Каждый, кто когда-нибудь читал про огромные значения напряжений и токов в канале линейной молнии, задумывался: а нельзя ли как-то эти молнии ловить и переправлять в энергетические сети? Дабы питать холодильники, лампочки, тостеры и прочие стиральные машины. Разговоры о таких станциях ведутся уже много лет, но не исключено, что в следующем году мы наконец увидим действующий образец "сборщика молний".
Проблем тут масса. Молнии, увы, слишком ненадёжный поставщик электричества. Предугадать заранее, где случится гроза, едва ли возможно. А ждать её на одном месте - долго.
Кроме того, молния - это напряжения порядка сотен миллионов вольт и пиковый ток до 200 килоампер. Чтобы "питаться" молниями, их энергию явно нужно где-то накапливать за те тысячные доли секунды, что длится главная фаза разряда (удар молнии, кажущийся мгновенным, на самом деле состоит из нескольких фаз), а потом медленно отдавать в сеть, попутно преобразуя в стандартные 220 вольт и 50 или 60 герц переменного тока.
Во время разряда вмолнии происходит довольно сложный процесс Сначала из облака к земле устремляется разряд-лидер, сформированный электронными лавинами, которые сливаются в разряды, называемые также стримерами. Лидер создаёт горячий ионизированный канал, по которому в противоположном направлении пробегает главный разряд молнии, вырванный с поверхности Земли сильным электрическим полем.
Далее все эти стадии могут повториться и 2, и 3, и 10 раз - за те самые доли секунды, что длится молния. Представьте, насколько сложная задача - поймать этот разряд и направить ток в нужное место. Как видим, проблем немало. А стоит ли тогда вообще связываться с молниями?
Если поставить такую станцию в местности, где молнии бьют намного чаще обычного, толк, наверное, будет. При одном сильном грозовом шторме, когда молнии бьют непрерывно друг за другом, может выделиться такое количество энергии, что хватит на обеспечение электричеством всех США в течение 20 минут. Конечно, какую бы станцию по ловле молний мы ни придумали, её КПД при преобразовании тока будет далеко не 100%, да и поймать, видимо, удастся отнюдь не все молнии, ударившие в окрестностях молниевой фермы.
Грозы случаются на Земле очень неравномерно. Специалисты, работающие с американским спутником "Миссия измерения тропических штормов" опубликовали отчёт об одном из последних достижений этого спутника. Составлена мировая карта частоты молний. Например, в центральной части африканского континента есть немаленькая зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год!
Пока с такими проектами использования энергии молний выступают в основном изобретатели из США. Американская компания Alternative Energy Holdings сообщает, что собирается осчастливить мир экологически чистой электростанцией, вырабатывающей ток по смешной цене $0,005 за киловатт-час. В разное время разные изобретатели предлагали самые необычные накопители - от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизёров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород. Но возможный успех связан с более простыми системами.
Alternative Energy Holdings заявляет, что построит первый рабочий прототип такой станции, способной накапливать энергию грозовых разрядов, уже в 2007 году. Компания намерена испытать свою установку в течение грозового сезона будущего года, в одном из мест, где молнии гуляют чаще обычного. При этом разработчики накопителя оптимистично считают, что электростанция "на молниях" окупится за 4-7 лет.
http://www.membrana.ru/
Знаете ли вы?
Глаз и фотоны
Чувствительность сетчатки глаза можно проверить самому, повторив простой опыт, поставленный в свое время известным советским ученым С. И. Вавиловым.
Между обыкновенной лампой накаливания и вашей точкой наблюдения установите стробоскоп - картонный диск диаметром 15-20 см, с вырезанным сектором градусов в 60, насаженный на ось. А теперь, вращая диск стробоскопа со скоростью примерно оборот в секунду, посмотрите на лампу одним глазом сквозь диск.
Вот что будет при этом происходить: вращаясь, диск станет отмерять для глаза пропорции света. Лампа светит неравномерно, то есть ее световой поток пульсирует, но, поскольку диск вращается относительно медленно, пропорции света будут отличаться друг от друга всего на несколько фотонов. И эту разницу, доступную лишь самым-самым точным приборам, без труда уловит ваш глаз - присмотревшись, вы увидите слабую пульсацию света! Легче провести этот эксперимент, если над «измерительной» лампой вы поставите еще одну - опорную. Ее свет поможет вам сосредоточиться.
Грозой называются разряды атмосферного электричества в форме молний, сопровождаемые громом.
Гроза - одно из наиболее величественных явлений в атмосфере. Особенно сильное впечатление производит она, когда проходит, как говорят, «прямо над головой». Удар грома следует за ударом одновременно со вспышками молнии при ураганном ветре и сильном ливне.
Гром - это своеобразный взрыв воздуха, когда он под влиянием высокой температуры молнии (около 20 000°) мгновенно расширяется и затем сжимается от охлаждения.
Линейная молния - огромная электрическая искра длиной в несколько километров. Ее появление сопровождается оглушительным треском (громом).
Ученые уже давно внимательно наблюдали и пытались изучить молнию. Ее электрическая природа была раскрыта американским физиком В. Франклином и русским естествоиспытателем М. В. Ломоносовым.
Когда образуется мощное облако с крупными дождевыми каплями, сильные и неровные восходящие потоки воздуха начинают дробить дождевые капли в его нижней части. Отделившиеся наружные частички капель несут в себе отрицательный заряд, а оставшееся ядро оказывается заряженным положительно. Мелкие капли легко уносятся потоком воздуха вверх и заряжают верхние слои облака отрицательным электричеством; крупные капли собираются внизу облака и заряжаются положительно. Сила разряда молний зависит от силы потока воздуха. Такова схема электризации облака. В действи-тельности этот процесс гораздо сложнее.
Удары молнии нередко вызывают пожары, разрушают здания, портят линии электропередачи, нарушают движение электропоездов. Для борьбы с вредным действием молнии необходимо «поймать» ее и тщательно изучить в лаборатории. Сделать это нелегко: ведь молнии пробивают сильнейшую изоляцию и опыты с ней опасны. И тем не менее ученые блестяще справляются с этой задачей. Чтобы поймать молнию, в горных грозовых лабораториях устанавливают антенну длиной до 1 км между выступами гор или между горой и мачтами лаборатории. Молнии и ударяют в такие антенны.
Ударив в токоприемник, молния по тросу попадает в лабораторию, проходит через записывающие приборы-автоматы и немедленно уходит в землю. Автоматы заставляют молнию как бы «расписаться» на бумаге. Так удается измерить напряжение и силу тока молнии, продолжительность электрического разряда и многое другое.
Оказалось, что молния имеет напряжение в 100 и более миллионов вольт, а сила тока доходит до 200 тыс. ампер. Для сравнения укажем, что в линиях передач электрической энергии используются напряжения в десятки и сотни тысяч вольт, а сила тока выражается сотнями и тысячами ампер. Но в одной молнии количество электричества невелико, так как ее продолжительность обычно исчисляется малыми долями секунды. Одной молнии хватило бы на питание только одной 100-Ваттной лампочки в течение суток.
Однако применение «улавливателей» заставляет ученых ждать ударов молнии, а они ведь не так уж часты. Для исследований гораздо удобнее создавать искусственные молнии в лабораториях. При помощи специальной аппаратуры ученым удалось получить на короткое время напряжение электричества до 5 млн. вольт. Разряд электричества давал искры до 15 метров длиной и сопровождался оглушительным треском.
Изучать молнии помогает фотография. Для этого в темную ночь направляют объектив фотоаппарата на грозовое облако и оставляют на некоторое время камеру открытой. После вспышки молнии объектив фотоаппарата закрывают, и снимок готов. Но такая фотография не дает картинки развития отдельных частей молнии, поэтому применяют особые вращающиеся фотокамеры. Необходимо, чтобы механизм аппарата при съемке вращался достаточно быстро (1000-1500 оборотов в минуту), тогда на снимке проявятся отдельные части молнии. Они покажут, в каком направлении и с какой скоростью развивался разряд.
Различают несколько типов молнии
Плоская молния имеет вид электрической вспышки на поверхности облаков.
Линейная молния - гигантская электрическая искра, очень извилистая и с многочисленными отростками. Длина такой молнии 2-3 км, но бывает до 10 км и больше. Линейная молния обладает большой силой. Она расщепляет высокие деревья, иногда поражает людей, а при ударе в деревянные строения часто вызывает пожары.
Неточная молния - светящаяся пунктирная молния, пробегающая на фоне облаков. Это очень редкая форма молнии.
Ракетообразная молния развивается очень медленно, разряд ее продолжается 1 -1,5 секунды.
Наиболее редкая форма молнии - шаровая. Это круглая светящаяся масса. В закрытом помещении наблюдали шаровую молнию величиной с кулак и даже с голову, а в свободной атмосфере диаметром до 20 м. Обычно шаровая молния исчезает бесследно, но иногда она взрывается со страшным треском. При появлении шаровой молнии слышен свистящий или жужжащий звук, она как бы кипит, разбрасывая искры; после ее исчезновения в воздухе часто остается дымка. Продолжительность шаровой молнии от секунды до нескольких минут. Движение ее связано с воздушными течениями, но в некоторых случаях она перемещается самостоятельно. Шаровые молнии возникают в сильные грозы.
Шаровая молния возникает под воздействием разряда линейной молнии, когда в воздухе происходят ионизация и диссоциация объема обыкновенного воздуха. Оба эти процесса сопровождаются поглощением огромного количества энергии. Шаровая молния, в сущности не имеет права называться молнией: ведь это просто раскаленный и заряженный электрической энергией воздух. Сгусток заряженного воздуха постепенно отдает свою энергию свободным электронам окружающих слоев воздуха. Если шар свою энергию отдает на свечение, то он просто исчезает: превращается снова в обыкновенный воздух. Когда же на своем пути шар встречает какие-либо вещества, действующие как возбудители, он взрывается. Такими возбудителями могут быть окиси азота и углерода в виде испарений, пыли, сажи и т. д.
Температура шаровой молнии около 5000°. Подсчитано также, что энергия взрыва вещества шаровой молнии в 50-60 раз превышает энергию взрыва бездымного пороха.
При сильных грозах бывает очень много молний. Так, во время одной грозы наблюдатель за 15 минут насчитал 1 тыс. молний. Во время одной грозы в Африке за час отметили 7 тыс. молний.
Чтобы предохранить здания и другие сооружения от молнии, применяется громоотвод, или, как теперь правильно называют, молниеотвод. Это - металлический стержень, соединенный с надежно заземленным проводом.
Для защиты от молнии не становитесь под высокими деревьями, особенно одиноко стоящими, так как молния часто ударяет в них. Очень опасен в этом отношении дуб, потому что его корни глубоко уходят в грунт. Никогда, не надо укрываться в стогах сена и снопах. В открытом поле, особенно на возвышенных местах, при сильной грозе идущий человек подвергается большой опасности поражения молнией. В таких случаях рекомендуется сесть на землю и переждать грозу.
Перед началом грозы необходимо уничтожить сквозняки в помещении и закрыть все дымоходы. В сельских местностях не следует вести разговоры по телефону, особенно при сильных грозах. Обычно у нас сельские телефонные станции в это время прекращают соединение. Радиоантенны при грозе нужно всегда заземлять.
Если случится несчастье - кто-либо будет контужен молнией, необходимо немедленно оказать пострадавшему первую помощь (искусственное дыхание, специальные вливания и т. д.). Кое-где существует вредный предрассудок, будто пораженному молнией можно помочь, закопав его тело в землю. Этого ни в коем случае нельзя делать: человек, пострадавший от молнии, особенно нуждается в усиленном притоке воздуха к телу.
Просто о сложном – Источники энергии – Грозы (Молнии)
- Галерея изображений, картинки, фотографии.
- Грозы и молнии как источники энергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
- Интересные факты, полезная информация.
- Зеленые новости – Грозы и молнии как источники энергии.
- Ссылки на материалы и источники – Источники энергии – Грозы (Молнии).
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2332816
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МОЛНИИ
Имя изобретателя:
Блескин Борис Иванович, Трушкин Николай Сергеевич, Хлестков Юрий Алексеевич, Леонов Борис Иванович, Машков Олег Алексеевич, Рыбкин Евгений Александрович, Ишутин Василий Александрович, Новиков Евгений Геннадьевич, Блескин Александр Борисович, Машков Сергей Олегович
Имя патентообладателя:
Блескин Борис Иванович, Трушкин Николай Сергеевич, Хлестков Юрий Алексеевич, Леонов Борис Иванович, Машков Олег Алексеевич
Адрес для переписки:
115612, Москва, ул. Борисовские пруды, 22, корп.1, кв.120, Б.И. Блескину
Дата начала действия патента:
17.11.2006
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для накопления электрической энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данной цели громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества. Вблизи громоотвода расположены элементы для съема энергии. При этом элемент для съема энергии содержит катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура. Катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к физике, а именно к электротехническим устройствам для использования электрической энергии молнии и атмосферы в целом. Оно может быть использовано в районах, где часто бывают грозы, как источники энергии для промышленных и хозяйственных целей.
Известно устройство для использования атмосферной электрической энергии, содержащее вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема энергии (Авторское свидетельство СССР №781, кл. Н05F 7/00, 1925 г.). Данное устройство может быть использовано для накопления электрической энергии.
Однако известное устройство не позволяет использовать электрическую энергию молнии, поскольку оно не приспособлено к удару молнии, а выделяемая при ударе молнии энергия приводит к его разрушению. В то же время для накопления электрической энергии атмосферы ее параметры сопротивления току весьма велики.
 |
Задачей настоящего изобретения является получение дешевого источника энергии в районах, где часто бывают грозы. Решение указанной задачи достигается тем, что в известном устройстве для накопления энергии, содержащем вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема энергии, громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества, вблизи которого расположено одно или несколько элементов для съема энергии. Кроме того, элемент для съема энергии может содержать, например, катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода. В другом случае элемент для съема энергии имеет катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, катушка индуктивности размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 ом. Средство заземления в предлагаемом устройстве для накопления энергии может быть выполнено в виде открытой или замкнутой емкости, наполненной электролитом, а громоотвод может быть выполнен, например, в виде токопроводного стержня. На фиг.1 изображена электрическая схема устройства для накопления энергии молнии с катушкой индуктивности, расположенной вблизи громоотвода, выполненного в виде токопроводного стержня. На фиг.2 изображена электрическая схема устройства для накопления энергии молнии с катушкой индуктивности, выполненной в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода. На фиг.3 изображено устройство для накопления энергии молнии со средством заземления, выполненным в виде открытой емкости, наполненной электролитом, например водой. Устройство для накопления энергии содержит громоотвод 1, например, вертикально установленный токопроводный стержень, соединенный со средством заземления 2, и элемент 3 для съема энергии. Громоотвод 1 выполнен в виде проводника, вдоль которого расположено один или несколько элементов 3 для съема энергии, каждое из которых имеет, например, катушку 4 индуктивности, полупроводниковый элемент 5 и конденсатор 6, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура. Накапливаемое на конденсаторе 6 напряжение можно снять для дальнейшего использования. Катушка 4 индуктивности в предлагаемом устройстве может быть размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 Ом (см. фиг.2). Устройство для накопления энергии со средством заземления, выполненным в виде емкости 7 (см. фиг.3), наполненной электролитом, например водой, имеет дно, выполненное в виде токопроводного листа 8, соединенного с громоотводом 1. Предлагаемое устройство может содержать несколько ярусов соленоидов 9, расположенных соосно с громоотводом 1 внутри корпуса 10, снабженного крышкой 11. При этом корпус 10 установлен на фундаменте 11 в почве 12. |
 |
|
 |
Устройство для накопления электрической энергии молнии работает следующим образом
При ударе молнии в молниеотвод устройства накопления энергии по стержню протекает ток порядка I=(2-5)·10 5 А. Этот ток создает вокруг себя круговое магнитное поле Н, в которое помещают катушку индуктивности. При этом ЭДС (Е), возникающую в катушке индуктивности, накапливают на конденсаторе 6.
В зависимости от расстояния между элементами для съема энергии и стержнем 1 можно получать ЭДС (Е) разной величины. Этой ЭДС заряжают конденсатор 6 (см фиг.1).
В качестве громоотвода используют, например, провод диаметром (6-10) мм или токопроводный канат.
С электрической точки зрения, устройство является трансформатором тока, с той лишь разницей, что вторичная обмотка замкнута на обычный накопитель электрической энергии - диод-емкость. Накопленная электростатическая энергия с емкости 6 может быть направлена к различным потребителям от осветительных устройств до электродвигателей, раскручивающих маховики, аккумулирующих механическую энергию, более выгодную, чем электростатическую.
Пример 1.
Устройство для накопления энергии с катушкой 3 индуктивности, которая размещена на расстоянии от одного до десяти метров от стержня 1 и ориентирована ортогонально любой плоскости, проходящей через стержень (см. фиг.1).
Пример 2.
Устройство для накопления энергии с катушкой 3 индуктивности, выполненной в виде тороида, ось симметрии которого совпадает со стержнем 1 (см. фиг.2).
Определяем величину ЭДС Е, которая возникает на соленоиде диаметром d=100 мм и числом витков n=10 3 и расстоянии от снижения R=10 м.
где 0 - магнитная проницаемость пустоты, равная 4π ·10 7 " S - площадь поперечного сечения соленоида, n - число витков.
Соленоид ориентирован вдоль линии Н, а изменение напряженности магнитного поля происходит импульсно за время τ при протекании заряда через стержень.
В этом случае ΔН/Δt по закону Био-Савара-Лапласа определяется из соотношения
ΔН/Δt=I/(2π ·R·τ), где I - величина тока, протекающего через стержень во время удара молнии.
Следовательно, полагая τ=5·10 -3
Расположив по кругу множество соленоидов в несколько ярусов, можно получить большое количество источников постоянного тока, которые можно использовать для заряда малых аккумуляторов или одного большого.
Пример 3.
При использовании предлагаемого устройства (фиг.3) для очистки воды пар, возникающий из-за разогрева токопроводного листа 8, конденсируют любым известным способом.
Кроме того, образованный пар можно использовать для приведения в действие паровых механизмов, утилизирующих энергию пара.
Таким образом, с помощью предложенного устройства для накопления энергии значительную часть энергии молнии можно использовать в средстве заземления, выполнив его в виде замкнутой оболочки соответствующей прочности, которую оборудуют редукционными клапанами, для получения чистой воды или импульсных паровых двигателей. Поршень такого двигателя с возвратной пружиной может совершать многократные колебания, а будучи соединенным с постоянным магнитом, помещенным внутрь соленоида, он может служить ротором линейного генератора тока. В этом случае в устройстве для накопления энергии элемент для съема энергии может быть размещен на расстоянии от одного до десяти метров от стержня 1.
Техническая эффективность изобретения состоит в том, что благодаря применению предложенного устройства в местах, где часто бывают грозы, возможно утилизировать часть энергии молнии. Энергия атмосферного электричества, сохраняемая с помощью предлагаемого устройства при разрядах молнии, может быть преобразована в любой другой вид энергии, например:
для производства чистой воды при испарении и конденсации пара в накопителе;
для вращения маховиков большой массы;
для накопления механической энергии.
Предложенное устройство простое как при изготовлении, так и в эксплуатации. Особенно эффективно оно может быть использовано в районах, где грозы - очень частое атмосферное явление.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для накопления электрической энергии молнии, содержащее вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема электрической энергии, отличающееся тем, что громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества, вблизи которого расположено одно или несколько элементов для съема электрической энергии, при этом элемент для съема электрической энергии содержит катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, а катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода.
2. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что катушка индуктивности размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом.
3. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что средство заземления выполнено в виде открытой или замкнутой емкости, наполненной электролитом.
4. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что громоотвод выполнен в виде стержня.
Грозовая энергетика является способом, на основе которого получают энергию при помощи того, что фиксируется и перенаправляется энергия молний в электрические сети. Указанный вид энергетики использует возобновляемые источники энергии. Молния является большим искровым электрическим разрядом, который появляется в атмосфере. На основе проводившихся оценок исследователей было установлено, что в среднем в течение каждой секунды осуществляется удар 100 молний. Порядка четверти среди всех молний попадают в землю. Исследования продемонстрировали, что, как правило, значение средней длины молнии будет около 2,5 км, попадаются разряды, распространение которых может происходить на расстояния до 20 км. Если провести установку молниеулавливающей станции, где молнии считаются частным явлением, то есть возможности для получения большого количества энергии, которое будут использовать потребители.
грозовая энергетика
альтернативные источники энергии
электричество
1. Львович И.Я. Альтернативные источники энергии& / И.Я. Львович, С.Н. Мохненко, А.П. Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 2. С. 50-52.
2. Львович И.Я. Альтернативные источники энергии& / И.Я. Львович, С.Н. Мохненко, А.П. Преображенский // Главный механик. 2011. № 12. С. 45-48.
3. Мохненко С.Н. Альтернативные источники энергии& / С.Н. Мохненко, А.П. Преображенский // В мире научных открытий. 2010. № 6-1. С. 153-156.
4. Олейник Д.Ю. Вопросы современной альтернативной энергетики& / Д.Ю.Олейник, К.В. Кайдакова, А.П. Преображенский // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2012. № 9. С. 46-48.
5. Болучевская О.А. Вопросы современной экологической безопасности& / О.А. Болучевская, В.Н. Филипова& // Современные исследования социальных проблем. 2011. Т. 5. № 1. С. 147-148.
6. Преображенский А.П. Использование многокритериального подхода при анализе системы альтернативных энергетических источников& / А.П. Преображенский // Моделирование, оптимизация и& информационные технологии. 2017. № 2(17). С. 11.
7. Шишкина Ю.М. Вопросы государственного управления / Ю.М. Шишкина, О.А. Болучевская // Современные исследования социальных проблем. 2011. Т. 6. № 2. С. 241-242.
8. Нечаева А.И. О построении подсистемы оценки степени загрязненности окружающей среды / А.И. Нечаева& // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-2. С. 231.
9. Щербатых С.С. О построении подсистемы оценки окружающей среды / С.С. Щербатых // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-2. С. 240-241.
10. Якименко А.И. Применение современных источников энергии& / А.И. Якименко& // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-2. С. 242.
Человечество непрерывным образом нуждается в потреблении энергии - это можно наблюдать еще с давних времен. Необходимо наличие энергии не только для того, чтобы осуществлялась нормальное функционирование комплексного существующего общества, но и еще с тем, чтобы было обеспечено физическое существование среди любых человеческих организмов.
Если провести анализ особенностей развития в человеческом обществе, то можно убедиться в том, что они во многом обусловлены добычей и применением энергии. Можно наблюдать довольно большое влияние со стороны энергетического потенциала на то, каким образом происходит внедрение разных технических новшеств, нам трудно представлять реализацию возможностей развития в промышленной сфере, науке, культуре без того, чтобы были использованы земные энергетические ресурсы. На базе применения энергии, человечество имеет возможности для того, чтобы создавать всё более комфортные жизненные условия, при этом идет резкое увеличение разрыв среди ним и природой.
Можно заметить, что процессы, связанные с освоением разных способов, касающихся добычи энергии, возникли ещё в далекие древние времена, уже тогда люди смогли научиться добывать огонь и в существующих условиях есть движение топлива в комплексных городских системах.
Исходя из того, что есть возможность истощения запасов ресурсов естественного топлива (нефтяные, газовые и др.) с течением временем, проводятся работы, связанные с поиском альтернативных источников энергии . По ним можно отметить возможности грозовой энергетики.
Грозовая энергетика является способом, позволяющим получать энергию на базе того, что фиксируется и перенаправляется энергия молний в электрические сети. Указанный тип энергетики базируется на возобновляемом источнике энергии. Молния является большим искровым электрическим разрядом, который появляется в атмосфере. Большей частью, его можно наблюдать при грозе. Молнию можно увидеть, как яркую световую вспышку и она сопровождается громовыми раскатами. Интересным является то, что молнии можно наблюдать еще на других планетах: Юпитер, Венера, Сатурн и др. Значение величины тока при разряде молний может достичь до нескольких десятков и даже сотен тысяч ампер, а значение величины напряжения - до миллионов вольт.
Исследования, которые касались электрической природы молний, осуществлялись в работах американского физика Б. Франклином, на базе его разработок проводились опыты, касающиеся извлечения электричества из грозовых облаков. Франклином была опубликована в 1750 году работа, содержащая описание экспериментов с применением воздушных змеев, запускаемых в период грозы.
Михаила Ломоносова считают как автора первой гипотезы, в ее рамках было объяснение явления электризации в грозовых облаках. На высотах, составляющих несколько десятков километров идет размещение проводящих слоев атмосферы, их открыли в 20 веке. На основе привлечения разных способов исследования, это касается и космических, появились возможности для того, чтобы изучать разные характеристики атмосферы.
Атмосферное электричество можно рассматривать в виде множества электрических явлений, которые осуществляются происходящих в области атмосферы. Когда осуществляют исследования по атмосферному электричеству, то идет изучение электрического поля в атмосфере, особенности ее ионизации, рассматриваются характеристики электрических токов, и другие свойства. Есть разные проявления атмосферного электричества вследствие того, что влияют локальные метеорологические факторы. В сфере атмосферного электричества наблюдаются многочисленные процессы как в тропосферной области, так и стратосферной.
Осуществлялась разработка теорий, относящихся к атмосферному электричеству исследователями Ч. Вильсоном и Я.И. Френкелем. Основываясь на теории Вильсона, есть возможности для выделения конденсатора, его обкладки представляют собой Земля и ионосфера, идет их заряд со стороны грозовых облаков. Появляется электрическое поле атмосферы вследствие того, что есть разность потенциалов, которая возникает между обкладок конденсатора. Исходя из теории Френкеля, есть возможности для объяснения электрического поля атмосферы на базе электрических явлений, возникающих в тропосферной области.
Исследования демонстрируют, что во многих случаях средняя длина молний достигает порядка 2,5 км, можно встретить разряды, которые имеют распространение на расстояния до 20 км.
Можно отметить определенную классификацию молний.
Обсудим характеристики, относящиеся к наземным молниям. Когда формируется наземная молния, то это может быть представлено как совокупность нескольких этапов. Для первого этапа, в тех областях, для которых электрическим полем достигается критическое значение, можно увидеть явление ударной ионизации, она формируется вначале за счет свободных зарядов, их всегда можно наблюдать в окружающем воздухе, ими за счет электрического поля достигаются большие величины скоростей в направлении земли и, вследствие того, что есть столкновения с молекулами, формирующими воздух, происходит их ионизация.
Если мы рассматриваем современные представления, то осуществление процессов ионизации в атмосфере, когда проходит разряд, осуществляется, поскольку влияет высокоэнергетическое космическое излучение - частицы, при этом можно наблюдать то, что уменьшается пробивное напряжение в воздухе, если сравнивать с нормальными условиями. Тогда происходит образование электронных лавин, они будут переходить в соответствующие нити в электрических разрядах, говорят о стримерах, они представляют собой хорошо проводящие каналы, за счет сливания происходит образование канала, имеющего высокую проводимость.
Есть движение такого лидера по направлению к земле на основе ступенчатой закономерности, он достигает скорости, которая будет несколько десятков тысяч км/с, потом происходит замедление его движения, можно наблюдать, что свечение уменьшается, затем идет начало следующей ступени. Значение средней скорости движения лидера к земной поверхности будет порядка 200 000 м/с. Рядом с земной поверхностью идет усиление напряженности и возникает, ответный стример, идет его соединение затем с лидером. Подобную характеристику молнии применяют, когда создают молниеотвод.
Для конечного этапа происходит главный разряд молнии, в нем идет достижение значений токов до сотен тысяч ампер, наблюдают яркость, она существенным образом больше, чем яркость лидера, помимо этого значение скорости его движения будет несколько десятков к/м. Значение температуры в канале, который относится к главному разряду достигает до нескольких тысяч градусов. Значение величины длины молниевого канала будет в основном несколько километров.
Для внутриоблачных молний есть большей частью только лидерные компоненты, по длине они будут составлять от 1 до 150 км. Когда возникает молния, то наблюдают изменения по электрическим и магнитным полях и радиоизлучению, говорят об атмосфериках.
Был открыт более, чем 20 лет назад некоторый вид молний, назвали эльфами, они относятся к верхней области атмосферы. Они представляют собой большие вспышки-конусы, которые характеризуются диаметрами порядка 400 км. После, через определенное время были обнаружены другие типы - джеты, которые представлялись как трубки-конусы, имеющие синий цвет, они имеют высоту, достигающую 40-70 км.
В результате оценок исследователей было показано, что в среднем в течение каждой секунды идет удар около 100 молний. Порядка четверти среди всех молний попадают в земную поверхность.
Разряд молний можно рассматривать как электрический взрыв и для определенных случаев он подобен процессу детонации. Как результат появляется ударная волна, возникновение ее опасно в случае непосредственной близости, может бить повреждение зданий, деревьев. При больших расстояниях происходит процесс вырождения ударных волн в звуковые - слышны громовые раскаты.
Можно отметить среднегодовое количество дней, когда происходит гроза для некоторых городов России: в Архангельске - 16, Мурманске - 5, Санкт-Петербурге - 18, Москве - 27,Воронеже - 32, Ростове-на-Дону - 27, Астрахани - 15, Самаре - 26, Казани - 23, Екатеринбурге - 26, Сыктывкаре - 21, Оренбурге - 22, Уфе - 29, Омске - 26, Ханты-Мансийске- 17, Томске - 23, Иркутске - 15, Якутске - 14, Петропавловске-Камчатском - 0, Хабаровске - 20, Владивостоке - 9.
Есть некоторая классификация по грозовым облакам, которая осуществляется, основываясь на грозовых характеристиках и есть зависимость таких характеристик во многом от того, какое метеорологическое окружение, в котором происходят процессы развития гроз. В случае одноячейковых кучево-дождевых облаков процессы развития будут тогда, когда ветер будет небольшим и слабым образом изменяется давление. Появляются локальные грозы.
Для размеров облаков характерным является то, что они будут в среднем порядка 10 километров, длительность их жизни не превосходит 1 час. Гроза появляется после того, как возникло кучевое облако в случае, когда есть хорошая погода. Вследствие благоприятных условий идет рост кучевых облаков по различным направлениям.
В верхних частях облаков идет формирование кристаллов льда, поскольку идет охлаждение, облака превращаются в мощно-кучевые облака. Формируются условия для того, чтобы выпадали осадки. Это будет кучево-дождевым облаком. Вследствие испаряющихся частиц осадков наблюдаются процессы охлаждения в окружающем воздухе. На этапе зрелости в облаках одновременным образом есть и восходящие, и нисходящие воздушные потоки.
На этапе распада в облаках есть преобладание нисходящих потоков, и потом они постепенным образом охватывают все облако. Весьма распространенный тип гроз - многоячейковые кластерные грозы. Размеры их могут достигать от 10 до 1000 километров. Для многоячейкового кластера отмечают совокупность грозовых ячеек, они двигаются как единое целое, однако идет расположение каждой ячейки в кластере на различных шагах изменений грозовых облаков. В грозовых ячейках, которые существуют на этапе зрелости, большей частью характерна центральная область кластера, а в распадающихся ячейках характерной является подветренная часть в кластере. Размер в поперечнике их большей частью составляет около 20-40 км. Для многоячейковых кластерных грозах может появляться град, идут ливневые дожди.
В структуре многоячейковых линейных гроз можно отметить линию гроз, в ней есть продолжительный, достаточно развитый фронт по порывам ветра в передних линиях фронта. Поскольку есть линии шквалов, то может быть крупный град и идти сильные ливни.
Появление суперъячейковых облаков может быть относительно редким, но их возникновение может приводить к большим угрозам для жизни людей. Есть подобие суперъячейкового облака и одноячейкового, они характеризуются одной зоной восходящего потока. Однако есть различие, заключающееся в том, что значение размера ячейки довольно большое: диаметр может достигать несколько десятков километров, высоты будут порядка 10-15 километров (в ряде случаев идет процесс проникновения верхней границы в стратосферу). При начале грозы характерной является температура воздуха рядом с землей около +27:+30 и более. Как правило в передней кромке суперъячейкового облака идет небольшой дождь.
Исследователями было продемонстрировано на базе самолётных и радарных исследовательских работ, что во многих случаях высота единичной грозовой ячейки может быть порядка 8-10 км и значение времени ее жизни около 30 минут. В случае восходящих и нисходящих потоков для изолированных гроз характерным является диаметр, который лежит в диапазоне от 0.5 до 2.5 км и высотой от 3 до 8 км.
Есть зависимость параметров скорости и движения грозовых облаков от того, как они располагаются относительно земной поверхности, того, как происходят процессы взаимодействия по восходящим и нисходящим потокам облаков с теми областями атмосферы, где наблюдаются процессы развития гроз. Скорость изолированной грозы обычно составляет порядка 20 км/час, но в некоторых грозах могут быть получены и большие значения. Если есть экстремальные ситуации, то значения скоростей в грозовом облаке могут быть до 65 - 80 км/час.
Энергия, которая приводит грозу в действие, обусловлена тем, что есть скрытая теплота, она высвобождается, когда конденсируется водяной пар и идет образование облачных капель. В этих процессах на каждый грамм воды, конденсирующейся в области атмосферы наблюдается процесс выхода порядка 600 калорий тепла. Когда замерзают водяные капли в верхних частях облаков, осуществляется процесс выхода ещё порядка 80 калорий на грамм. Возникающая при процессах высвобождения тепловая энергия частичным образом переходит в энергию, которая относится к восходящим потокам. При осуществлении оценок общей энергии в грозы можно получить величину порядка 108 киловатт-часов, это мы можем соотнести с ядерным зарядом в 20 килотонн. В случае, если есть большие многоячейковые грозы значение энергии может быть более, чем в 10 раз.
Особенности структуры того, как располагаются электрические заряды как во внутренней, так и внешней области грозовых облаков, подчиняются сложным закономерностям. Однако при этом, мы можем представить то, какая обобщенная картина распределения электрических зарядов, которые характеризуют стадию зрелости облаков. Весьма большой вклад принадлежит положительной дипольной структуре. В ней в верхней области облака существует положительный заряд, во внутренней части облака существует отрицательный заряд. Когда двигаются атмосферные ионы на краях облака возникают процессы формирования экранирующих слоев, которые ведут к маскированию электрической структуры облаков относительно наблюдателей, которые располагаются вне их. Анализ приводит к тому, что отрицательные заряды будут относиться к высотам, характеризующимся температурой окружающего воздуха, которая лежит в диапазоне от -5 до -17 °C. При увеличении скорости восходящих потоков в облаках идет рост высоты центров отрицательных зарядов.
Особенности электрической структуры в грозовых облаках можно объяснить при помощи разных подходов. По основным гипотезам можно указать такую, которая основывается на том, что крупные облачные частицы характеризуются в основном отрицательным зарядом, лёгкие частицы характеризуются положительным зарядом. Помимо этого, крупные частицы имеют большую скорость падения, что подтверждалось на базе лабораторных экспериментов. Может быть проявление и других механизмов электризации. Когда увеличивается объемный электрический заряд, который есть в облаке, до определенных значений, то возникает разряд молнии.
Анализ показывает, что молнии могут считаться, как довольно ненадежный источник энергии, так как довольно трудно осуществить предсказания по тому, где и в какое время будет появление грозы. Молния привносит напряжение порядка сотен миллионов вольт и значения пиковых токов могут быть в некоторых молниях до 200 килоампер (в общем случае - 5-20 килоампер).
Есть еще проблемы грозовой энергетики, которые связаны с весьма малой длительностью разрядов молний - доли секунд, в этой связи требуется использование мощных и очень дорогостоящих конденсаторов.
То есть, можно отметить большое число проблем . Но, если сделать установку молниеулавливающей станции, где молнии рассматриваются как частое явление, то можно обеспечить большое количество энергии, которое будет направляться потребителям.
Библиографическая ссылка
Кузнецов Д.А. ВОЗМОЖНОСТИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ГРОЗОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-6.;URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17585 (дата обращения: 15.06.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Одной из первой компанией по использованию энергии из грозовых облаков стала американская компания Alternative Energy Holdings. Она предложила способ использования даровой энергии путем ее сбора и утилизации, возникающей из электрических разрядов грозовых облаков. Экспериментальная установка была запущена в 2007 году и называлась “сборщик молний”. Разработки и исследования грозовых явлений содержат огромные скопления энергии, которые американская компания предложила использовать в качестве источника электроэнергии.
Грозовая электростанция
Грозовая электростанция, по сути, представляет собой классическую электростанцию, которая преобразует энергию молний в электричество. На данный момент грозовая энергетика активно исследуется, и возможно в ближайшем будущем появятся в больших количествах грозовые электростанции наряду с другими электростанции на базе чистой энергии.
Молния как источник грозовых перенапряжений
Грозовые молнии представляют собой электрические разряды, накапливающиеся в больших количествах в облаках. За счет потоков воздуха в грозовых облаках происходит накопление и разделение положительных и отрицательных зарядов, хотя вопросы по данной теме до сих пор исследуются.
Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках связано с тем, что данный физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов во время проведения опытов.
Рис. 3.1.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд, при этом напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет около100 В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.
Молния, как носитель электрических зарядов, является наиболее близким к электричеству источником, по сравнению с другими АИЭ. Заряд, который накапливается в облаках, имеет потенциал в несколько миллионов вольт относительно поверхности Земли. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20000 ?С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.
альтернативный энергия грозовой электростанция
Принцип действия грозовой электростанции
Основан на все том же процессе, что и другие электростанции: преобразование энергии источника в электричество. По сути, молния содержит то же электричество, то есть ничего преобразовывать не надо. Однако указанные выше параметры “стандартного” грозового разряда настолько велики, что если это электричество попадет в сеть, то все оборудование просто сгорит в считанные секунды. Поэтому в систему вводят мощные конденсаторы, трансформаторы и различного рода преобразователи, подстраивающие данную энергию под требуемые условия применения в электросетях и оборудовании.
Преимущества и недостатки грозовой электростанции
Преимущества грозовых электростанций:
Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии -- солнца и радиоактивных элементов земной коры.
Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.
Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.
Грозовая электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.
Недостатки грозовых электростанций:
Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.
Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.
Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.
В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.
Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.
