Оценка влияния новых гибридных плавучих волноломов с ВЭУ на гидродинамику и устойчивую выработку энергии

Преобразование гаваньных барьеров в чистые электростанции

Прибрежные города тратят большие суммы на строительство стен, успокаивающих волны, чтобы суда могли безопасно швартоваться, а береговая линия не размывалась. В этом исследовании поднимается простая, но очень значимая мысль: а что если эти защитные барьеры могли бы также работать как тихие электростанции, вырабатывая чистую электроэнергию из самих волн, которые они сдерживают? Путём изменения формы плавучего волнолома и установки компактной воздухотурбины исследователи показывают, как объединить прибрежную защиту и возобновляемую энергию в одной плавучей конструкции.

Почему волны — неисчерпаемый источник энергии

Океанические волны несут плотную и предсказуемую энергию, но большинство побережий по‑прежнему зависят от ископаемого топлива. Предлагалось множество устройств для улавливания энергии волн, однако они могут быть сложными, дорогими или трудными в обслуживании в море. Одной из самых простых концепций является колеблющийся водяной столб — полая камера, частично погружённая в воду и открытая снизу, так что волны поднимают и опускают внутреннюю поверхность воды. Это движение сжимает и разрежает захваченный воздушный объём, заставляя воздух проходить туда и обратно через турбину, соединённую с генератором. Преимущество в том, что подвижные части есть только у воздухотурбины, а остальная часть — прочный корпус, который при желании может служить и волноломом.

Создание и испытания плавучего волнового щита

Чтобы проверить эту идею, команда изготовила масштабные модели подвешенного плавучего волнолома с встроенным колеблющимся водяным столбом и испытала их в волновой камере длиной 13 метров. По бассейну шли регулярные волны разной высоты и периода к четырём вариантам конструкции, каждый из которых имел различную форму задней стенки камеры. Прозрачные стенки позволяли наблюдать, как поверхность воды поднимается и опускается, а волномерные датчики измеряли, какая часть входящей волны отражается, проходит через конструкцию или теряется в турбулентности. Датчик давления фиксировал, насколько интенсивно сжимается захваченный воздух, а небольшая турбина Уэллса — создающая вращение в одном направлении независимо от направления воздушного потока — преобразовывала движение воздуха в электрическую энергию, контролируемую вольт- и ампервольтметрами.

Как форма управляет успокоением волн и выработкой энергии

Ключевой вопрос проектирования заключался в том, как геометрия задней стенки и глубина переднего отверстия влияют на работу устройства. Команда сравнила простую коробчатую конструкцию с тремя более продвинутыми вариантами, в том числе один с длинной наклонной задней стенкой (Модель D). Было установлено, что отношение ширины устройства к длине волны и осадка, то есть погружённая глубина передней стенки, существенно влияют на поведение. По мере увеличения относительной ширины отражение волн сначала снижалось — значит, меньше энергии возвращалось в море — а затем снова возрастало. В определённых настройках, особенно для Модели D, отражение становилось очень низким, тогда как потеря энергии внутри конструкции резко увеличивалась, что указывает на то, что волны не столько отражаются, сколько преобразуются во внутренние воздушные колебания и турбулентность в камере.

Выдающийся дизайн: плавный наклон с сильным эффектом

Из четырёх форм наиболее эффективной оказалась Модель D — с длинной наклонной задней стенкой и умеренно глубоким передним отверстием. При типичном глубоком уровне воды она сочетала низкое отражение с высокой диссипацией волновой энергии и сильными колебаниями давления воздуха в камере. На практике это означает, что за конструкцией проходят меньшие, более спокойные волны, в то время как значительная доля входящей энергии преобразуется в пневматическую мощность, а затем в электричество. Исследователи оценивают, что полноразмерная версия, работающая в условиях, похожих на Средиземное море, могла бы непрерывно вырабатывать несколько киловатт — достаточно для питания судовых огней, экологических датчиков или небольших опреснительных установок в гавани, одновременно снижая волновую нагрузку на суда и причалы.

Что это означает для будущего побережий

Для неспециалистов вывод прост: при тщательной форме плавучего волнолома и добавлении простой воздухотурбины можно создать конструкции, которые одновременно защищают побережье и тихо генерируют возобновляемую энергию. Оптимизированный дизайн с наклонной стенкой, испытанный здесь, показал хорошую работу в различных морских состояниях, что указывает на возможность адаптации к многим полузакрытым побережьям и входам в гавани. Хотя необходимы дальнейшие испытания в более крупных бассейнах и в нестационарных штормовых волнах, эта работа указывает на будущее, в котором прибрежная защита несёт двойную функцию — защищает сообщества и помогает им получать энергию от постоянного подъёма и падения моря.

Цитирование: Hamed, B., Elkiki, M., Abdellah, S. et al. Assessing the impact of novel hybrid floating breakwater-WEC systems on hydrodynamic performance and sustainable energy outputs. Sci Rep 16, 7189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37290-8

Ключевые слова: энергия волн, плавучий волнолом, колеблющийся водяной столб, защита побережья, возобновляемая энергия