ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГИЯ ДЛЯ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Кандидат технических наук А. А. ГОРЛОВ (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН)
Первые предложения по использованию возобновляемой энергии океана для подводных аппаратов в ИО АН СССР прозвучали ещё в 1982 г. В дальнейшем это научное направление поддержали директор Института академик А.С. Монин и профессор В.С. Ястребов, возглавлявший сектор Морской техники, а затем до 1992 г. бывший директором Института. Нами была разработана концепция "микроэнергетики океана" -энергоснабжение автономных средств долговременных океанологических исследований за счёт возобновляемой энергии океана, а в трудные 90-е гг. такой подход применительно к подводным микропроцессорным зондам-роботам (robotic tools) был использован совместно с заместителем директора по морской технике профессором Л.Л. Утяковым1. Однако к 1994 г. финансирование было прекращено и работы по этому направлению возобновились в ИО РАН лишь в последние годы.
1 Горлов А.А. Утилизация энергии океана для 5 снабжения подводных аппаратов. Сб. Тезисы m докладов II Всесоюзного съезда океанологов.
1 Ялта: "Таврия". 1982; Горлов А.А, Монин А.С.
° Современное состояние развития подводных | технических средств. М.: Государственный и комитет СССР по науке и технике, АН СССР,
I ВИНИТИ. 1984; Горлов А.А., Ястребов В.С.
5 Электроэнергетические установки подводных го аппаратов. Л: "Судостроение". 1987; Горлов А.А. ! Энергетика океана для океанологических ис-§ следований. Материалы XII международной m научно-технической конференции "Современ-| ные методы и средства океанологических ис-| следований". М.: ИО РАН. 2011; Gorlov A.A., « Lappo S.S., Utiakov L.L. A specialized autonomous underwater vehicles for ocean observing system. Proceeding of Autonomous Underwater Vehicle Technology. Abstracts AUV. Boston. 1994.
Микроэнергетика океана - так же как возобновляемая океанская энергетика большой и средней мощности - относится к научно-техническим направлениям двойного назначения. Гражданские программы регулируют создание автономных долговременных средств и систем исследования Мирового океана с использованием для их энергообеспечения маломощных преобразователей. Такие автономные аппараты и системы дают возможность экономить значительные экспедиционные расходы (в частности, на топливо для судов и кораблей) и обеспечивают уникальные возможности для долговременного сбора и передачи информации. Военные программы предусматривают создание специальных автономных автоматических необитаемых подводных аппаратов (АНПА), различных поверхностных и глубоководных глайде-ров и других специальных технических средств. В большинстве случаев для гражданских и военных программ за рубежом применяются одни и те же "беспилот-ники", отличающиеся друг от друга своим предназначением ("миссиями"). На базе этих и других автономных средств океа-нотехники с энергоснабжением от возобновляемой энергетики океана могут быть построены автономные автоматические системы долговременных океанологических исследований (АСОИ). За последние годы больших успехов в создании подводных роботов достиг Институт Проблем морских технологий ДВО РАН, где под руководством академика М.Д. Агеева была подробно разработана концепция АСОИ2. Дальнейшее развитие этой концепции
2 Агеев М.Д. Автономные подводные роботы. М.: Наука. 2005.
28
© А. А. Горлов
предлагается нами в виде концепции подобной распределённой системы (рис. 1) с энергообеспечением всех её основных элементов от комбинации различных возобновляемых источников энергии океана (АСОИ ЭО), включая солнце и ветер на его поверхности. Для реализации таких сетей необходимо разработать и изготовить блоки преобразователей океанской энергии трёх основных уровней мощности: 1) до 100 Вт - для "гоЬоНо 1оо!в", подвижных автономных измерительных платформ (АИП) и привязных измерительных платформ (ПИП); 2) до 50 кВт - для стационарных узловых платформ (СУП), призванных обеспечивать энергией ПИП и подводную подзарядку АИП через блоки стыковки; 3) свыше 1 МВт - для региональных обитаемых базовых плавучих платформ сбора и обработки данных (БПД), вокруг которой формируется сеть СУП. Все эти платформы имеют различные каналы связи между собой (кабельные, радио, гидроакустические, спутниковые и т.п.) с возможностью выхода в Интернет. Роль ПИП могут выполнять различные блоки измерительных датчиков, зонды вертикального профилирования, привязные плавучие и донные НПА, видеокамеры,
Рис. 1.
АСОИ ЭО - автономная система долговременных океанологических исследований на базе возобновляемой энергетики океана.
Блоки Зонд
датчиков »
Преобразователь волнения Ф Тепловой глайдер
*' А14ПА
Обсерватория
сейсмические станции, донные обсерватории. В качестве АИП могут быть разнообразные АНПА, глайдеры, дрифтеры (рыболовные суда), ныряющие зонды типа ARGO. Для конструкций СУП можно использовать донные соединительные модули, подобные модулям кабельной сети "NEPTUN Canada", погружные и поверхностные буйковые океанологические станции с энергоблоками на базе энергетики океана. Практическая возможность создания необходимых для СУП и БПД преобразователей океанской энергии подтверждается многочисленными испытаниями и коммерческими внедрениями зарубежных демонстрационных установок мощностью от сотен кВт до нескольких МВт, использующих энергию океана3.
Создание АСОИ ЭО потребует решения комплекса серьёзных технических задач: нужно будет разработать и реализовать проекты модулей одиночных и комбинированных преобразователей энергии волн, течений, солнечной радиации, тепла, приливов, солёности, ветра, донных гидротерм, а также изготовить буферные накопители энергии океана, внедрить узлы подводной стыковки и расстыковки СУП и АИП, обеспечить подводную подзарядку элементов системы. Но с другой стороны, использование АСОИ ЭО не потребует таких затрат, которые необходимы существующим и планируемым кабельным системам для океанологических наблюдений, её элементы и преобразователи энергии могут быть выполнены из унифицированных сменяемых модулей - как для АИП, ПИП, так и для СУП. Такой подход позволит, в отличие от кабельных систем, легко устанавливать АСОИ ЭО в заданной акватории и при необходимости так же легко её снимать для развёртывания в новом регионе океана. Основные узлы этой системы могут быть интегрированы в систему
—~1-■ ■
Волновой глайдер
* \' у;
Преобразователь
Гусеничный НПА
СУП № 2
Сейсмограф
3 Горлов А.А. Бездна энергии. Прорыв в будущее // Журнал Объединенной судостроительной корпорации. 2012. №№ 2(10), 3(11), 4(12); 2013. № 3(16).
глобальных наблюдений за Мировым океаном (GOOS).
Такая же концепция может стать основой создания распределённых систем долговременного наблюдения за надводной и подводной обстановкой или иных сетевых сенсорных информационных систем типа оборонительной структуры Net-Centric Defense. Американские специалисты уже активно ведут работы в этом направлении. Так, в 2007 г. компания ОРТ получила от ВМФ США заказ на поставку волнового буя PowerBuoy для автономного обеспечения энергией глубоководных систем сбора данных об океане (DWADS). А через два года компании был выдан уже первый грант в 15 млн долл. из четырёхлетней программы LEAP (Littoral Expeditionary Autonomous PowerBuoy), которая направлена на расширение возможностей в борьбе с терроризмом и повышение обороноспособности страны. На первом этапе энергобуй должен обеспечивать в течение трёх лет автономное питание подводного радара системы обнаружения близ побережья Нью-Джерси. Подобные системы предполагается широко развернуть для морского наблюдения за береговой зоной, портами, причалами и акваториями. Система с PowerBuoy продемонстрировала свою высокую надёжность в жёстких штормовых условиях урагана Ирена: не возникло потребности в оперативном вмешательстве, энергообеспечение не прерывалось ни на секунду, поддерживалась устойчивая связь с береговой станцией. Другой пример активности США, направленной на создание элементов АСОИ ЭО, - разработка и испытания в последние годы Институ-* том MBARI при финансовой поддержке 8 DAPRA волнового буя мощностью 400 Вт,
1 предназначенного для энергообеспече-| ния подводной зарядки аккумуляторов § нескольких АНПА путём их последова-
2 тельной автоматической состыковки с | терминалом в подводном гараже, связанным с волновым буем.
I У нас в России, в рамках договора § между ОАО "Газпром" и ТК "Роснефть" « о совместных работах на шельфе в со-| ответствии с концепцией АСОИ ЭО, пер-I спективно создание "Системы долговре-= менного экологического наблюдения за подводной и подлёдной обстановкой в районах базирования нефтегазовых буро-
вых платформ на Арктическом шельфе". Подобные системы могли бы быть также востребованы для метеорологии, гидрографического и навигационного обеспечения Северного Морского пути, в интересах МЧС, ВМФ и Арктических войск РФ. Помимо энергии ветра, волнения и приливных течений в Арктике возможно использование тепловой энергии океана. В этом случае разность температур определяется относительно тёплой подлёдной водой и морозным наружным воздухом. Арктические ОТЕС отличаются от тропических установок сезонным характером работы: в тёплое время года требуется переход на другие источники энергии -например, на ветровую или дизельную установки. Для развёртывания АСОИ ЭО на шельфе Арктики целесообразно возобновить разработки тепловых преобразователей прямого действия малой мощности, а также турбогенераторных установок средней и большой мощности. Исследования по АОТЕС проводились в СССР рядом организаций, в первую очередь ИпМт под руководством д.т.н. А.К. Ильина, а также в ИО АН СССР4, что обеспечивает сегодня начальный научно-технический задел. Необходимо будет также получить дополнительные гидрометеорологические и гидрологические данные в пунктах предполагаемой установки платформ и в местах, интересных для развёртывания системы, из архивов ИО РАН и в организаций, а также путём новых экспедиционных работ. Обычно внедрению преобразователей энергии океана средней и большой мощности всегда предшествуют обширные океанологическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.