Использование энергии молнии. Проект (научно – техническое направление)

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.

Грозовая энергетика – это разновидность альтернативной энергетики, которая должна «ловить» энергию молнии и направлять ее в электросеть. Такой источник является нескончаемым ресурсом, который постоянно восстанавливается. Молния – это сложный электрический процесс, который разделен на несколько видов: негативный и позитивный. Первый вид молний накапливается в нижней части облака, другой – наоборот, собирается в верхнем отделе. Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы, которые имеют контуры второго и третьего рода. Это необходимо для того, чтобы согласовывать и равномерно распределять нагрузку с внешним сопротивлением рабочего генератора.

Пока еще грозовая энергетика – это неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Привлекательной есть возможность постоянно восстанавливать ресурсы. Очень важно то, насколько большая мощность исходит от одного разряда, который способствует производству достаточного количества энергии (около 5 млрж Дж чистой энергии, что равняется 145 литрам бензина).

Процесс создания разряда молнии

Процесс создания разряда молнии – очень сложный и технический. Вначале из тучи к земле отправляется разряд-лидер, который сформирован электронными лавинами. Эти лавины соединяются в разряды, которые имеют название «стримеры». Разряд-лидер создает горячий ионизированный канал, через который в противоположном направлении двигается главный разряд молнии, что вырывается из поверхности нашей планеты толчком сильного электрического поля. Такие системные манипуляции могут повторяться несколько раз подряд, хотя нам может казаться, что прошло всего несколько секунд. Поэтому процесс «ловли» молнии, превращения ее энергии на ток и последующего хранения такой сложный.

Проблематика

Существуют следующие аспекты и недостатки грозовой энергетики:

Ненадежность источника энергии. Из-за того, что невозможно наперед предвидеть где и когда возникнет молния, возможно возникновение проблем с созданием и получением энергии. Изменчивость такого явления существенно влияет на значимость всей идеи.
Низкая продолжительность разряда. Разряд молнии возникает и действует считанные секунды, поэтому очень важно оперативно среагировать и «поймать» его.
Нужда использовать конденсаторы и колебательные системы. Без применения этих приборов и систем невозможно полноценно получать и превращать энергию грозы.
Побочные проблемы с «ловлей» зарядов. Из-за низкой плотности заряженных ионов создается большое сопротивление воздуха. «Поймать» молнию можно с использованием ионизированного электрода, который нужно максимально поднять над поверхностью земли (он может «ловить» энергию исключительно в виде микротоков). Если поднять электрод слишком близко к наэлектризированным тучам, то это спровоцирует создание молнии. Такой кратковременный, но мощный заряд может привести к числительным поломкам грозовой энергостанции.
Дорогая стоимость всей системы и оборудования. Грозовая энергетика через свою специфическую структуру и постоянную переменчивость подразумевает использование разнообразного оборудования, которое стоит очень дорого.
Преобразование и распределение тока. Из-за переменчивости мощности зарядов могут возникнуть проблемы с их распределением. Средняя мощность молний составляет от 5 до 20 кА, однако, бывают вспышки силой тока и до 200 кА. Любой заряд нужно распределить на меньшую мощность к показателю в 220 В или в 50-60 Гц переменного тока.

Эксперименты с установкой грозовых энергетических станций

11 октября 2006 года было объявлено про удачную конструкцию прототипа модели грозовой энергостанции, которая способна «ловить» молнию и превращать в чистую энергию. Такими достижениями смогла похвастаться компания Alternative Energy Holdings. Инновационный производитель отметил, что такая установка может решить несколько экологических проблем, а также значительно снизить стоимость производства энергии. Компания уверяет, что подобная система окупится уже через 4-7 лет, а «грозовые фермы» будут иметь возможность производить и продавать электроэнергию, которая отличается от стоимости традиционных источников энергии (0,005 $ за кВт/год).

Сотрудники Саунгтгемптского университета в 2013 году в лабораторных условиях смоделировали искусственный заряд молнии, который по своим свойствам идентичен молнии естественного происхождения. Используя несложное оборудование, ученые смогли «словить» заряд и с его помощью зарядить аккумулятор мобильного телефона.

Исследования грозовой активности, карты частоты молний

Специалисты NASA, которые работают со спутником «Миссия измерения тропических штормов», в 2006 году провели исследования грозовой активности в разных уголках нашей планеты. Позже было оповещено данные о частоте происхождения молний и созданию соответствующей карты. Такие исследования сообщили о том, что существуют определенные регионы, в которых на протяжении года возникает до 70 ударов молнии (на квадратный км площади).

Гроза – это сложный электростатический атмосферный процесс, который сопровождается молниями и громом. Грозовая энергетика – это перспективная альтернативная энергетика, которая может помочь человечеству избавится от энергетического кризиса и обеспечить его постоянно возобновляющимися ресурсами. Не смотря на все преимущества такого вида энергии, существует много аспектов и факторов, которые не позволяют активно продуцировать, использовать и сохранять электроэнергию данного происхождения.

Сейчас ученые всего мира изучают этот сложный процесс и разрабатывают планы и проекты по устранению сопутствующих проблем. Возможно, со временем человечество сможет укротить «строптивую» энергию молнии и перерабатывать ее в ближайшем будущем.

Обычно когда говорят о альтернативной энергетике, то традиционно подразумевают установки по производству электрической энергии из восстанавливаемых источников – солнечного света и ветра. При всем этом статистика исключает создание электроэнергии на гидроэлектростанциях, станциях, использующих мощь морских и океанических приливов, также геотермальные электростанции. Хотя, данные источники энергии кроме того считаются восстанавливаемыми. Но, они классические, используются в промышленных масштабах уже долгие и длительные годы.

Альтернативный источник энергии считается восстанавливаемым ресурсом, он подменяет собой классические источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий подъему парникового эффекта и глобальному потеплению.
Первопричина поиска альтернативных источников энергии — необходимость получать её из энергии восстанавливаемых либо фактически неистощимых естественных ресурсов и явлений. Во внимание сможет браться помимо прочего экологичность и экономичность.

Главными источниками энергии для такого вида систем считаются энергии Солнца, ветра и природное состояние грунта на поверхности Земли (для грунтовых термических насосов). Используя восстанавливаемые источники энергии, мы значительно влияем на экологию и энергетический кризис на Земле, также получаем автономию от обычных видов энергии, значительную экономию средств и уверенность в завтрашнем дне.

Отрасли альтернативной энергетики

Гелиоэнергетика

Солнечные электростанции одни из самых распространенных на планете, работают в более чем 80 странах мира и используют неисчерпаемый источник энергии - солнечный свет.
В ходе выработки электроэнергии, а по мере надобности еще и тепла для подогрева жилых помещений и подачи тёплой воды, они не наносят практически никакого ущерба окружающей среде.

Очень зависима гелиоэнергетика от погоды и времени суток: в пасмурный день и, особенно, ночью электроэнергию получить не удастся. Приходится обзаводиться аккумуляторными батареями, что умножает стоимость установки солнечных панелей, к примеру, на даче, а кто муже создает неблагоприятные моменты для окружающей среды в связи с необходимостю утилизации тех же отработавших аккумуляторов.
Помимо фотоэлементов и фотобатерей, широко применяются и солнечные коллекторы и солнечные водонагреватели, они используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии.
Фаворитами в популяризации гелиоэнергетики считаются Германия, Япония и Испания. Ясное дело, что превосходство здесь имеют южные державы, где солнце горячо освещает практически и зимой и летом.

Ветроэнергетика

Энергию ветра относят к восстанавливаемым видам энергии, потому что она считается следствием активности Солнца. Ветроэнергетика считается бурно развивающейся отраслью. К началу 2014 года общая мощность всех ветрогенераторов составила примерно 320 гигаватт!
Пятерку лидеров в мировой выработке электричества с помощью ветра составили Китай, США,Германия, Дания и Португалия.
Здесь опять-таки почти все находится в зависимости от погодных условий: в одних государствах ветер не стихает ни на один миг, в других напротив огромную часть времени стоит штиль.

Есть у ветроэнергетики как весомые достоинства, так и настолько же весомые недостатки. По сравнению с солнечными панелями «ветряки» стоят дешево и не зависят от времени суток, посему часто встречаются на загородных участках. Значимый минус у ветрогенераторов исключительно один – они изрядно шумят. Установку такового оборудования придется согласовывать не только лишь с родимыми, но и обитателями близлежащих домов.

Геотермальная энергетика

В районах с вулканической активностью, где подземные воды могут нагреваются выше температуры кипения, оптимально строить геотермальные теплоэлектростанции (ГеоТЭС).
Употребляется как для нагрева воды для отопления, но и для производства электричества. На геотермальных электрических станциях вырабатывают большую часть электричества в государствах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия помимо прочего являет собой образчик державы, где термальные воды обширно употребляются для подогрева, отопления.

Большим плюсом геотермальной энергии считается её фактическая неиссякаемость и абсолютная автономия от условий окружающей среды, времени суток и года.
Есть следующие принципиальные возможности применения тепла земных глубин. Воду либо смесь воды и пара зависимо от их температуры возможно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электричества или сразу для этих всех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического региона и сухих горных пород желательно применять для выработки электричества и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.
Основная из проблем, которые возникают при применении подземных термальных вод, заключается в потребности повторяемого цикла поступления (закачки) воды (традиционно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах находится много солей разных токсичных металлов (к примеру, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и хим соединений (аммиака, оксибензолов), что исключает сброс этих вод в естественные водные системы, находящиеся на поверхности.

Альтернативная гидроэнергетика

Нестандартное применения аква ресурсов планетки для выработки энергии предполагает три вида электрических станций: волновые, приливные и водопадные. При этом наиболее многообещающими из них считаются первые: средняя мощность волнения мирового океана расценивают в 15 кВт на метр, а при вышине волн повыше двух метров пиковая мощность сможет достигать аж 80 кВт/м.
Главная особенность волновых электростанций – сложность преобразования движения волн "вверх-вниз" во вращение диска генератора, но современные разработки понемногу находят решения етой задачи.

Приливные электростанции имеют существенно меньшую мощность, нежели волновые, зато их куда проще и комфортнее возводить в прибрежной зоне морей. Гравитационные силы Луны и Солнца два раза в сутки заменяют уровень воды в море (разница сможет достигать 2-ух десятков метров), что дает возможность использовать энергию приливов и отливов для выработки электро энергии.

Биотопливо

Биотопливо — горючее из растительного либо животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов либо органических промышленных отходов. Различается жидкое биотопливо (для движков внутреннего сгорания, к примеру, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулки, щепа, трава, лузга) и газообразное (синтезированый газ, биогаз, водород).
Жидкое, твердое и газообразное биотопливо может стать заменой не только лишь обычным источникам электро энергии, но и топливу. В отличие от нефти и природного газа, восстановить припасы которых не осуществимо, биотопливо возможно производить в синтетических условиях.

Перспектива за жидким и газообразным биотопливом: биодизелем, биоэтанолом, биогазом и синтез-газом. Они все производятся на базе богатых сахаром либо жирами растений: сладкого тростника, кукурузы причем даже морского фитопланктона. Последний вариант так и вовсе имеет бескрайние возможности: растить водные растения в синтетических условиях дело не хитрое.

Грозовая энергетика

Молнии считаются чрезвычайно ненадёжным источником энергии, потому что заблаговременно невозможно предвидеть, где и как скоро произойдет гроза.
Ещё одна проблема грозовой энергетики заключается в том, что разряд молнии продолжается доли секунд и, как последствие, его энергию необходимо припасать довольно быстро. Чтобы достичь желаемого результата требуются массивные и дорогие конденсаторы. Помимо прочего могут применяться разные колебательные системы с контурами второго и третьего семейства, где возможно согласовывать нагрузку с внутренним противодействием генератора.

Молния считается сложным электрическим процессом и разделяется на несколько видов: негативные — накапливающиеся в нижней части тучи и позитивные — собирающиеся в высшей части тучи. Это также нужно учесть при разработке молниевых приемников.
По данным ученых, при одной мощной грозе высвобождается примерно столько энергии, сколько все жители США в среднем потребляют за 20 минут.

Водородная энергетика

Вид альтернативной энергетики основанной на применении водорода в виде средства для аккумулирования, транспортировки и употребления энергии людьми, автотранспортной инфраструктурой и разными производственными направлениями. Водород избран не спроста, а потому как он наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода более высока, а продуктом сгорания в кислороде считается вода (которая снова вводится в оборот водородной энергетики).

На сегодня для производства водорода потребуется более энергии, нежели возможно обрести при его применении, потому считать его источником энергии невозможно. Он считается только средством сохранения и доставки энергии.
Но есть и большая опасность массового производства водорода, если водород будит просачиваться из баллона или других резервуаров хранения, будучи легче воздуха он безвозвратно покинет атмосферу Земли, что при массовом применении технологий, может привести к глобальной потере воды, если водород будет производится электролизом воды.

Космическая энергетика

Здесь предусматривается использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположених энергетических станций на земной орбите или на Луне, электроэнергия от которых будет передаваться на Землю в форме микроволнового излучения. Может способствовать глобальному потеплению. До сих пор не применяется.

На 2012 год альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 5.1% всей потребляемой человечеством энергии.

Покопавшись в фантастической литературе, наверняка можно наткнуться на что-то подобное. Да и разных патентных заявок на эту тему, полагаем, сделано немало. Только вот реального воплощения всё не видать.

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 (в некоторых измеренных молниях; обычно - 5-20 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.

Заметим, что во время разряда молнии происходит довольно сложный процесс. Сначала из облака к земле (внутриоблачные молнии мы не рассматриваем) 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.

А ведь ещё надо добавить, что и те молнии, которые пробегают между облаками и землёй, делятся на два «зеркальных» типа: одни вызываются отрицательными разрядами, накапливающимися в нижней части грозового облака, а другие - положительными, которые собираются в его верхней части. Правда, второй тип встречается от 4 (в средних широтах) до 17 (в тропиках) раз реже, чем разряды первого типа (отрицательные молнии). Но и эту разницу всё равно нужно учитывать при проектировании сборщиков небесного электричества.

К сожалению, сторонники молниевых ферм забывают упомянуть, что сотни стальных вышек, которые, возможно, потребуются для эффективного сбора значительной доли молний, ударяющих во время грозы на приличной территории, эту самую территорию никак не украсят (на снимке - просто какие-то стальные мачты, фото Arek Daniel).

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. По некоторым данным , 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.

Но всё равно, если бы грозы над станцией случались хотя бы раз в неделю... Стоп, так ведь в любой момент времени на нашей планете бушует 2 тысячи гроз! Заманчиво?

Да. Только распределяются эти грозы по столь большой площади, что перспективы поимки молнии «за хвост» сразу становятся туманными.

С другой стороны, грозы случаются на Земле очень неравномерно. К примеру, американские новаторы, задумывающиеся над сбором молний, давно посматривают в сторону Флориды: там есть район, славящийся как место, прямо-таки облюбованное небесными стрелами.

Ещё больше повезло Африке. Буквально на днях специалисты, работающие с американским спутником «Миссия измерения тропических штормов» (Tropical Rainfall Measuring Mission - TRMM), опубликовали отчёт об одном из свежих достижений этого спутника.

Проведя многолетние наблюдения, TRMM (руками специалистов, конечно) «составил» мировую карту частоты молний, окрасив ту или иную часть Земли в соответствии с числом ослепительных разрядов, возникающих над каждым квадратным километром данной местности за год.

Как видно из рисунка, в центральной части африканского континента есть немаленькая зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год!

Частота молний в мире. Шкала справа проградуирована в штуках на квадратный километр в год, усреднённых по 11 годам наблюдения со спутника TRMM (иллюстрация NASA/MSFC).

Правда, разглядывая эту карту, нужно учесть, что в тропиках и ближе к экватору большая доля всех случающихся молний возникает между облаками или разными частями одного облака, а вот в средних широтах, напротив, значительную долю общего числа грозовых молний составляют «приземлённые» разряды. Выходит, и для России не всё потеряно, да и Центральная Африка (за счёт немалого общего числа молний) может рассчитывать на успех в сборе столь экзотического урожая.

Но пока с такими проектами выступают всё больше изобретатели из США.

К примеру, американская компания Alternative Energy Holdings , делясь планами своего развития, сообщает , что собирается осчастливить мир экологически чистой электростанцией, вырабатывающей ток по смешной цене $0,005 за киловатт-час.

Как именно в компании намерены собирать энергию разрядов - не указывается. Можно только предположить, что речь идёт о молниеотводах, снабжённых гигантскими наборами суперконденсаторов и преобразователей напряжения.

Кстати, 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 мы полагаем, что хоть какой-то возможный успех связан с более простыми системами.

Впрочем, посмотрим. Alternative Energy Holdings, что приятно, не ограничивается общими рассуждениями о светлом (далёком) будущем молниевой энергетики, а 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 (то бишь лета) 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.

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»