Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США совместно с исследователями из Вашингтонского университета и британской инженерной компании WITT Energy разработали и испытали уникальный дрейфующий буй, способный самостоятельно вырабатывать электроэнергию за счет морских волн. Разработка может решить одну из самых острых проблем арктических океанографических наблюдений – дефицит энергии для научных приборов в условиях полярной ночи, низких температур и ограниченной емкости аккумуляторов.
В высоких широтах традиционные источники питания работают нестабильно: аккумуляторы быстро теряют емкость на морозе, а солнечные панели зимой практически бесполезны из-за отсутствия света и обледенения. В результате буи вынуждены сокращать число измерений и часто выходят из строя задолго до планового срока. Исследователи предложили принципиально иной подход – превратить сам измерительный буй в миниатюрную волновую электростанцию.
Идея основана на использовании естественного движения буя на волнах. Его наклоны и вертикальные перемещения заставляют раскачиваться маятники, установленные внутри корпуса. Их движение через редуктор преобразуется во вращение генератора, а выработанный ток направляется на подзарядку бортового аккумулятора. В качестве основы был выбран обтекаемый буй, уже применявшийся в арктических экспедициях. Перед сборкой прототипа ученые провели компьютерное моделирование и сравнили поведение буев разной формы (сферической, цилиндрической и вытянутой сферической) в реальных волновых условиях Берингова моря. Расчеты показали, что именно вытянутая сферическая форма испытывает наибольшую качку, а значит лучше всего подходит для привода маятникового механизма.
Сердцем системы стал маятниковый преобразователь энергии WITT. Внутри корпуса установлены два маятника, способные вращаться по нескольким осям. Их движение через систему передач приводит в действие электрогенератор, после чего ток выпрямляется и используется для зарядки аккумулятора. Для надежной работы при низких температурах все подвижные элементы были обработаны специальной морозостойкой смазкой. Дополнительно к нижней части буя на длинном тросе закрепили так называемую килевую пластину – крупный алюминиевый диск, который увеличивает сопротивление воде и усиливает вертикальные колебания буя, тем самым повышая эффективность раскачивания маятников.
Испытания прототипа прошли в заливе Секуим на северо-западе США. Параллельно рядом дрейфовал контрольный буй с волновыми датчиками, что позволило точно сопоставить выработку энергии с реальными условиями на воде. В волнах высотой около 0,4 метра система демонстрировала кратковременные пики мощности до 5 ватт. Гораздо более наглядным показателем стала средняя мощность, рассчитанная за каждые десять минут работы: она составила около 37 милливатт. Это меньше, чем типичное энергопотребление арктического измерительного буя, составляющее около 60 милливатт, но даже такой уровень позволяет заметно продлить срок его автономной работы. Анализ показал, что выработка энергии растет по мере увеличения высоты и периода волн, а маятники приводятся в движение как наклонами корпуса, так и его вертикальными рывками относительно килевой пластины.
Ученые подчеркивают, что проделанная работа – лишь первый этап. Для повышения эффективности потребуются дополнительные испытания в более мощных волновых условиях, характерных для арктических штормов, а также дальнейшая оптимизация формы корпуса и внутренней динамики маятниковой системы.
