Наши дети 

Использование молний в энергетике. Можно ли поймать молнию и использовать её энергию? Процесс создания разряда молнии

Огромные сполохи природной энергии – молнии, давно привлекают внимание людей. После того, как была установлена электрическая природа молний, люди стали подробнее изучать это явление. Естественно, рассматривался вопрос о практическом использовании энергии молний. Для этого, прежде всего, необходимо определить запас энергии молнии.

Максимальная разница потенциалов молнии достигает 50 миллионов вольт, а ток до 100 тысяч ампер. Для расчётов энергии молнии возьмем цифры ближе к средним для большинства молний, а именно: напряжение 20 миллионов вольт и ток 20 тысяч ампер.

При грозовом разряде, электрический потенциал уменьшается до нуля. Поэтому для того, чтобы правильно определить среднюю мощность грозового разряда, в расчётах надо брать половину первоначального напряжения.

Тогда мы имеем мощность электрического разряда:

Получается, что мощность грозового разряда молнии 200 миллионов киловатт. Длительность молнии составляет около тысячной доли секунды, а в каждом часе 3600 секунд. По этим данным можно определить общее количество энергии, которую даёт разряд молнии.

При цене электрической энергии 3 рубля за 1 кВт.ч., стоимость энергии, при условии полного использования всей энергии молнии, составит 166,67 рубля.

На большей части России частота ударов молнии в пределах 2 – 4 в год на квадратный километр, в горных районах до 10 ударов молнии. Из всех видов молний, как источник энергии нас может интересовать только разряд между землёй и электрически заряженными облаками. Для покрытия квадратного километра нужно большое количество молниеотводов. Технически возможно собрать небольшую часть электричества от молнии в высоковольтных конденсаторах. Понадобятся также преобразователи с функцией стабилизации напряжения. Но, как показывает расчёт энергоёмкости конденсаторов , для хранения даже небольшого количества электрической энергии, нужны конденсаторы огромной ёмкости и размеров. Стоимость такого оборудования будет на много порядков дороже стоимости полученной электрической энергии, даже при регулярном, например, ежегодном пополнении энергии разрядами молнии.

Подобные расчёты энергии молнии приводились в технической литературе. Реально получить и использовать, например, на нагрев воды, можно только небольшую часть этой энергии. Основная часть энергии молнии расходуется при искровом разряде на нагрев атмосферы и даже теоретически потребители могут использовать меньшую часть энергии молнии.

Для примера рассчитаем, сколько энергии потребляет на нагрев, например, такое устройство, как громоотвод. Электрическое сопротивление воздушного промежутка, молниеотвода и заземления, которое преодолевает молния при усредненных характеристиках разряда составит:

R = U/I = 20 000 000 В: 20 000 А = 1000 Ом

Расчёт сопротивления проводника громоотвода можно сделать по известной методике, если известны материал, его удельное сопротивление, длина и толщина провода. Но, для нашего примера, будем считать сопротивление проводника равным одному 1 Ом, а сопротивление заземления 4 Ома.

Если сопротивление молниеотвода в тысячу раз меньше, общего сопротивления для молнии, то по закону Ома для участка цепи падение напряжения на участке цепи (громоотводе), прямо пропорционально сопротивлению. А значит мощность, которая выделяется в виде тепла на молниеотводе, будет в тысячу раз меньше общей мощности или количеству энергии, которое выделяется на молниеотводе. В нашем примере это количество энергии будет равно 55,556 Вт.ч., что очень незначительно. Зная теплоёмкость материала молниеотвода и его массу, можно определить, на сколько градусов повысится температура молниеотвода.

Для повышения мощности потребителя, необходимо повысить электрическое сопротивление потребителя. Оптимальным вариантом для источника и потребителя электрической энергии является согласований сопротивлений, когда эти сопротивления равны. Нужно иметь в виду, что при увеличении общего сопротивления токопроводящей цепи уменьшится величина тока, а разность потенциалов останется прежней. Это приведёт к уменьшению общей энергии молнии и снизит без того небольшую вероятность грозового разряда.

Исследования грозовой активности

В году специалисты, работающие со спутником NASA «Миссия измерения тропических штормов», опубликовали данные по количеству гроз в разных регионах планеты. По данным исследования стало известно, что существуют районы, где в течение года происходит до 70 ударов молний в год на квадратный километр площади.

Проблемы в грозовой энергетике

Молнии являются очень ненадёжным источником энергии, так как заранее нельзя предугадать, где и когда случится гроза .

Ещё одна проблема грозовой энергетики состоит в том, что разряд молнии длится доли секунд и, как следствие, его энергию нужно запасать очень быстро. Для этого потребуются мощные и дорогостоящие конденсаторы . Также могут применяться различные колебательные системы с контурами второго и третьего рода, где можно согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора.

Молния является сложным электрическим процессом и делится на несколько разновидностей: отрицательные - накапливающиеся в нижней части облака и положительные - собирающиеся в верхней части облака. Это тоже надо учитывать при создании молниевой фермы.

По некоторым данным, при одной мощной грозе высвобождается столько же энергии, сколько все жители США потребляют за 20 минут.

Напишите отзыв о статье "Грозовая энергетика"

Примечания

См. также

  • Райзер, глава посвященная изучению оптического пробоя в газовых средах.

Отрывок, характеризующий Грозовая энергетика

«Да, он прав, тысячу раз прав этот дуб, думал князь Андрей, пускай другие, молодые, вновь поддаются на этот обман, а мы знаем жизнь, – наша жизнь кончена!» Целый новый ряд мыслей безнадежных, но грустно приятных в связи с этим дубом, возник в душе князя Андрея. Во время этого путешествия он как будто вновь обдумал всю свою жизнь, и пришел к тому же прежнему успокоительному и безнадежному заключению, что ему начинать ничего было не надо, что он должен доживать свою жизнь, не делая зла, не тревожась и ничего не желая.

По опекунским делам рязанского именья, князю Андрею надо было видеться с уездным предводителем. Предводителем был граф Илья Андреич Ростов, и князь Андрей в середине мая поехал к нему.
Был уже жаркий период весны. Лес уже весь оделся, была пыль и было так жарко, что проезжая мимо воды, хотелось купаться.
Князь Андрей, невеселый и озабоченный соображениями о том, что и что ему нужно о делах спросить у предводителя, подъезжал по аллее сада к отрадненскому дому Ростовых. Вправо из за деревьев он услыхал женский, веселый крик, и увидал бегущую на перерез его коляски толпу девушек. Впереди других ближе, подбегала к коляске черноволосая, очень тоненькая, странно тоненькая, черноглазая девушка в желтом ситцевом платье, повязанная белым носовым платком, из под которого выбивались пряди расчесавшихся волос. Девушка что то кричала, но узнав чужого, не взглянув на него, со смехом побежала назад.
Князю Андрею вдруг стало от чего то больно. День был так хорош, солнце так ярко, кругом всё так весело; а эта тоненькая и хорошенькая девушка не знала и не хотела знать про его существование и была довольна, и счастлива какой то своей отдельной, – верно глупой – но веселой и счастливой жизнию. «Чему она так рада? о чем она думает! Не об уставе военном, не об устройстве рязанских оброчных. О чем она думает? И чем она счастлива?» невольно с любопытством спрашивал себя князь Андрей.
Граф Илья Андреич в 1809 м году жил в Отрадном всё так же как и прежде, то есть принимая почти всю губернию, с охотами, театрами, обедами и музыкантами. Он, как всякому новому гостю, был рад князю Андрею, и почти насильно оставил его ночевать.
В продолжение скучного дня, во время которого князя Андрея занимали старшие хозяева и почетнейшие из гостей, которыми по случаю приближающихся именин был полон дом старого графа, Болконский несколько раз взглядывая на Наташу чему то смеявшуюся и веселившуюся между другой молодой половиной общества, всё спрашивал себя: «о чем она думает? Чему она так рада!».
Вечером оставшись один на новом месте, он долго не мог заснуть. Он читал, потом потушил свечу и опять зажег ее. В комнате с закрытыми изнутри ставнями было жарко. Он досадовал на этого глупого старика (так он называл Ростова), который задержал его, уверяя, что нужные бумаги в городе, не доставлены еще, досадовал на себя за то, что остался.

Гроза - атмосферное явление, при котором в кучевых облаках, находящихся на высоте 7 -15 км, возникают многократные искровые электрические разряды - молнии, сопровождающиеся громом, ливнями, градом и усилением ветра. Согласно современным представлениям, электризация облаков происходит за счет трения кристалликов льда о смесь водяного пара и мельчайших водяных капелек. Разделение электрических зарядов и образование электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.
Для более ясного проблемы использования энергии грозовых разрядов, кратко остановимся на основных современных взглядах на грозовые явления. В настоящее время не решен окончательно вопрос, за счет чего получают заряд капельки воды и кристаллики льда в грозовых облаках. Одна группа ученых считает, что капельки и кристаллы льда захватывают заряд из воздуха, другая группа считает, что они заряжаются за счет обмена зарядом при контакте между собой. В результате экспериментальных исследований установлено, что от нижней кромки грозового облака и до слоя с температурой 00C простирается водная часть облака. В области с температурой от 00C до 150C сосуществуют вода и лед, и при температуре ниже 150C облако обычно состоит только из ледяных кристаллов. Капельная часть облака, в основном, имеет отрицательный заряд, а ледяная его часть имеет положительный заряд. В средних широтах центр отрицательного заряда грозового облака располагается на высоте около 3 км, а центр положительного примерно на высоте 6 км. Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет 100-300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1 600 вольт/см. Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько ячеек (в некоторых грозах до 8). Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. В отдельных случаях скорость восходящих потоков может достигать 30 м/сек, однако в основном она составляет 10-12 м/сек. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью (разрядами молний) и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр 2-8 км и простирается в высоту до уровня с температурой 40C. В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности и колличества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа,
длительность стадии зрелости равна 15-30 минутам, стадии затухания около 30 минут.
Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.
Объем грозового облака, состоящего из смеси капель и ледяных кристаллов, достигает от сотен до нескольких тысяч кубических километров. Масса водно-ледяных частиц, при этом объеме, составляет примерно 106 - 107 тонн.
Потенциальная энергия грозового облака составляет от 1013 до 1014 Дж и достигает энергии термоядерной мегатонной бомбы. Молнии, обычно линейные, длиной несколько километров, диаметром десятки сантиметров, относятся к без электродным разрядам, так как зарождаются в скоплении заряженных частиц, преобразуя электрическую энергию в тепловую. По условиям развития грозы разделяются: на внутримассовые и на фронтальные. Внутримассовые грозы над материком возникают в результате местного прогревания воздуха от земной поверхности, что приводит к развитию в нём восходящих токов местной конвекции и к образованию мощных кучево-дождевых облаков. Поэтому внутримассовые грозы над сушей развиваются преимущественно в послеполуденные часы. Над морями наиболее благоприятные условия для развития конвекции наблюдаются в ночные часы, и максимум в суточном ходе приходится на 4 - 5 часов утра.
Фронтальные грозы возникают на фронтальных разделах, т. е. на границах между тёплыми и холодными воздушными массами и не имеют регулярного суточного хода. Над материками умеренного пояса они наиболее часты и интенсивны летом, в засушливых районах - весной и осенью. Зимние грозы возникают в исключительных случаях - при прохождении особенно резких холодных фронтов. Вообще зимняя гроза- явление очень редкое.
Грозы на Земле распределены весьма неравномерно: в Арктике они возникают раз в несколько лет, в умеренном поясе в каждом отдельном пункте бывает несколько десятков дней с грозами. Тропики и экваториальная область являются самыми грозообильными районами Земли, и получили название "пояс вечных гроз". В районе Бютензорга, на острове Ява, грозы буйствуют 322 дня в году. В пустыне Сахара гроз вообще почти не бывает. Электрическое строение типичного грозового облака биполярно - положительные и отрицательные заряды располагаются в верхней и нижней частях облака соответственно. Вблизи основания облака под отрицательным зарядом обычно располагается дополнительный
положительный заряд. В зависимости от условий (в частности, от широты местности) возможны различные значения верхнего положительного и нижнего отрицательного зарядов.
Электрическое поле в облаках обусловлено распределением объемных зарядов, создаваемых всеми носителями зарядов в данном облаке. В грозовых облаках происходит весьма быстрое накопление больших объемных зарядов. Средняя плотность объемного заряда может составлять порядка (0,3-3)10- Кл/м. Области с максимальной плотностью зарядов имеют размеры порядка нескольких сотен метров. В таких локальных объемах облака создаются условия, благоприятные для образования молний. По современным представлениям наиболее часто встречаются объемы с максимальной плотностью зарядов (зоны неоднородности) размером 200-400 м. Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает достаточной величины, начинается ударная ионизация воздуха. Свободные электроны, которые всегда имеющиеся в небольшом количестве в воздухе, под воздействием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха ионизируют их. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые сливаясь, дают начало яркому термоионизированному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров, со скоростью примерно 510 м/сек, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает. В последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются, при движении лидера до поверхности земли. По мере продвижения лидера к земле напряжение на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. В заключительной стадии, по ионизированному лидером каналу следует главный разряд молнии. Главный разряд характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью
о
продвижения, вначале доходящей примерно до 10 м/сек, в конце уменьшающейся до значений 107 м/сек. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 0С. Длина канала 1-10 км, диаметр несколько сантиметров. После прохождения импульса тока, ионизация канала и его свечение ослабевают. На рисунке 2.20. показаны три стадии развития молнии. На этом рисунке: 1- грозовое облако; 2 - канал ступенчатого лидера; 3 - корона канала; 4 - импульсная корона на головке канала; 5 - главный разряд. Принципиально возможны следующие основные пути получения электроэнергии из грозовых разрядов.
Еще в 1928-1933 годы на горе Дженеросо в Швейцарии на высоте 80 м над земной поверхностью подвешивалась металлическая решетка. Во время гроз эта решетка собирала заряд, достаточный для поддержания в течение 0,01 сек электрической дуги длиной в 4,5 м, что соответствовало силе тока в несколько десятков тысяч ампер и разности потенциалов порядка 1 миллиона вольт. Вначале предполагалось получаемое на этой
установке напряжение использовать для ускорения заряженных частиц в ускорителях. Однако от этой мысли пришлось отказаться ввиду сильной

Рис. 2.20. Три стадии развития молнии

изменчивости электрического состояния грозовых облаков и невозможности пока его регулировать. Попытки использовать протекающий во время гроз в поднятых высоко над земной поверхностью антеннах электрический ток для питания ламп накаливания также пока не дали экономически выгодного эффекта.
Известны опыты, когда в результате глубинных взрывов в море, поднимавших фонтаны воды на высоту около 70 метров под грозовым облаком, происходили разряды облаков в море. Также практически были проведены разряды грозовых облаков на поверхность земли (моря) с помощью проволоки, которая доставлялась к облаку ракетой. Обычно разряд происходил, когда ракета поднималась на высоту порядка 100 м. Этого оказывалось достаточным, чтобы разрядить на землю грозовое облако с высотой нижней границы около километра. Были также попытки использовать в целях создания канала для молнии пучок протонов, полученных на синхротроне, а также с помощью лазеров. Основными недостатками указанных методов являются ряд чисто технических трудностей. Имелись проекты рассеивания в облаках металлических или металлизированных пластинок и нитей, играющих роль проводников короткого замыкания и одновременно микроразрядников, на которых вследствие наличия в облаке собственного электрического поля создается падение потенциала, достаточное для коронного разряда. Опыты по засеву облаков кристаллизующими реагентами с целью изменения их электрического состояния показали, что при соответствующих условиях

можно вызвать интенсивную электризацию облака, и один из путей управления электрическим состоянием грозовых облаков связан с управлением процессом кристаллизации. Но результаты подобных
воздействий на возможность подучения разряда большой мощности, пока недостаточно определены.
Российские энергетики предложили способ использования энергии молний, заключающийся в улавливании зарядов молнии через молниеприемники, электрически соединенные с токоотводом, заземленные через средство отбора энергии молнии, и утилизации электрической
энергии молний на общей накопительной емкости, при этом дополнительно инициируют разряды молнии посредством, например, лазерных излучателей, создающих зоны безэлектродного электрического пробоя воздуха для возбуждения устойчиво развивающегося лидера электрического искрового разряда молнии, а отвод энергии осуществляют через токоотвод, выполненный из резонансных контуров LC-фильтров с диодными мостами.
Электрическая схема, предложенного устройства, показана на рисунке 3.20. На этом рисунке: 1- молниеприемники; 2 - токоотвод; 3- трехзвенные резонансные LC-фильтры; 4- общая накопительная емкость; 5- автоматический переключатель; 6 -обнуляющее сопротивление; 7 -отвод к потребителю. Каждый молниеприемник выполнен в виде подвешенной над землей металлической сетки, закрепленной на изоляторах. Токоотвод выполнен из более чем двух соединенных параллельно, последовательно связанных каскадов D, обеспечивающих понижение тока грозового разряда. Каждый каскад выполнен из трехзвенных резонансных LC-фильтров, соединенных между собой общей индуктивной связью. Общая индуктивная связь образована из последовательно соединенных трех обмоток дросселя, а на выходе каждого каскада подключен соответствующий мостовой выпрямитель. При этом выходы мостовых выпрямителей соединены между собой параллельно и подключены к общей накопительной емкости СН. «Плюсовые» выходы через выпрямительные диоды подключены к пластине общей накопительной емкости Сн. «Минусовые» выходы подключены к другой пластине накопительной емкости СН, выход с СН подключен к системе потребителя. На выходе общей накопительной емкости СН установлен автоматический переключатель для соединения с потребителем или
сопротивлением, обнуляющим накопленный заряд с общей накопительной емкости.
Так же предлогалось устройство, в котором в качестве молниеприемника используется вертикальная токопроводящая изолированная от земли труба, внутрь которой вниз дном вставлен толстостенный диэлектрический стакан так, чтобы верхняя часть трубы возвышалась над краями стакана. На внутреннюю поверхность стенок стакана нанесено заземленное токопроводящее покрытие. Труба- молниеприемник электрически соединена с одним концом первичной обмотки трансформатора, другой конец которой заземлен. Индуктивность первичной обмотки и емкость, сформированная токопроводящей трубой, стенками стакана и токопроводящим покрытием, образуют параллельный колебательный контур. Разряд молнии на трубу-молниеприемник инициируется протяженным оптическим пробоем, который формируется пучком импульсного инфракрасного лазера. Конфигурацию и направление греющего пучка формирует управляемое дихроичное зеркало,
расположенное внутри стакана. Это зеркало одновременно работает в составе системы оптического сканирования атмосферы, необходимой для выявления известным методом оптической локации зон с критическими градиентами напряжения в нижней части грозовых облаков. Энергия, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора, используется для питания всех систем устройства, и часть ее может передаваться потребителям. Устройство для накопления электрической энергии. Устройство, которое позволяет накапливать электрическую энергию, выделяемую в молниеотводе при ударе в него молнии, а также извлекать ее избыток из атмосферы между разрядами молний, показано на рисунке 4.20. На этом рисунке: 1- металический громотовод; 2 - тороидальные катушки
индуктивности; 3 -согласующие элементы; 4- заземление. Как видно из приведенного рисунка, это запатентованное устройство, содержит вертикально установленный, заземленный громоотвод. Причем, громоотвод выполнен в виде металлического проводника, вблизи которого расположено одно или несколько элементов для съема электрической энергии.
Элемент для съема электрической энергии содержит катушку индуктивности,
полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура. В этом устройстве катушка индуктивности размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода.

Китайские ученые из института атмосферной физики разработали несколько иную технологию использования энергии молнии. Для захвата молнии будут использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты, которые будут запускать в центр грозового облака. Ракета "YL-1" должна стартовать за несколько минут до удара молнии. "Проверки показали, что точность запусков составляет 70%", - сообщили разработчики аппарата. Энергия молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение будут использоваться для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников. Кроме того, новая технология позволит значительно снизить экономический ущерб от гроз.
Американская компания Alternative Energy Holdings (Alt-Holding), предложила еще один, способ использования даровой энергии. Специалисты компании утверждают, что им удалось разработать способ сбора и утилизации энергии, возникающей во время электрических разрядов в грозовых облаках. Проект получил название «Сборщик молний» (Lightning Harvester).
Начиная с 2006 года издание eVolo стало проводить ежегодный конкурс eVolo Skyscraper Competition, в котором принимают участие архитекторы, проектирующие непросто высотные здания, а небоскребы строящиеся по последним технологиям и с широким использованием самых современных материалов. Кроме того организаторы конкурса оценивают представленные проекты и с точки зрения их экологичности, которой уделяется особое внимание. Так, в нынешнем году на Evolo Skyscraper Competition 2011 призовые места заняли проекты «LO2P Recycling Skyscraper» (небоскреб-утилизатор в Индии), «Flat tower» (альтернативная энергетика) и гидротехническая плотина, совмещающая в себе электростанцию, галерею и аквариум. На этом же конкурсе группой архитекторов и инженеров из Сербии был представлен неординарный проект небоскреба производящего водород с помощью «небесного» электричества. Идея сербский команды оказалась настолько интересной, что проект Хидра был отмечен поощрительной премией, но вот занять одно из призовых мест. На самом деле, небоскреб Хидра представляетсобой проект высотного строения, которое будет ловить молнии из проходящих в районе грозовых фронтов. Далее предпологается использовать их энергию для процесса разделения (электролиза) обычной воды на составляющие - водород и кислород. Таким образом, это строение будет с одной стороны служить источником чистой энергии, а с другой, станет еще одним поставщиком кислорода в атмосферу Земли.
Учитывая непредсказуемость и непостоянство молний, авторы проекта предложили несколько решений, которые помогут повысить производительность «небоскреба» Хидра. Чтобы притягивать к себе как можно большее число грозовых разрядов, конструкцию необходимо установить в тех регионах планеты, где наблюдается наибольшее число молний. К таким областям относятся некоторые районы, находящиеся на территории США (штат Флорида), Венесуэлы, Колумбии, Индии (в северной части этих стран), Индонезии (полуостров Малакка) и Конго (Африка). В этих районах на каждый квадратный километр территории приходится от 50-70 и более ударов молний ежегодно. Кроме правильного выбора места под строительство, повысить вероятность удачной охоты за молниями поможет возведение проекта Хидра на открытой местности. Поэтому, если небоскреб будет располагаться в крупном городе, он должен стать самым высоким строением в мегаполисе. Иначе часть молний будет просто притягиваться соседними более высокими небоскребами или башнями. Как, например, это наблюдается с Эмпайр-стейт-билдинг (самое высокое здание Нью-Йорка) только в который каждый год ударяет около 20 молний.
Помимо сложности заранее предсказать, сколько же молний сможет улавливать сербский «небоскреб», у проекта существует и масса других трудноразрешимых проблем. Это и большие рабочие температуры (до 27 000 °C) и огромная сила тока (до 200000 А) разрядов молний, которые будут предъявлять высочайшие требования к используемым материалам, и также необходимость создания конденсаторов огромной емкостью и с еще невиданными характеристиками.
Однако прежде, чем атмосферное электричество попадет в промышленную сеть, оно должно быть преобразовано в промышленный стандарт: переменный ток частотой 50 - 60 герц с напряжением 220 - 550 вольт (для энергосетей разных стран эти параметры отличаются). То есть, не достаточно просто нгаправить разряд молнии на накопитель. В разное время предлагались разные решения этой проблемы, в том числе и подземные водяные резервуары. Под действием энергии электрического разряда, вода должна превращаться в пар, который, по мысли авторов патента (а такая схема запатентована в США в 60 годы прошлого века) должен вращать лопатки турбин, как на классических тепловых и атомных станциях. Но КПД таких генераторов крайне не велик. В настоящее время разработаны мощные электрические конденсаторы - накопители большой емкости, способные месяцами хранить накопленную энергию и преобразователи переменного тока на быстродействующих тиристорах, КПД которых приближается к 85%. Вторая проблема заключается в относительной непредсказуемости гроз и неравномерном их распределении. Конечно, наибольшая грозовая активность отмечается ближе к экватору, но возникающие в этих широтах разряды чаще всего происходят не между грозовым облаком и землей, а между облаками или частями облака. Конечно, в Центральной Африке есть обширная зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год. Есть такие зоны и в США: в штатах Колорадо и Флорида. Но все-таки это достаточно локальные районы. Между тем, атмосферное электричество теоретически, доступно в любой точке планеты.
Специалисты, работающие с американским спутником «Миссия измерения тропических штормов» (Tropical Rainfall Measuring Mission - TRMM), опубликовали отчет об одном из своих недавних достижений. Проведя многолетние наблюдения, TRMM составил мировую карту частоты молний, в соответствии с числом ослепительных разрядов, возникающих над каждым квадратным километром данной местности за год. В центральной части Африканского континента есть зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год. Именно там запланировано строительство «молниевого» завода. При этом разработчики считают, что электростанция « на молниях» окупится за 4-7 лет.
Следует отметить, что, несмотря на достаточно хорошо изученную природу образования и формирования грозовых разрядов, со временем появляется новые экспериментальные данные. Так, в 1989 году был обнаружен их новый вид - высотные электрические разряды, или спрайты. Эти разряды образуются в ионосфере и бьют сверху вниз, по направлению к грозовым облакам на расстояние 40-50 км, но исчезают, не достигая их. Еще более странные молнии наблюдали ученые из Тайваньского национального университета имени Чена Куна во время нескольких гроз над Южно - Китайским морем в 2002 году. Разряды атмосферного электричества били не вниз, а вверх - от грозовых облаков в верхние слои атмосферы. Разветвленные молнии имели гигантские размеры: светящиеся зигзаги длиной 80 км уходили ввысь на 95 км. Разряды продолжались менее секунды и сопровождались низкочастотным радиоизлучением.
Контрольные вопросы
Какое природное явление называется «гроза»?
За счет, какого явления происходит электризация облаков?
Каков процесс развития наземной молнии?
Какие, принципиально возможные методы, получения электроэнергии из грозовых разрядов?
Какие устройства, предлогалось использовать в качестве молниеприемника?
В каких районах нашей планеты наблюдается наибольшее число молний?
В каких странах мира начнается использование энергии молний?

Используя свойства молнии направляться к высоким предметам, особенно в том случае, если они хорошо про­водят электрический ток, можно «ловить» молнию. Для этого в нашем Союзе были использованы воздушные ша­ры, поднимавшие в грозовые тучи металлические троссы, присоединённые к земле. В этих случаях «пойманные» молнии были использованы лишь для научных целей.

Оценить, насколько выгодно использовать энергию молнии для технических целей, можно, определив работу, которую может произвести грозовой разряд. Так как молния длится очень короткое время, то эта энергия ока­зывается очень небольшой. Подсчитали, что одна молния может «наработать» в среднем лишь на несколько руб­лей. При такой небольшой работоспособности молнии трудно говорить о целесообразности технического её ис­пользования. Применение молнии в качестве источника энергии затруднено ещё и потому, что за один грозовой сезон даже в очень высокий молниеприёмник (400 - 800 метров над землёй) молния ударяет не более 20-25 раз.

Так как шаровая молния изучена сравнительно мало, то до сих пор ещё нет надёжно проверенных способов защиты от неё. Хотя и бывали случаи, когда шаровая молния прони­кала даже через закрытое …

Чтобы не быть поражённым ударом молнии, нужно избегать во время грозы подходить к молниеотводам или высоким одиночным предметам (столбам, деревьям) на расстояние меньшее 8-10 метров. Если человек застиг­нут грозой вдали …

Основные требования, которые предъявляют к соору­жению молниеотвода, защищающего от грозы колхозные и сельские постройки, - это дешевизна и простота са­мого устройства. Наилучшей защитой является стержневой молние­отвод, который устанавливают на самой …

1

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»