Obrovské záblesky přírodní energie – blesky – přitahovaly pozornost lidí odedávna. Poté, co byla stanovena elektrická podstata blesku, lidé začali tento jev studovat podrobněji. Přirozeně byla zvažována otázka praktického využití bleskové energie. K tomu je nejprve nutné určit rezervu energie blesku.

Maximální potenciální rozdíl blesku dosahuje 50 milionů voltů a proud je až 100 tisíc ampérů. Pro výpočet energie blesku vezměme čísla blíže k průměru většiny blesků, konkrétně: napětí 20 milionů voltů a proud 20 tisíc ampérů.

Při výboji blesku se elektrický potenciál sníží na nulu. Proto, aby bylo možné správně určit průměrný výkon výboje blesku, je nutné ve výpočtech vzít polovinu počátečního napětí.

Pak máme sílu elektrického výboje:

Ukazuje se, že síla výboje blesku je 200 milionů kilowattů. Doba trvání blesku je asi tisícinu sekundy a každá hodina je 3600 sekund. Na základě těchto údajů je možné určit celkové množství energie, kterou výboj blesku dodá.

Vzhledem k tomu, že cena elektřiny je 3 rubly za 1 kWh, náklady na energii za předpokladu plného využití veškeré bleskové energie budou činit 166,67 rublů.

Ve většině Ruska se frekvence blesků pohybuje v rozmezí 2 - 4 ročně na kilometr čtvereční, v horských oblastech až 10 blesků. Ze všech druhů blesků nás jako zdroj energie může zajímat pouze výboj mezi zemí a elektricky nabitými mraky. K pokrytí kilometru čtverečního je potřeba velký počet hromosvodů. Technicky je možné shromáždit malou část elektřiny z blesků ve vysokonapěťových kondenzátorech. Dále budete potřebovat měniče s funkcí stabilizace napětí. Ale jak ukazuje výpočet energetické kapacity kondenzátorů, pro uložení i malého množství elektrické energie jsou potřeba kondenzátory obrovské kapacity a velikosti. Náklady na takové zařízení budou i při pravidelném například každoročním doplňování energie údery blesku o mnoho řádů dražší než náklady na přijatou elektrickou energii.

Podobné výpočty energie blesku byly uvedeny v odborné literatuře. Reálně lze jen malou část této energie získat a využít například pro ohřev vody. Hlavní část energie blesku je spotřebována během jiskrového výboje k ohřevu atmosféry a i teoreticky mohou spotřebitelé použít menší část energie blesku.

Spočítejme si například, kolik energie se spotřebuje na vytápění například zařízení, jako je hromosvod. Elektrický odpor vzduchové mezery, hromosvodu a uzemnění, který blesk překonává průměrnou charakteristikou výboje, bude:

R = U / I = 20 000 000 V: 20 000 A = 1 000 ohmů

Výpočet odporu hromosvodu lze provést známou metodou, pokud je znám materiál, jeho rezistivita, délka a tloušťka drátu. Ale pro náš příklad budeme předpokládat, že odpor vodiče je roven jednomu 1 Ohmu a odpor uzemnění je 4 Ohmy.

Pokud je odpor hromosvodu tisíckrát menší než celkový odpor pro blesk, pak je podle Ohmova zákona pro úsek obvodu úbytek napětí na úseku obvodu (hromosvodu) přímo úměrný odporu. . To znamená, že výkon, který se uvolňuje ve formě tepla na hromosvodu, bude tisíckrát menší než celkový výkon nebo množství energie, které se na hromosvodu uvolní. V našem případě bude toto množství energie 55 556 Wh, což je velmi málo. Při znalosti tepelné kapacity hromosvodu a jeho hmotnosti je možné určit, o kolik stupňů teplota hromosvodu stoupne.

Pro zvýšení výkonu spotřebitele je nutné zvýšit elektrický odpor spotřebitele. Nejlepší možností pro zdroj a spotřebitele elektrické energie je odporové přizpůsobení, když jsou tyto odpory stejné. Je třeba mít na paměti, že se zvýšením celkového odporu obvodu s proudem se hodnota proudu sníží a rozdíl potenciálů zůstane stejný. Tím se sníží celková energie blesku a sníží se již tak malá šance na výboj blesku.

žáci 9. třídy Artamonov Michail, Denisov Dmitrij, Ratsa Diana

Člověk se naučil využívat energii vody – budování vodních elektráren, větrnou energii – budování větrných elektráren a dokonce i energii atomu – budování jaderných elektráren. Nyní aktivně používán solární energie akumulované v solárních panelech.

V budoucnu bude lidstvo hledat alternativní zdroje energie. Přírodní zdroje planety Země dříve či později dojdou, bude nutné vyvinout nové zdroje energie. Snad se lidstvo naučí využívat energii blesku. Blesk má vysokou proudovou sílu a vysoké napětí.

V tomto projektu jsme se pokusili teoreticky popsat možnou možnost přeměny bleskové energie. Ve Spojených státech na toto téma probíhá výzkum a vývoj. Toto téma práce je aktuální dnes i v budoucnu.

Stažení:

Náhled:

Mezinárodní vědecká konference pro mládež

"XXXIX Gagarin Readings" MBOU "Zubovo - Polyanskaya střední škola č. 1"

Využití energie blesku.

Projekt

(vědecký a technický směr)

Účinkují: žáci 9. ročníku

Artamonov Michail, Denisov Dmitrij, Ratsa Diana

Vedoucí: učitel fyziky Velkin Nikolay Grigorievich

p. Šok

2013

1. Úvod

2. Teoretická část

2.1. Historie výzkumu blesku 4

2.2. Vznik blesku a jeho druhy. 5

3. Praktická část

3.1. Výpočty _ 7

3.2. Princip fungování instalace 8

VYNÁLEZ
Patent Ruská Federace RU2332816

OSVĚTLENÍ ELEKTRICKÉ ENERGETICKÉ SKLADOVACÍ ZAŘÍZENÍ

Jméno vynálezce: Bleskin Boris Ivanovič, Trushkin Nikolaj Sergejevič, Khlestkov Jurij Alekseevič, Leonov Boris Ivanovič, Mashkov Oleg Alekseevich, Rybkin Jevgenij Aleksandrovič, Ishutin Vasilij Aleksandrovič, Novikov Jevgenij Gennadjevič, Bleskin Aleksandr Boriskov, Oleg Mashovich Mash
Jméno majitele patentu: Bleskin Boris Ivanovič, Trushkin Nikolaj Sergejevič, Khlestkov Jurij Alekseevič, Leonov Boris Ivanovič, Mashkov Oleg Alekseevič
Korespondenční adresa: 115612, Moskva, st. Borisovskie Prudy, 22, budova 1, byt 120, B.I. Bleskin
Datum zahájení patentu: 17.11.2006

Vynález se týká oblasti přístrojového vybavení a může být použit pro ukládání elektrické energie. Technickým výsledkem je rozšíření funkčnosti. K dosažení tohoto cíle je hromosvod vyroben ve formě vodiče s nejnižším odporem vůči atmosférickému elektrickému proudu. V blízkosti hromosvodu jsou umístěny prvky pro odběr energie. V tomto případě prvek pro odebírání energie obsahuje indukční cívku, polovodičový prvek a kondenzátor, zapojené do série do jednoho elektrického obvodu. Indukční cívka a polovodičový prvek mají proudový odpor nejvýše 1 Ohm a prvek pro snímání energie je umístěn ve vzdálenosti 0,1 až 10 m od hromosvodu.

POPIS VYNÁLEZU

Vynález se týká fyziky, konkrétně elektrických zařízení pro využití elektrické energie blesku a atmosféry obecně. Může být použit v oblastech náchylných k bouřkám jako zdroj energie pro průmyslové a hospodářské účely.

Je známo zařízení pro využívání atmosférické elektrické energie, obsahující svisle namontovaný hromosvod spojený s uzemňovacím prostředkem a prvek pro odvádění energie (autorský certifikát SSSR č. 781, třída N05F 7/00, 1925). Toto zařízení lze použít k akumulaci elektrické energie.

Známé zařízení však neumožňuje použití elektrické energie blesku, protože není uzpůsobeno pro úder blesku a energie uvolněná při úderu blesku vede k jeho zničení. Přitom pro akumulaci elektrické energie atmosféry jsou její parametry odolnosti vůči proudu velmi velké.

	Cílem tohoto vynálezu je poskytnout levný zdroj energie v oblastech náchylných k bouřkám. Technickým výsledkem vynálezu je vytvoření zařízení, které umožňuje akumulovat a uvolňovat elektrickou energii v hromosvodu při úderu blesku a také extrahovat její přebytek z atmosféry mezi výboji blesku. Řešení tohoto problému je dosaženo skutečností, že ve známém zařízení pro ukládání energie, které obsahuje svisle instalovaný hromosvod připojený k uzemňovacím prostředkům a prvek pro sběr energie, je hromosvod vyroben ve formě vodiče s nejmenším odporem vůči proudu atmosférické elektřiny, v jehož blízkosti je jeden nebo více prvků pro odvod energie. Kromě toho může prvek pro odebírání energie obsahovat například indukční cívku, polovodičový prvek a kondenzátor zapojený do série za účelem vytvoření jediného elektrického obvodu, zatímco induktor a polovodičový prvek mají nejmenší odpor vůči proudu ne více než 1 Ohm, a prvek pro odvod energie je umístěn ve vzdálenosti 0,1 až 10 m od hromosvodu. V jiném případě má prvek pro odebírání energie indukční cívku, polovodičový prvek a kondenzátor zapojené v sérii do jednoho elektrického obvodu, indukční cívka je umístěna kolmo k jakékoli rovině procházející osou hromosvodu a je vyroben ve formě toroidu, jehož osa symetrie se shoduje s osou hromosvodu, v tomto případě mají induktor a polovodičový prvek nejmenší odpor vůči proudu, ne více než 1 ohm. Uzemňovací prostředky v navrhovaném zařízení pro skladování energie mohou být vyrobeny ve formě otevřené nebo uzavřené nádoby naplněné elektrolytem a hromosvod může být vyroben například ve formě vodivé tyče. Obrázek 1 ukazuje elektrické schéma zařízení pro ukládání energie blesku s induktorem umístěným v blízkosti hromosvodu, vyrobeného ve formě vodivé tyče. Obrázek 2 ukazuje elektrické schéma zařízení pro akumulaci energie blesku s induktorem vytvořeným ve formě toroidu, jehož osa symetrie se shoduje s osou hromosvodu. Obrázek 3 znázorňuje zařízení pro ukládání energie blesku s uzemňovacími prostředky vyrobenými ve formě otevřené nádoby naplněné elektrolytem, ​​například vodou. Zařízení pro akumulaci energie obsahuje hromosvod 1, například svisle uloženou vodivou tyč spojenou s uzemňovacím prostředkem 2 a prvek 3 pro odvod energie. Bleskosvod 1 je vyroben ve formě vodiče, podél kterého je umístěn jeden nebo více prvků 3 pro odebírání energie, z nichž každý má například induktor 4, polovodičový prvek 5 a kondenzátor 6, zapojené do série. k vytvoření jediného elektrického obvodu. Napětí akumulované na kondenzátoru 6 může být odstraněno pro další použití. Indukční cívka 4 v navrhovaném zařízení může být umístěna ortogonálně k jakékoli rovině procházející osou hromosvodu a je vytvořena ve formě toroidu, jehož osa symetrie se shoduje s osou hromosvodu, zatímco indukční cívka a polovodičový prvek mají nejmenší proudový odpor, který není větší než 1 Ohm (viz obrázek 2). Zařízení pro akumulaci energie s uzemňovacím prostředkem vyrobeným ve formě nádoby 7 (viz obr. 3) naplněné elektrolytem, ​​například vodou, má dno vytvořené ve formě vodivého plechu 8 spojeného s hromosvodem 1 Navržené zařízení může obsahovat několik vrstev elektromagnetů 9 umístěných koaxiálně s hromosvodem 1 uvnitř pouzdra 10, opatřeného krytem 11. V tomto případě je pouzdro 10 instalováno na základ 11 v půdě 12.

Zařízení pro ukládání elektrické energie blesku funguje následovně

Při úderu blesku do hromosvodu zásobníku energie protéká tyčí proud řádu I = (2-5) · 10 5 A. Tento proud vytváří kolem ní kruhové magnetické pole H, ve kterém je induktor umístěna. V tomto případě se EMF (E) vznikající v induktoru akumuluje na kondenzátoru 6.

V závislosti na vzdálenosti mezi prvky pro odebírání energie a tyčí 1 lze získat EMF (E) různých hodnot. Toto EMF nabíjí kondenzátor 6 (viz obrázek 1).
Jako hromosvod se používá například drát o průměru (6–10) mm nebo vodivé lano.

Z elektrického hlediska je zařízení proudovým transformátorem, pouze s tím rozdílem, že sekundární vinutí je uzavřeno na klasický zásobník elektrické energie - dioda-kapacita. Nahromaděná elektrostatická energie z nádrže 6 může být směrována k různým spotřebitelům od osvětlovacích zařízení po elektromotory, které roztáčejí setrvačníky, akumulující mechanickou energii, která je výhodnější než elektrostatická.

Příklad 1.
Zařízení pro ukládání energie s indukční cívkou 3, která je umístěna ve vzdálenosti jednoho až deseti metrů od tyče 1 a je orientována kolmo k libovolné rovině procházející tyčí (viz obrázek 1).

Příklad 2
Zařízení pro ukládání energie s induktorem 3 vyrobeným ve formě toroidu, jehož osa symetrie se shoduje s tyčí 1 (viz obrázek 2).

Určíme hodnotu EMF E, která se vyskytuje na solenoidu o průměru d = 100 mm a počtu závitů n = 10 3 a vzdálenosti od poklesu R = 10 m.

kde 0 je magnetická permeabilita dutiny, rovná se 4π · 10 7 "S je plocha průřezu solenoidu, n je počet závitů.

Solenoid je orientován podél linie H a změna intenzity magnetického pole nastává impulzivně po dobu τ, kdy náboj protéká tyčí.

V tomto případě je ΔН / Δt podle Bio-Savart-Laplaceova zákona určeno ze vztahu

ΔН / Δt = I / (2π · R · τ), kde I je velikost proudu procházejícího tyčí při úderu blesku.

Proto nastavení τ = 5 · 10 -3

Uspořádáním mnoha solenoidů do kruhu v několika úrovních můžete získat velké množství zdrojů stejnosměrného proudu, které lze použít k nabíjení malých baterií nebo jednoho velkého.

Příklad 3
Při použití navrhovaného zařízení (obrázek 3) pro čištění vody se pára vznikající při ohřevu vodivého plechu 8 kondenzuje jakýmkoli známým způsobem.

Kromě toho může být vytvořená pára použita k pohonu parních mechanismů, které rekuperují energii z páry.

S pomocí navrženého zařízení pro akumulaci energie lze tedy značnou část energie blesku využít v uzemňovacích prostředcích, čímž se vytvoří ve formě uzavřeného pláště odpovídající pevnosti, který je vybaven redukčními ventily pro získání čisté vodní nebo pulzní parní stroje. Píst takového motoru s vratnou pružinou může vykonávat vícenásobné kmitání a díky spojení s permanentním magnetem umístěným uvnitř solenoidu může sloužit jako rotor generátoru lineárního proudu. V tomto případě může být v zařízení pro ukládání energie prvek pro odebírání energie umístěn ve vzdálenosti od jednoho do deseti metrů od tyče 1.

Technická účinnost vynálezu spočívá v tom, že díky použití navrženého zařízení v místech, kde se často vyskytují bouřky, je možné využít část energie blesku. Energii atmosférické elektřiny, akumulovanou pomocí navrhovaného zařízení při výbojích blesku, lze přeměnit na jakýkoli jiný druh energie, například:

pro výrobu čisté vody odpařováním a kondenzací páry v akumulační nádrži;

pro otáčení velkých setrvačníků;

pro akumulaci mechanické energie.

Navržené zařízení je jednoduché na výrobu a obsluhu. Zvláště efektivně jej lze použít v oblastech, kde jsou bouřky velmi častým atmosférickým jevem.

NÁROK

1. Zařízení pro akumulaci elektrické energie blesku obsahující svisle namontovaný hromosvod spojený s uzemňovacím prostředkem a prvek pro odebírání elektrické energie, vyznačující se tím, že hromosvod je vyroben ve formě vodiče s nejmenším odporem. na atmosférický elektrický proud, v jehož blízkosti je jeden nebo více prvků pro odebírání elektrické energie, zatímco prvek pro odebírání elektrické energie obsahuje indukční cívku, polovodičový prvek a kondenzátor zapojený do série za vzniku jediného elektrického obvodu a indukční cívku a polovodičový prvek mají proudový odpor ne větší než 1 Ohm a prvek pro odběr energie je umístěn ve vzdálenosti 0,1 až 10 m od hromosvodu.

2. Zařízení pro akumulaci elektrické energie blesku podle nároku 1, vyznačující se tím, že indukční cívka je umístěna kolmo k libovolné rovině procházející osou hromosvodu a je vytvořena ve formě toroidu, osy symetrie. z nichž se shoduje s osou hromosvodu, zatímco indukční cívka a polovodičový prvek mají proudový odpor nejvýše 1 ohm.

3. Zařízení pro akumulaci elektrické energie blesku podle nároku 1, vyznačující se tím, že uzemňovací prostředek je vytvořen ve formě otevřené nebo uzavřené nádoby naplněné elektrolytem.

4. Zařízení pro akumulaci elektrické energie blesku podle nároku 1, vyznačující se tím, že hromosvod je vytvořen ve tvaru tyče.

Bouřka je atmosférický jev, při kterém v kupovitých mracích nacházejících se ve výšce 7-15 km dochází k více jiskrovým elektrickým výbojům – bleskům, doprovázeným hřměním, přeháňkami, kroupami a zesíleným větrem. Podle moderních koncepcí k elektrifikaci mraků dochází v důsledku tření ledových krystalků o směs vodní páry a nejmenších kapiček vody. K oddělení elektrických nábojů a vzniku elektrického pole dochází pouze při intenzivních vertikálních vzestupných a sestupných proudech.
Pro jasnější problém využití energie výbojů blesku se krátce zastavme u hlavních moderních pohledů na jevy bouřek. V současnosti není definitivně vyřešena otázka, jak kapičky vody a ledové krystaly v bouřkových mracích dostávají náboj. Jedna skupina vědců věří, že kapičky a ledové krystaly zachycují náboj ze vzduchu, další skupina se domnívá, že jsou nabité díky výměně náboje při vzájemném kontaktu. Na základě experimentálních studií bylo zjištěno, že vodní část mraku sahá od spodního okraje bouřkového mraku k vrstvě s teplotou 00C. V oblasti s teplotami od 00C do 150C koexistuje voda a led a při teplotách pod 150C se oblak obvykle skládá pouze z ledových krystalků. Kapkovitá část oblaku je většinou záporně nabitá, zatímco ledová část je nabitá kladně. Ve středních zeměpisných šířkách se střed záporného náboje bouřkového mraku nachází ve výšce asi 3 km a střed kladného náboje je přibližně ve výšce 6 km. Síla elektrického pole uvnitř bouřkového mraku je 100-300 voltů / cm, ale před úderem blesku v některých malých objemech může dosáhnout 1600 voltů / cm. Proces bouřky je nemožný bez oddělení nábojů v oblaku konvekcí. Konvekční pole v oblacích se rozpadá na několik buněk (v některých bouřkách až 8). Každá konvektivní buňka prochází fází nukleace, zralosti a rozpadu. Ve fázi nukleace převládají v celé konvektivní buňce vzestupné proudy. V některých případech může rychlost stoupajících proudů dosáhnout 30 m/s, ale obecně je to 10-12 m/s. Zralý konvekční článek je charakterizován rozvojem vzestupných a sestupných proudů, elektrickou aktivitou (výboje blesku) a srážkami. Taková buňka má horizontální průměr 2-8 km a sahá na výšku až do úrovně s teplotou 40C. Během fáze rozpadu převládají slabé sestupné proudy v celém konvekčním článku s poklesem elektrické aktivity a množstvím srážek spadajících za jednotku času. Celý životní cyklus konvekční buňky je asi hodina,
doba stádia zralosti je 15-30 minut, fáze rozpadu je asi 30 minut.
Několikahodinová bouřka je výsledkem činnosti několika konvektivních buněk.
Objem bouřkového mraku, který se skládá ze směsi kapek a ledových krystalků, dosahuje stovek až několika tisíc kubických kilometrů. Hmotnost částic vodního ledu při tomto objemu je přibližně 106 - 107 tun.
Potenciální energie bouřkový mrak se pohybuje od 1013 do 1014 J a dosahuje energie termonukleární megatunové bomby. Blesky, obvykle lineární, několik kilometrů dlouhé, desítky centimetrů v průměru, jsou klasifikovány jako neelektrodové výboje, protože vznikají nahromaděním nabitých částic, přeměňujících elektrickou energii na tepelnou energii. Podle podmínek vývoje se bouřky dělí na vnitrohmotové a frontální. Vnitrohmotné bouřky nad pevninou vznikají v důsledku lokálního ohřevu vzduchu od zemského povrchu, což vede k rozvoji vzestupných proudů lokální konvekce v něm a ke vzniku mohutných kupovitých oblaků. Proto se intramasové bouřky nad pevninou vyvíjejí hlavně v odpoledních hodinách. Nad mořem jsou nejpříznivější podmínky pro rozvoj konvekce pozorovány v noci a maximum v denním cyklu nastává ve 4 - 5 ráno.
Frontální bouřky se vyskytují na frontálních úsecích, tedy na rozhraní mezi teplými a studenými vzduchovými hmotami, a nemají pravidelnou denní odchylku. Na kontinentech mírného pásma jsou nejčastější a nejintenzivnější v létě, ve vyprahlých oblastech - na jaře a na podzim. Zimní bouřky se vyskytují výjimečně - při přechodu zvláště ostrých studených front. Obecně platí, že zimní bouřka je velmi vzácný jev.
Bouřky jsou na Zemi rozmístěny velmi nerovnoměrně: v Arktidě se vyskytují jednou za několik let, v mírném pásmu v každém jednotlivém bodě je několik desítek dní s bouřkami. Tropy a rovníková oblast jsou nejvíce bouřkovými oblastmi na Zemi a nazývají se „pásem věčných bouří“. V oblasti Butenzorg na ostrově Jáva zuří bouřky 322 dní v roce. V saharské poušti nejsou téměř žádné bouřky. Elektrická struktura typického bouřkového mraku je bipolární – kladný a záporný náboj se nachází v horní a dolní části mraku, resp. Další záporný náboj se obvykle nachází poblíž základny cloudu.
kladný náboj. V závislosti na podmínkách (zejména na zeměpisné šířce oblasti), různé významy horní kladné a spodní záporné náboje.
Elektrické pole v oblacích je způsobeno rozložením vesmírných nábojů vytvořených všemi nosiči náboje v daném oblaku. V bouřkových mracích dochází k velmi rychlé akumulaci velkých vesmírných nábojů. Průměrná hustota prostorového náboje může být řádově (0,3-3) 10-C/m. Oblasti s maximální hustotou náboje jsou v řádu několika set metrů. V takových lokálních objemech oblaku se vytvářejí podmínky příznivé pro vznik blesků. Podle moderních koncepcí jsou nejběžnější objemy s maximální hustotou náboje (zóny nehomogenity) o velikosti 200-400 m. Proces vývoje pozemního blesku se skládá z několika fází. V první fázi, v zóně, kde elektrické pole dosáhne dostatečné hodnoty, začíná nárazová ionizace vzduchu. Volné elektrony, které jsou vždy dostupné malé množství ve vzduchu pod vlivem elektrického pole získávají významné rychlosti směrem k Zemi a při srážce s atomy vzduchu je ionizují. Objevují se tak elektronické laviny, které se přeměňují na vlákna elektrických výbojů, což jsou dobře vodivé kanály, které se spojují, čímž vzniká jasný tepelně ionizovaný kanál s vysokou vodivostí - stupňovitý bleskový vůdce. Vůdce se pohybuje k zemskému povrchu v krocích několika desítek metrů rychlostí asi 510 m/s, poté se jeho pohyb na několik desítek mikrosekund zastaví a záře výrazně zeslábne. V další fázi se vedoucí opět posune o několik desítek metrů. Současně všechny procházející kroky pokrývá jasná záře; pak se zastaví a následuje opět slábnutí záře. Tyto procesy se opakují, když se vůdce přesune na zemský povrch. Jak se vůdce pohybuje k zemi, napětí na jeho konci se zvyšuje a pod jeho působením je z předmětů vyčnívajících na povrch Země vyhozen streamer odpovědi, který se spojuje s vůdcem. V konečné fázi následuje hlavní výboj blesku kanál ionizovaný vůdcem. Hlavní výboj se vyznačuje proudy od desítek do stovek tisíc ampér, jasem znatelně vyšším než jas vůdce a vysokou rychlostí
Ó
předstih, nejprve dosahující asi 10 m/s, na konci klesající na hodnoty 107 m/s. Teplota kanálu během hlavního výboje může přesáhnout 25 000 °C. Kanál je 1-10 km dlouhý a několik centimetrů v průměru. Po průchodu proudového impulsu dochází k oslabení ionizace kanálu a jeho luminiscence. Obrázek 2.20. ukazuje tři fáze vývoje blesku. Na tomto obrázku: 1- bouřkový mrak; 2 - kanál stupňovitého vůdce; 3 - kanálová korunka; 4 - impulsní koróna na hlavě kanálu; 5 - hlavní kategorie. V zásadě jsou možné následující hlavní způsoby získávání elektřiny z bleskových výbojů.
V letech 1928-1933 byla na Mount Generoso ve Švýcarsku zavěšena kovová mříž ve výšce 80 m nad zemským povrchem. Během bouřky tato mřížka nasbírala náboj dostatečný k udržení elektrického oblouku o délce 4,5 m po dobu 0,01 sekundy, což odpovídalo síle proudu několika desítek tisíc ampér a rozdílu potenciálů v řádu 1 milionu voltů. Zpočátku se předpokládalo, že to, co bylo získáno na tomto
instalační napětí, které se má použít k urychlení nabitých částic v urychlovačích. Tato myšlenka však musela být opuštěna kvůli silným

Rýže. 2.20. Tři fáze vývoje blesku

proměnlivost elektrického stavu bouřkových mraků a nemožnost jej zatím regulovat. Pokusy využít elektrický proud protékající při bouřkách v anténách zvednutých vysoko nad zemským povrchem k napájení žárovek také zatím nepřinesly ekonomicky výhodný efekt.
Jsou známy experimenty, kdy v důsledku hlubokých výbuchů v moři, které pod bouřkovým mrakem vynesly fontány vody do výšky asi 70 metrů, docházelo k výbojům mraků v moři. Prakticky byly také bouřkové mraky vypouštěny na povrch Země (moře) pomocí drátu, který do oblaku dopravila raketa. Obvykle k výboji došlo, když raketa vystoupala do výšky asi 100 m. To se ukázalo jako dostatečné k vypuštění bouřkového mraku o výšce spodní hranice asi kilometr k zemi. Byly také pokusy použít svazek protonů získaný na synchrotronu a také pomocí laserů k vytvoření kanálu pro blesk. Hlavní nevýhodou těchto metod je řada čistě technických potíží. Existovaly projekty na rozptyl kovových nebo metalizovaných desek a vláken v oblacích, hrajících roli zkratových vodičů a současně mikrodelektronických výbojek, na nichž vzhledem k přítomnosti vlastního elektrického pole v oblaku potenciální pokles dostatečný pro vzniká korónový výboj. Experimenty s naočkováním mraků krystalizujícími činidly za účelem změny jejich elektrického stavu ukázaly, že za vhodných podmínek

je možné způsobit intenzivní elektrifikaci oblaku a jeden ze způsobů, jak ovládat elektrický stav bouřkových mraků, souvisí s řízením procesu krystalizace. Ale výsledky takových
dopady na možnost nácviku vysokovýkonového výboje ještě nejsou dostatečně stanoveny.
Ruští energetici navrhli metodu využití energie blesku, která spočívá v zachycování výbojů blesku pomocí hromosvodů, elektricky připojených ke svodu, uzemněných pomocí prostředků pro extrakci energie blesku a využití el.
energie blesku na společné akumulační kapacitě, přičemž se navíc iniciují výboje blesku pomocí např. laserových zářičů, které vytvářejí zóny bezelektrodového elektrického průrazu vzduchu, aby vybudily stále se rozvíjející vůdce elektrického jiskrového výboje blesku, a energie se odebírá přes spádový vodič z rezonančních obvodů LC filtrů s diodovými můstky.
Elektrické schéma navrhovaného zařízení je na obrázku 3.20. Na tomto obrázku: 1- hromosvody; 2 - spodní vodič; 3- tříčlánkové rezonanční LC filtry; 4- celková kapacita úložiště; 5- automatický spínač; 6 - nulovací odpor; 7 - klepněte na spotřebitele. Každý hromosvod je vyroben ve formě kovové sítě zavěšené nad zemí, upevněné na izolátorech. Dolní vodič je vyroben z více než dvou paralelně zapojených, sériově zapojených stupňů D, které zajišťují snížení proudu bleskového výboje. Každý stupeň je tvořen tříčlánkovými rezonančními LC filtry spojenými společnou indukční vazbou. Společná indukční vazba je tvořena třemi sériově zapojenými indukčními vinutími a na výstupu každého stupně je připojen odpovídající můstkový usměrňovač. V tomto případě jsou výstupy můstkových usměrňovačů zapojeny paralelně a připojeny k celkové akumulační kapacitě ÚT. Výstupy "Plus" přes usměrňovací diody jsou připojeny k desce celkové akumulační kapacity Cn. Výstupy "Minus" jsou připojeny na další desku akumulační kapacity ÚT, výstup z ÚT je připojen k systému spotřebiče. Na výstupu společného zásobníku ÚT je instalován automatický spínač pro připojení ke spotřebiči popř
odpor, vynulování akumulovaného náboje z celkové skladovací kapacity.
Bylo také navrženo zařízení, ve kterém je jako hromosvod použita svislá vodivá trubka izolovaná od země, uvnitř které je vloženo silnostěnné dielektrické sklo dolů tak, že nejlepší část trubky se tyčily přes okraje skla. Na vnitřní povrch skleněných stěn je nanesen uzemněný vodivý povlak. Bleskosvod je elektricky spojen s jedním koncem primárního vinutí transformátoru, jehož druhý konec je uzemněn. Indukčnost primárního vinutí a kapacita tvořená vodivou trubkou, stěnami skla a vodivým povlakem tvoří paralelní oscilační obvod. Výboj blesku do hromosvodu je iniciován rozšířeným optickým průrazem, který je tvořen paprskem pulzního infračerveného laseru. Konfigurace a směr topného paprsku je tvořena řízeným dichroickým zrcadlem,
umístěné uvnitř skla. Toto zrcadlo současně funguje jako součást optického skenovacího systému atmosféry, který je nezbytný pro identifikaci zón s kritickými gradienty napětí ve spodní části bouřkových mraků známou metodou optického umístění. Energie odebraná ze sekundárního vinutí transformátoru je využita k napájení všech systémů zařízení a její část může být předána spotřebitelům. Zařízení pro akumulaci elektrické energie. Zařízení, které umožňuje akumulovat elektrickou energii uvolněnou v hromosvodu při úderu blesku a také extrahovat její přebytek z atmosféry mezi údery blesku, je znázorněno na obrázku 4.20. Na tomto obrázku: 1- kovový blesk; 2 - toroidní cívky
indukčnost; 3 - odpovídající prvky; 4- uzemnění. Jak můžete vidět z výše uvedeného obrázku, toto patentované zařízení obsahuje vertikálně namontovaný, uzemněný hromosvod. Navíc je hromosvod vyroben ve formě kovového vodiče, v jehož blízkosti je umístěn jeden nebo více prvků pro odběr elektrické energie.
Prvek pro odběr elektrické energie obsahuje indukční cívku,
polovodičový prvek a kondenzátor zapojené do série, aby vytvořily jediný elektrický obvod. V tomto zařízení je induktor umístěn ortogonálně k jakékoli rovině procházející osou hromosvodu a je vyroben ve formě toroidu, jehož osa symetrie se shoduje s osou hromosvodu.

Čínští vědci z Ústavu fyziky atmosféry vyvinuli trochu odlišnou technologii využití energie blesku. K zachycení blesků budou použity rakety vybavené speciálními hromosvody, které budou vystřeleny do středu bouřkového mraku. Raketa YL-1 by měla odstartovat pár minut před úderem blesku. "Testy ukázaly, že přesnost spuštění je 70%," - řekli vývojáři zařízení. Energie blesku, stejně jako elektromagnetické záření, které vytváří, bude využito pro genetické modifikace zemědělských plemen a výrobu polovodičů. Kromě, nová technologie výrazně sníží ekonomické škody způsobené bouřkami.
Americká společnost Alternative Energy Holdings (Alt-Holding) navrhla další způsob využití volné energie. Specialisté společnosti tvrdí, že se jim podařilo vyvinout metodu sběru a využití energie, která vzniká při elektrických výbojích v bouřkových mracích. Projekt dostal název „Lightning Harvester“.
Od roku 2006 začala edice eVolo pořádat každoroční soutěž eVolo Skyscraper Competition, které se účastní architekti, kteří navrhují náročné výškové budovy a mrakodrapy postavené za použití nejnovějších technologií a rozsáhlého využití nejmodernějších materiálů. Organizátoři soutěže navíc hodnotí přihlášené projekty z hlediska jejich ekologičnosti, které je věnována zvláštní pozornost. Letos tedy byly na soutěži Evolo Skyscraper 2011 převzaty ceny za projekty „LO2P Recycling Skyscraper“ (recyklační mrakodrap v Indii), „Flat tower“ (alternativní energie) a hydraulická přehrada, která kombinuje elektrárnu, galerii a akvárium . Ve stejné soutěži skupina architektů a inženýrů ze Srbska představila mimořádný projekt mrakodrapu, který vyrábí vodík pomocí „nebeské“ elektřiny. Myšlenka srbského týmu se ukázala být tak zajímavá, že projekt Khidra byl označen cenou za čestné uznání, ale nyní vzít jednu z cen. Ve skutečnosti je mrakodrap Khidra projektem výškové stavby, která bude zachycovat blesky z bouřkových front procházejících v této oblasti. Dále se předpokládá využití jejich energie pro proces dělení (elektrolýzy) obyčejné vody na složky - vodík a kyslík. Tato struktura tedy bude na jedné straně sloužit jako zdroj čisté energie a na druhé straně se stane dalším dodavatelem kyslíku do zemské atmosféry.
Vzhledem k nepředvídatelnosti a nestálosti blesků autoři projektu navrhli několik řešení, která pomohou zvýšit výkon mrakodrapu Khidr. Aby bylo možné přitáhnout co nejvíce bleskových výbojů, musí být konstrukce instalována v těch oblastech planety, kde je pozorován největší počet blesků. Tyto oblasti zahrnují některé oblasti nacházející se ve Spojených státech (Florida), Venezuele, Kolumbii, Indii (v severní části těchto zemí), Indonésii (poloostrov Malacca) a Kongu (Afrika). V těchto oblastech na každý čtvereční kilometr území udeří ročně 50-70 a více blesků. až na správná volba staveniště, výstavba projektu Khidra na otevřeném prostranství pomůže zvýšit pravděpodobnost úspěšného lovu blesků. Pokud se tedy má mrakodrap nacházet ve velkém městě, měl by se stát nejvyšší budovou metropole. V opačném případě budou některé blesky jednoduše přitahovány sousedními vyššími mrakodrapy nebo věžemi. Jak je to například pozorováno u Empire State Building (nejvyšší budova v New Yorku), do které každý rok udeří asi 20 blesků.
Kromě toho, že je obtížné předem odhadnout, kolik blesků bude srbský „mrakodrap“ schopen zachytit, má projekt mnoho dalších neřešitelných problémů. Jedná se jak o vysoké provozní teploty (až 27 000 ° C), tak o obrovský proud (až 200 000 A) bleskových výbojů, které budou klást nejvyšší nároky na použité materiály, a také o nutnost vytvářet kondenzátory obrovské kapacity a s bezprecedentní vlastnosti.
Než však může atmosférická elektřina vstoupit do průmyslové sítě, musí být převedena na průmyslový standard: střídavý proud o frekvenci 50 - 60 hertzů s napětím 220 - 550 voltů (pro elektrické sítě rozdílné země tyto parametry se liší). To znamená, že nestačí pouze poslat blesk do pohonu. V různých dobách byla navržena různá řešení tohoto problému, včetně podzemních zásobníků vody. Působením energie elektrického výboje by se voda měla změnit na páru, která by podle autorů patentu (a takové schéma bylo patentováno v USA v 60. letech minulého století) měla otáčet lopatky turbíny , jako v klasických tepelných a jaderných elektrárnách. Ale účinnost takových generátorů je extrémně nízká. V současné době jsou vyvinuty výkonné elektrické kondenzátory – velkokapacitní akumulační zařízení schopná ukládat naakumulovanou energii po celé měsíce a AC měniče na bázi vysokorychlostních tyristorů, jejichž účinnost se blíží 85 %. Druhým problémem je relativní nepředvídatelnost bouřek a jejich nerovnoměrné rozložení. Největší bouřková aktivita je samozřejmě pozorována blíže k rovníku, ale výboje vznikající v těchto zeměpisných šířkách se nejčastěji nevyskytují mezi bouřkovým mrakem a zemí, ale mezi mraky nebo částmi mraku. Ve střední Africe je samozřejmě rozlehlá oblast, kde dochází k více než 70 úderům blesků na kilometr čtvereční za rok. V USA jsou takové zóny: ve státech Colorado a Florida. Přesto se jedná o poměrně místní oblasti. Mezitím je atmosférická elektřina teoreticky k dispozici kdekoli na světě.
Specialisté pracující s americkou družicí Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) zveřejnili zprávu o jednom ze svých nedávných úspěchů. Během let pozorování TRMM sestavil světovou mapu četnosti blesků v souladu s počtem oslepujících výbojů, které se za rok vyskytují na každém čtverečním kilometru dané oblasti. Ve střední části afrického kontinentu se nachází zóna, kde ročně uhodí více než 70 blesků na kilometr čtvereční. Právě tam se plánuje výstavba „bleskovky“. Vývojáři přitom věří, že se elektrárna „na blesk“ vyplatí za 4-7 let.
Je třeba poznamenat, že navzdory dobře prozkoumané povaze vzniku a tvorby bleskových výbojů se v průběhu času objevují nová experimentální data. Takže v roce 1989 byly objeveny nový druh- vysokohorské elektrické výboje nebo skřítci. Tyto výboje se tvoří v ionosféře a dopadají shora dolů, směrem k bouřkovým mrakům ve vzdálenosti 40-50 km, ale zmizí dříve, než k nim dosáhnou. Ještě podivnější blesky pozorovali vědci z Tchajwanské národní univerzity Chen Kun během několika bouřek nad Jihočínským mořem v roce 2002. Výboje atmosférické elektřiny nezasáhly dolů, ale nahoru - od bouřkových mraků do horních vrstev atmosféry. Rozvětvené blesky byly gigantické velikosti: světelné klikaty dlouhé 80 km stoupaly na 95 km. Výboje trvaly méně než sekundu a byly doprovázeny nízkofrekvenčním rádiovým vyzařováním.
Kontrolní otázky
Jaký přírodní jev se nazývá „bouřka“?
Vlivem jakého jevu je elektrifikace mraků?
Jaký je vývojový proces pro pozemní blesky?
Co, v zásadě možné metody získávání elektřiny z výbojů blesku?
Jaká zařízení byla navržena k použití jako hromosvod?
Ve kterých oblastech naší planety je pozorován největší počet blesků?
Ve kterých zemích světa se začne využívat energie blesku?

Jednou z prvních společností, které využívaly energii z bouřkových mraků, byla americká společnost Alternative Energy Holdings. Navrhla způsob, jak využít volnou energii jejím sběrem a využitím, vznikajícím z elektrických výbojů bouřkových mraků. Experimentální zařízení bylo spuštěno v roce 2007 a bylo nazváno „sběratel blesků“. Vývoj a studie bouřek obsahují obrovské nahromadění energie, kterou americká společnost navrhla použít jako zdroj elektřiny.

Blesková elektrárna

Blesková elektrárna je v podstatě klasická elektrárna, která přeměňuje energii blesku na elektřinu. Na tento moment energie blesku bouřkové elektrárny jsou aktivně zkoumány a v blízké budoucnosti může existovat velké množství bleskových elektráren spolu s dalšími elektrárnami na čistou energii.

Blesk jako zdroj bleskových přepětí

Blesky jsou elektrické výboje, které se hromadí ve velkém množství v oblacích. V důsledku proudění vzduchu v bouřkových mracích dochází k akumulaci a separaci kladných a záporných nábojů, i když otázky na toto téma se stále zkoumají.

Jeden z rozšířených předpokladů vzniku elektrických nábojů v oblacích je spojen se skutečností, že k tomuto fyzikálnímu procesu dochází v konstantním elektrickém poli Země, které během svých experimentů objevil MV Lomonosov.

Rýže. 3.1.

Naše planeta má vždy záporný náboj, zatímco síla elektrického pole v blízkosti zemského povrchu je asi 100 V / m. Je to způsobeno náboji Země a málo závisí na roční a denní době a je téměř stejné pro jakýkoli bod na zemském povrchu. Vzduch obklopující Zemi má volné náboje, které se pohybují ve směru zemského elektrického pole. Každý krychlový centimetr vzduchu v blízkosti zemského povrchu obsahuje asi 600 párů kladně a záporně nabitých částic. Se vzdáleností od zemského povrchu roste hustota nabitých částic ve vzduchu. U země je vodivost vzduchu nízká, ale ve vzdálenosti 80 km od zemského povrchu se zvyšuje 3 miliardkrát a dosahuje vodivosti sladké vody.

Z hlediska elektrických vlastností lze tedy Zemi s okolní atmosférou znázornit jako sférický kondenzátor kolosálních rozměrů, jejichž deskami jsou Země a vodivá vrstva vzduchu umístěná ve vzdálenosti 80 km od zemského povrchu. Izolační vrstvou mezi těmito deskami je 80 km silná vzduchová vrstva o nízkém elektrickém vedení. Napětí mezi deskami takového kondenzátoru je asi 200 kV a proud tekoucí pod vlivem tohoto napětí je 1,4 kA. Kapacita kondenzátoru je cca 300 MW. V elektrickém poli tohoto kondenzátoru se v intervalu od 1 do 8 km od povrchu Země tvoří bouřkové mraky a bouřkové jevy.

Blesk jako nositel elektrického náboje je v porovnání s ostatními AES nejbližším zdrojem elektřiny. Náboj, který se hromadí v oblacích, má potenciál několika milionů voltů vzhledem k zemskému povrchu. Směr bleskového proudu může být jak od země k mraku, se záporným nábojem mraku (v 90 % případů), tak od mraku k zemi (v 10 % případů). Doba trvání výboje blesku je v průměru 0,2 s, zřídka až 1 ... 1,5 s, doba trvání náběžné hrany impulsu je od 3 do 20 μs, proud je několik tisíc ampér, až 100 kA, teplota v kanálu dosáhne 20 000 °C, objeví se silné magnetické pole a rádiové vlny. Blesky mohou vznikat i při prachových bouřích, vánicích, sopečných erupcích.

alternativní energie blesková elektrárna

Princip činnosti bleskové elektrárny

Založeno na stejném procesu jako jiné elektrárny: přeměna zdrojové energie na elektřinu. Ve skutečnosti blesk obsahuje stejnou elektřinu, to znamená, že není třeba nic převádět. Výše uvedené parametry „standardního“ výboje blesku jsou však tak velké, že pokud tato elektřina vstoupí do sítě, všechna zařízení během několika sekund jednoduše vyhoří. Proto jsou do systému zaváděny výkonné kondenzátory, transformátory a různé měniče, upravující tuto energii na požadované podmínky použití v energetických sítích a zařízeních.

Výhody a nevýhody bleskové elektrárny

Výhody bleskových elektráren:

Zemsko-ionosférický superkondenzátor se neustále dobíjí pomocí obnovitelných zdrojů energie – slunce a radioaktivních prvků zemské kůry.

Bouřková elektrárna nevypouští do životního prostředí žádné znečišťující látky.

Vybavení bouřkových stanic není nápadné. Balónky jsou příliš vysoké, aby je bylo možné vidět pouhým okem. To bude vyžadovat dalekohled nebo dalekohled.

Bouřková elektrárna je schopna nepřetržitě generovat energii, pokud jsou balóny drženy ve vzduchu.

Nevýhody bleskových elektráren:

Bouřková elektřina, jako je solární nebo větrná energie, se obtížně skladuje.

Vysoké napětí v systémech elektráren blesku může být nebezpečné pro servisní personál.

Celkové množství elektřiny, které lze získat z atmosféry, je omezené.

V nejlepším případě může bouřková energie sloužit pouze jako menší doplněk k jiným energetickým zdrojům.

Energie bouřek je tedy v současnosti značně nespolehlivá a zranitelná. To však nesnižuje její význam ve prospěch přechodu na AIE. Některé oblasti planety jsou nasyceny příznivými podmínkami, které mohou výrazně pokračovat ve studiu bouřkových jevů a získávat z nich potřebnou elektřinu.