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.
учащиеся 9 класса Артамонов Михаил, Денисов Дмитрий, Раца Диана
Человек научился использовать энергию воды – строя гидроэлектростанции, энергию ветра – строя ветряные станции и даже энергию атома – строя атомные электростанции. Сейчас активно используется солнечная энергия, аккумулируемая в солнечных батареях.
В будущем человечество будет искать альтернативные источники энергии. Природные ресурсы планеты Земля рано или поздно иссякнут, надо будет осваивать новые источники энергии. Возможно, человечество научится использовать энергию молнии. В молнии сосредоточена большая сила тока и большое напряжение.
В данном проекте мы попытались теоретически описать возможный вариант преобразования энергии молнии. В США ведутся исследования и разработки по данной теме. Данная тема работы актуальна в наши дни и в будущем.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Международная молодежная научная конференция
«XXXIX Гагаринские чтения» МБОУ «Зубово – Полянская СОШ №1»
Использование энергии молнии.
Проект
(научно – техническое направление)
Исполнители: учащиеся 9 класса
Артамонов Михаил, Денисов Дмитрий, Раца Диана
Руководитель: учитель физики Велькин Николай Григорьевич
п. Ударный
2013г.
1. Введение
2. Теоретическая часть
2.1. История исследования молнии 4
2.2. Образование молнии и её виды. 5
3. Практическая часть
3.1. Расчеты _ 7
3.2. Принцип работы установки 8
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2332816
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МОЛНИИ
Имя изобретателя:
Блескин Борис Иванович, Трушкин Николай Сергеевич, Хлестков Юрий Алексеевич, Леонов Борис Иванович, Машков Олег Алексеевич, Рыбкин Евгений Александрович, Ишутин Василий Александрович, Новиков Евгений Геннадьевич, Блескин Александр Борисович, Машков Сергей Олегович
Имя патентообладателя:
Блескин Борис Иванович, Трушкин Николай Сергеевич, Хлестков Юрий Алексеевич, Леонов Борис Иванович, Машков Олег Алексеевич
Адрес для переписки:
115612, Москва, ул. Борисовские пруды, 22, корп.1, кв.120, Б.И. Блескину
Дата начала действия патента:
17.11.2006
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для накопления электрической энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данной цели громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества. Вблизи громоотвода расположены элементы для съема энергии. При этом элемент для съема энергии содержит катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура. Катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к физике, а именно к электротехническим устройствам для использования электрической энергии молнии и атмосферы в целом. Оно может быть использовано в районах, где часто бывают грозы, как источники энергии для промышленных и хозяйственных целей.
Известно устройство для использования атмосферной электрической энергии, содержащее вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема энергии (Авторское свидетельство СССР №781, кл. Н05F 7/00, 1925 г.). Данное устройство может быть использовано для накопления электрической энергии.
Однако известное устройство не позволяет использовать электрическую энергию молнии, поскольку оно не приспособлено к удару молнии, а выделяемая при ударе молнии энергия приводит к его разрушению. В то же время для накопления электрической энергии атмосферы ее параметры сопротивления току весьма велики.
 |
Задачей настоящего изобретения является получение дешевого источника энергии в районах, где часто бывают грозы. Решение указанной задачи достигается тем, что в известном устройстве для накопления энергии, содержащем вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема энергии, громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества, вблизи которого расположено одно или несколько элементов для съема энергии. Кроме того, элемент для съема энергии может содержать, например, катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода. В другом случае элемент для съема энергии имеет катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, катушка индуктивности размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 ом. Средство заземления в предлагаемом устройстве для накопления энергии может быть выполнено в виде открытой или замкнутой емкости, наполненной электролитом, а громоотвод может быть выполнен, например, в виде токопроводного стержня. На фиг.1 изображена электрическая схема устройства для накопления энергии молнии с катушкой индуктивности, расположенной вблизи громоотвода, выполненного в виде токопроводного стержня. На фиг.2 изображена электрическая схема устройства для накопления энергии молнии с катушкой индуктивности, выполненной в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода. На фиг.3 изображено устройство для накопления энергии молнии со средством заземления, выполненным в виде открытой емкости, наполненной электролитом, например водой. Устройство для накопления энергии содержит громоотвод 1, например, вертикально установленный токопроводный стержень, соединенный со средством заземления 2, и элемент 3 для съема энергии. Громоотвод 1 выполнен в виде проводника, вдоль которого расположено один или несколько элементов 3 для съема энергии, каждое из которых имеет, например, катушку 4 индуктивности, полупроводниковый элемент 5 и конденсатор 6, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура. Накапливаемое на конденсаторе 6 напряжение можно снять для дальнейшего использования. Катушка 4 индуктивности в предлагаемом устройстве может быть размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют наименьшее сопротивление току не более 1 Ом (см. фиг.2). Устройство для накопления энергии со средством заземления, выполненным в виде емкости 7 (см. фиг.3), наполненной электролитом, например водой, имеет дно, выполненное в виде токопроводного листа 8, соединенного с громоотводом 1. Предлагаемое устройство может содержать несколько ярусов соленоидов 9, расположенных соосно с громоотводом 1 внутри корпуса 10, снабженного крышкой 11. При этом корпус 10 установлен на фундаменте 11 в почве 12. |
 |
|
 |
Устройство для накопления электрической энергии молнии работает следующим образом
При ударе молнии в молниеотвод устройства накопления энергии по стержню протекает ток порядка I=(2-5)·10 5 А. Этот ток создает вокруг себя круговое магнитное поле Н, в которое помещают катушку индуктивности. При этом ЭДС (Е), возникающую в катушке индуктивности, накапливают на конденсаторе 6.
В зависимости от расстояния между элементами для съема энергии и стержнем 1 можно получать ЭДС (Е) разной величины. Этой ЭДС заряжают конденсатор 6 (см фиг.1).
В качестве громоотвода используют, например, провод диаметром (6-10) мм или токопроводный канат.
С электрической точки зрения, устройство является трансформатором тока, с той лишь разницей, что вторичная обмотка замкнута на обычный накопитель электрической энергии - диод-емкость. Накопленная электростатическая энергия с емкости 6 может быть направлена к различным потребителям от осветительных устройств до электродвигателей, раскручивающих маховики, аккумулирующих механическую энергию, более выгодную, чем электростатическую.
Пример 1.
Устройство для накопления энергии с катушкой 3 индуктивности, которая размещена на расстоянии от одного до десяти метров от стержня 1 и ориентирована ортогонально любой плоскости, проходящей через стержень (см. фиг.1).
Пример 2.
Устройство для накопления энергии с катушкой 3 индуктивности, выполненной в виде тороида, ось симметрии которого совпадает со стержнем 1 (см. фиг.2).
Определяем величину ЭДС Е, которая возникает на соленоиде диаметром d=100 мм и числом витков n=10 3 и расстоянии от снижения R=10 м.
где 0 - магнитная проницаемость пустоты, равная 4π ·10 7 " S - площадь поперечного сечения соленоида, n - число витков.
Соленоид ориентирован вдоль линии Н, а изменение напряженности магнитного поля происходит импульсно за время τ при протекании заряда через стержень.
В этом случае ΔН/Δt по закону Био-Савара-Лапласа определяется из соотношения
ΔН/Δt=I/(2π ·R·τ), где I - величина тока, протекающего через стержень во время удара молнии.
Следовательно, полагая τ=5·10 -3
Расположив по кругу множество соленоидов в несколько ярусов, можно получить большое количество источников постоянного тока, которые можно использовать для заряда малых аккумуляторов или одного большого.
Пример 3.
При использовании предлагаемого устройства (фиг.3) для очистки воды пар, возникающий из-за разогрева токопроводного листа 8, конденсируют любым известным способом.
Кроме того, образованный пар можно использовать для приведения в действие паровых механизмов, утилизирующих энергию пара.
Таким образом, с помощью предложенного устройства для накопления энергии значительную часть энергии молнии можно использовать в средстве заземления, выполнив его в виде замкнутой оболочки соответствующей прочности, которую оборудуют редукционными клапанами, для получения чистой воды или импульсных паровых двигателей. Поршень такого двигателя с возвратной пружиной может совершать многократные колебания, а будучи соединенным с постоянным магнитом, помещенным внутрь соленоида, он может служить ротором линейного генератора тока. В этом случае в устройстве для накопления энергии элемент для съема энергии может быть размещен на расстоянии от одного до десяти метров от стержня 1.
Техническая эффективность изобретения состоит в том, что благодаря применению предложенного устройства в местах, где часто бывают грозы, возможно утилизировать часть энергии молнии. Энергия атмосферного электричества, сохраняемая с помощью предлагаемого устройства при разрядах молнии, может быть преобразована в любой другой вид энергии, например:
для производства чистой воды при испарении и конденсации пара в накопителе;
для вращения маховиков большой массы;
для накопления механической энергии.
Предложенное устройство простое как при изготовлении, так и в эксплуатации. Особенно эффективно оно может быть использовано в районах, где грозы - очень частое атмосферное явление.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для накопления электрической энергии молнии, содержащее вертикально установленный громоотвод, соединенный со средством заземления, и элемент для съема электрической энергии, отличающееся тем, что громоотвод выполнен в виде проводника с наименьшим сопротивлением току атмосферного электричества, вблизи которого расположено одно или несколько элементов для съема электрической энергии, при этом элемент для съема электрической энергии содержит катушку индуктивности, полупроводниковый элемент и емкость, соединенные последовательно с образованием единого электрического контура, а катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом, а элемент для съема энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода.
2. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что катушка индуктивности размещена ортогонально любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода, при этом катушка индуктивности и полупроводниковый элемент имеют сопротивление току не более 1 Ом.
3. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что средство заземления выполнено в виде открытой или замкнутой емкости, наполненной электролитом.
4. Устройство для накопления электрической энергии молнии по п.1, отличающееся тем, что громоотвод выполнен в виде стержня.
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?
Одной из первой компанией по использованию энергии из грозовых облаков стала американская компания Alternative Energy Holdings. Она предложила способ использования даровой энергии путем ее сбора и утилизации, возникающей из электрических разрядов грозовых облаков. Экспериментальная установка была запущена в 2007 году и называлась “сборщик молний”. Разработки и исследования грозовых явлений содержат огромные скопления энергии, которые американская компания предложила использовать в качестве источника электроэнергии.
Грозовая электростанция
Грозовая электростанция, по сути, представляет собой классическую электростанцию, которая преобразует энергию молний в электричество. На данный момент грозовая энергетика активно исследуется, и возможно в ближайшем будущем появятся в больших количествах грозовые электростанции наряду с другими электростанции на базе чистой энергии.
Молния как источник грозовых перенапряжений
Грозовые молнии представляют собой электрические разряды, накапливающиеся в больших количествах в облаках. За счет потоков воздуха в грозовых облаках происходит накопление и разделение положительных и отрицательных зарядов, хотя вопросы по данной теме до сих пор исследуются.
Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках связано с тем, что данный физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов во время проведения опытов.
Рис. 3.1.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд, при этом напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет около100 В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.
Молния, как носитель электрических зарядов, является наиболее близким к электричеству источником, по сравнению с другими АИЭ. Заряд, который накапливается в облаках, имеет потенциал в несколько миллионов вольт относительно поверхности Земли. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20000 ?С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.
альтернативный энергия грозовой электростанция
Принцип действия грозовой электростанции
Основан на все том же процессе, что и другие электростанции: преобразование энергии источника в электричество. По сути, молния содержит то же электричество, то есть ничего преобразовывать не надо. Однако указанные выше параметры “стандартного” грозового разряда настолько велики, что если это электричество попадет в сеть, то все оборудование просто сгорит в считанные секунды. Поэтому в систему вводят мощные конденсаторы, трансформаторы и различного рода преобразователи, подстраивающие данную энергию под требуемые условия применения в электросетях и оборудовании.
Преимущества и недостатки грозовой электростанции
Преимущества грозовых электростанций:
Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии -- солнца и радиоактивных элементов земной коры.
Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.
Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.
Грозовая электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.
Недостатки грозовых электростанций:
Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.
Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.
Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.
В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.
Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.