирование плавучей лаборатории предполагается абсолютно без использования топлива, можно легко подсчитать, что уже через несколько лет она полностью окупит затраты на свое строительство, которое планируется начать в 2014 году.
Экономическая и информационная эффективность исследований на базе АСои Эо
При использовании системы АСОИ ЭО решаются одновременно две важнейшие экономические задачи: значительное повышение качества получаемой информации и существенное снижение затрат на ее получение. Высокое качество исследований определяется тем, что такая система обеспечивает полную автоматизацию наблюдений, сбора и обработки информации. Это позволяет получать непрерывные, долговременные, взаимосвязанные массивы данных, как из толщи вод, так и со дна океана; передавать ее по гидроакустическим каналам и спутниковой связи в реальном масштабе времени в Центр (например, в ЕСИМО); дистанционно управлять техническими средствами исследований в реальном масштабе времени с берега или судна; изменять непосредственно в океане программы исследований (миссии); изменять количество и порядок взаимодействия технических средств между собой; выполнять комплексные, площадные и объемные наблюдения; создавать сети наблюдений и исследований в локальных, региональных и глобальных масштабах и т.п. Возможна интеграция систем АСОИ ЭО в важные международные программы, например, EOOS, GOOS и другие. В свою очередь, непрерывность, долговременность и высокое качество такой информации позволяет своевременно использовать ее в соответствующих математических моделях и получать точные оценки и прогнозы метеорологических, гидрологических,
геологических, сейсмических, технологических, экологических и других процессов. Экономический эффект от этого трудно оценить, но ясно, что точный прогноз погоды, возможность предупреждения о климатических и экологических катастрофах, цунами, землетрясениях, разрушении промышленного оборудования, платформ, трубопроводов и т.п., обеспечат сохранность здоровья и жизни многих людей и предотвращение многих миллиардов потерь.
Для иллюстрации снижения расходов на океанологические исследования при использовании основных элементов АСОИ ЭО рассмотрим реальную экспедицию АНПА «WaveGlieder». При поддержке компаний BP, «Virdgin Oceanic» и других, в 2012 году по научной программе PACX четыре волновых глайдера в совместном автономном плавании из Сан-Франциско достигли Гавайских островов, затем два из них со скоростью в 0,7-1,0 узлов пошли через Тихий океан к берегам Японии, а два в Австралию. Каждым АНПА проводились измерение гидрометеорологических данных, волнения, течения, температуры воздуха и воды, солености, флуоресценции, содержания растворенного кислорода и хлорофилла, акустики поведения морских животных и рыб и т.п. Вся эта обширная океанологическая информация от всех глайдеров с интервалом 10 минут в реальном масштабе времени поступала непрерывно в Интернет, что делало ее доступной всем ученым мира на сайте GoogleEarth. За время плавания с острова Гавайи аппараты были в океане непрерывно 300 дней, прошли в совокупности около 34 000 миль и передали более 2,2 млн. показаний своих датчиков с высоким разрешением.
Рассмотрим условно стоимость подобной гипотетической экспедиции только по затратам на топливо, например, для российского НИС «Академик Келдыш». Если бы полученные АНПА данные, в таком же количестве и с таким же качеством, можно было бы собирать и предавать в реальном масштабе времени при экономичной скорости движения судна около 10 узлов, то затраты только для одного судна на переход из Калифорнии на Гавайи составили бы 240 тыс. долл. США, при стоимости дизельного топлива около 1 000 долл. США за тонну и его расходе 24 тонн в сутки, а на весь маршрут, подобный выполненного только одним глайдером
«РараМаи» с острова Гавайи до Австралии (9 000 миль), понадобилось бы еще 900 тыс.долл. США. А если предположить, что весь объем исследований вместо четырех глайдеров, двигавшихся автономно каждый по своему маршруту, выполнили бы только два судна из Сан Франциско до острова Гавайи, а затем по отдельности - одно до Японии, а другое до Австралии, то только на топливо суммарные расходы составили бы около 2,3 млн. долл. США. А аппаратам - «беспи-лотникам» денег на топливо не требуется. Данное сравнение выполнено только для одной условной экспедиции, а ведь для непрерывного наблюдения за океаном только в течение года экспедиции научных судов должны проводиться десятками. Проведение исследований подводными аппаратами в открытом океана с борта судна-носителя сегодня также является очень дорогой задачей по тем же причинам. Например, стоимость погружения ПОА «МИР» на затонувший лайнер «Титаник» составляла для туристов около 30 тыс. долл. США. Необходимо еще обратить внимание на сравнительную стоимость создания различных АНПА (около 150-500 тыс. долл. США) и, например, японского ПОА «Шинкай 6000» (90 млн. долл. США в 1981 году). Наконец, интересно сравнить затраты на «жизненный цикл» АНПА и научного судна, например, в течение 35 лет. Для этого должны учитываться экспедиционные расходы, затраты на стоянку в порту, на плановые и текущие ремонты, на снабжение, зарплату и продовольствие для экипажа и научного состава. Для научного судна общая стоимость «жизненного цикла» может в несколько раз превышать стоимость его создания. Кроме того, при сжигании топлива судовые дизели значительно загрязняют атмосферу выхлопными газами, что также нужно учитывать при расчете экспедиционных затрат всего жизненного цикла. Для АНПА общие затраты на хранение, ремонт, обслуживание, развертывание в океане, дистанционное управление миссиями аппарата могут составить всего нескольких сотен тысяч долларов за весь его «жизненный цикл». При этом он может экологически чисто, с малыми затратами, непрерывно и практически неограниченно по времени выполнять разнообразные, иногда с высокой степенью риска, заданные программы исследований и наблюдений. Более того, например,
каждый отдельный глайдер «WaveGl¡eder», при сдаче его потребителю в аренду, может еще и зарабатывать в сутки около 3000 долл. США, что за 35 летего «жизни» составит около 30 млн. долл. США. Специалисты ЫОАА утверждают, что использование подобных АНПА на базе солнечной, тепловой и волновой энергии создают новую научную парадигму проведения океанологических наблюдений без привлечения для этих целей дорогостоящих научно-исследовательских судов. Следует подчеркнуть, что проведенный сравнительный анализ имеет целью только показать высокую экономическую эффективность АНПА на базе возобновляемых источников энергии и, ни в коем случае, не умоляет ценность и необходимость личного участия океанологов в экспедициях научных судов и подводных обитаемых аппаратов. Необходимо только существенно повысить общий уровень автоматизации сбора информации путем внедрения элементов АСОИ ЭО, а высвободившиеся или заработанные за счет этого средства направлять на рациональные экспедиционные программы. Важно также, что внедрение АСОИ ЭО не потребует таких больших затрат, как для существующих и планируемых кабельных систем, ее основные составляющие технические элементы, в том числе АНПА с преобразователями океанской энергии, могут быть выполнены из унифицированных сменяемых модулей, как для АИП, ПИП, так и для СУП. Такой подход позволит, в отличие от кабельных систем, относительно просто и дешево устанавливать АСОИ ЭО в заданной акватории и, при необходимости, так же легко её снимать для развертывания системы в новом регионе океана. Таким образом, вероятные доходы и экономия средств от использования системы АСОИ ЭО могут быть во много раз больше, чем расходы на разработку и создание составляющих ее основных элементов на базе «микроэнергетики океана». Тем более что отдельные типовые элементы и узлы системы могут производиться большими сериями, что в свою очередь обеспечит дополнительное снижение общих расходов. Высокий уровень автоматизации, достигнутый в результате этого, сможет обеспечить реальное энергосбережение и повышение информационной эффективности исследований, мониторинга и наблюдений на шельфе и в Мировом океане.
В ENERGY BULLETIN
%
Спутниковая
связь «Иридиум»
t _ Волновой глайдер
Рис. 16. Использование АНПА «Wave Glider^» по сейсмической программе: схема баражирования глайдера над сейсмографом (сверху) и расширение зоны покрытия (снизу).
Программы научных исследований на базе АСОИ ЭО
В последние годы выполняются десятки уникальных научных проектов с использованием новейших средств океанской техники, которые можно рассматривать в качестве основных элементов АСОИ ЭО. Кроме участия
аппаратов «WaveGlieder» в подробно рассмотренной выше программе «PACX», после крупной аварии нефтяной платформы компании BP, еще четыре волновых глайдера, стали проводить постоянный экологический мониторинг в Мексиканском заливе, контролируя многочисленными датчиками качество воды и содержание углеводородов, а также поведение морских млекопитающих с помощь акустической аппаратуры. Подобные долговременные программы изучения рыб и океанских животных (дельфинов, китов и других) с использованием АНПА выполняют ученые Института океанографии Скриппса. Там же разработан проект глобального мониторинга землетрясений и предупреждения о цунами на базе глубоководной сети донных сейсмометров и постоянной ретрансляции данных от них, получаемых волновыми глайдерамис помощью гидроакустического модема, на береговую базу в режиме реального времени (рис. 16-а). Этот позволяет существенно экономить средства на проведение наблюдений по сравнению с традиционными судовыми методами. Расширив сеть сейсмографов и имея постоянно несколько глайдеров в заданных регионах океана, можно значительно увеличить зону глобального покрытия океанского дна и более оперативно оценивать возможность наступления землетрясения или цунами (рис. 16-б). Данные от такой сети будут использоваться также в проекте всемирных долговременных сейсмических наблюдений IDA (International Deployment of Accelerometers). Экологическая лаборатория (PMEL) при NOAA с помощью «Wave Glieder» проводит постоянные измерения содержания углекислого газа водах Тихого океана на западе США, что важно для обеспечения там успешного выращиванию устриц. Поверхностные и подводные АНПА также широко используются и в других долговременных океанских научных программах: экологического мониторинга; изучения ураганов непосредственно в их эпицентре (например, в «глазе» сильнейшего за последние 40 лет тайфуна Rammasun); разнообразных гидрофизических и акустических измерений температуры, солености, скорости течений, турбулентности и других параметров. Интересные программы осуществля-
В ENERGY
№ 18, 2014
ются также с помощью энергетических буев и подводных станций с возобновляемыми источниками энергии океана. Так, волновой «PowerBuoy» использовался для обеспечения энергией автономных глубоководных систем сбора данных об океане (программа DWADS), а также в программе подводного наблюдения LEAP (Littoral Expeditionary Autonomous Power Buoy).
Целый ряд технических средств, которые можно причислить к основным элементам АСОИ ЭО, уже сейчас успешно используются в Международных программах исследования Мирового океана, таких, например, как соглашение о долговременном сотрудничестве NOAA по океанским исследованиям с компанией «LiquidRobotics» (программа CRADA). В рамках интегрированной системы наблюдений за океаном IOOS (Integrated Ocean Observing System) у океанского побережья США проводятся постоянные исследования десятками глайдеров, так же как и по европейской программе GROOM (Gliders for Research, Ocean Observationand Management). На Канарских островах активно выполняется обширная океанская программа PLACON (Plataforma Oceánicade Canarias) с научным Центром и школой использования различных типов АНПА, которая тесно связанна с десятком других программ, таких, например, как программа европейской сети глубоководных обсерваторий (EuroSITES) или программа EGO (European Gliding Observatories Network) по координации усилий стран Европы в развитии научных наблюдений с применением глайдеров.
Всестороннее исследование и освоение Мирового океана возможно только на основе совместных усилий и научно-технического сотрудничества международного сообщества. Новые средства и методы изучения океана позволят в ближайшем будущем получить от него все необходимое для людей - сырье, пищу, воду и энергию.
Список использованной литературы
1. Лобковский Л.И. и др., Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий, М, Наука, 2005
2. Горлов А.А., Утилизация энергии океана для снабжения подводных аппаратов. Сб. «Тезисы
докладов 2-го Всесоюзного съезда океанологов», Ялта, «Таврия», 1982
3. Горлов A.A., Энергетика океана для океанологических исследований, Материалы Х11 международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований», ИО РАН, М., 2011
4. Горлов A.A., Возобновляемые источники энергии для повышения экономической эффективности исследований Мирового океана. Материалы Первого международного форума Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности (REENFOR 2013), стр.129-133, Москва, 22-23.10. 2013
5. Горлов A.A., Использование энергии волнения для буйковых систем электропитания средств океанотехники. Сб. трудов Международной конференции «Проектирование и строительство объектов океанотехники», Щецинский политехнический институт, Польша, 1988
6. Дьяков A£>., Морозкина М.В., Проблемы использования энергии волн, Энергоиздат, М, 1993
7. Горлов A.A. и др., Свободнопоточный преобразователь энергии течений с вертикальной осью для донных станций. Сб. «Материалы 3-ей Всесоюзной конференции по энергетике океана», Ч.2, ДВО AH СССР, Владивосток, 1991
8. Горлов A.A. и др., Использование теплоты гидротермальных источников дна океана для энергоснабжения средств океанотехники. Сб. тезисов докладов 3-ей Всесозной конференции «Интенсивное энергоснабжение в промышленной теплотехнологии», М., 1991
9. Горлов A.A., Возобновляемая энергетика Мирового океана, Журнал PAH «Энергия: экономика, техника, экология», № 12, стр.2-10, Москва, 2013
10. Горлов A.A., Тепловая энергетика океана. Журнал «Энергополис», № 4, стр.64-67, М, 2014
11. Горлов A.A., Энергия океанских течений. Журнал «Энергополис», № 6-7, стр. 58 - 61, М, 2014
12. Aгеев М.Д., Aвтономные подводные роботы, Наука, М., 2005
13. Gorlov A.A., Temperature differences in the ocean at low latitude and between sea and river water and air at high latitude. Electronic Encyclopedia of life support systems (EOLSS), Ocean Energy, London, UK, www.eolss.net, 2004
14. http://www.planetsolar.org
15. http://seaorbiter.com
