Проектуємо хвильову електростанцію

Піднімаючи на висоту h тіло з масою m, поперечна хвиля виробляє роботу A проти сили гравітації F = mg. Робота хвилі дорівнює: А = Fh = mgH sin ft (20.1). Величина mgH в правій частині (20.1) дорівнює потенційної енергії, якою тіло має на гребені хвилі. Спробуємо спроектувати електростанцію для перетворення енергії хвилі в електрику.
Заб’ємо в морське дно чотири стійки по кутах квадрата, діагональ якого трохи більше діаметру бочки. До кришки бочки приварити кільце, бочку опустимо між стійками. Це буде поплавок. На стійках влаштуємо платформу, на якій закріпимо електричний генератор (далі – генератор). Генератор містить дві котушки з обмотками з мідного дроту (в мідних проводах міститься гігантська кількість заряджених часток – електронів, які є носіями електричного поля). Велику котушку закріпимо на платформі вертикально. Назвемо її якір. Кінці обмотки якоря з’єднаємо з навантаженням – електричною лампою. Це буде світильник маяка. Малу котушку помістимо всередину якоря з можливістю переміщатися вгору-вниз. Назвемо її активатор. Кінці обмотки активатора з’єднаємо з джерелом струму – акумулятором. Котушку активатора з’єднаємо з бочкою за допомогою стержня-шатуна, який зв’яжемо з кільцем на бочці. Довжина шатуна повинна бути такою, щоб при спокійному морі активатор знаходився приблизно посередині якоря.
Обсяг бочки дорівнює 200 л. Відповідно до закону Архімеда, така бочка може утримати на плаву вантаж вагою до 2000 Н. Нехай вага активатора буде вдвічі менше: mg = 1000 Н. Параметри хвилі візьмемо з § 19: Т = 4 с, Н = 1 м. Акумулятор створює в обмотці активатора електричний струм. Струм створює навколо активатора електричне поле. Це поле діє на електрони в обмотці якоря. Почнемо відлік, коли активатор знаходиться посередині якоря.
У початковий момент активатор своїм полем вже розігнав електрони з середини обмотки якоря до її кінців. За мить на платформу накочує гребінь хвилі, який починає піднімати бочку разом з активатором.
Рухаючись вгору, активатор своїм полем переганяє елек трони з верхньої частини обмотки якоря через нитку розжарення лампи назад в обмотку якоря. У лампі виникає електричний струм, який змушує нитка розжарення світитися. На вершині гребеня хвилі бочка зупиняється. При зупинці активатора струм в обмотці якоря припиняється, лампа гасне. В наступний момент бочка починає спуск по схилу гребеня. При спуску активатора його полі переганяє електрони з верхньої частини обмотки якоря через середину якоря вниз, через лампу, назад в якір. У лампі виникає зворотний струм, нитка розжарення знову починає світитися. Коли бочка досягне дна западини хвилі, активатор зупиняється. Струм через лампу припиняється, лампа гасне. Через мить накочує наступний гребінь хвилі. Бочка починає підйом. Активатор піднімаючись, жене електрони в обмотці якоря вгору. У ланцюзі лампи знову з’являється струм. Надалі все повторюється.
Підрахуємо роботу генератора за один період Т = 4 с. Зручніше рахувати з моменту, коли бочка знаходиться в нижній точці. За 2 секунди хвиля підніме бочку на висоту 2 м. У наступні полперіода бочка опуститься на 2 м. Потенційна енергія активатора за період Т змінилася на величину: 1000 Н * 4 м = 4 кДж. Ми не знаємо, яку частину цієї енергії генератор перетворить на енергію електричного струму, ККД генератора може бути від 10% до 90%. Візьмемо його середнє значення, рівне 50%. Значить, за один період генератор перетворить на електрику 2 кілоджоулів механічної енергії хвилі. Розділивши це значення на період Т = 4 с, отримаємо середню потужність світла P = 2/4 = 0.5 (кВт). Для маяка це не найбільша потужність, але при відповідній оптиці світло можна зробити досить яскравим. Рибалки на нічний риболовлі цілком можуть помітити світло такого маяка, миготливого в такт хвилям. У денний час енергією хвилі можна заряджати акумулятор активатора.

Посилання на основну публікацію