Способы получения энергии от молнии

Можно ли использовать энергию молний? Современные достижения и реальные перспективы

Дата публикации: 27 сентября 2019

Огромные молнии через все небо, пугающие наших предков и удивляющие ученых XXI века, не раз навевали мысли о практическом использовании пропадающих впустую киловаттов энергии. Но, несмотря на отдельные попытки реализовать задуманное, грозовая энергетика пока носит больше теоретический, чем практический характер. Тем не менее ряд стран выделяет немало средств на изучение данного направления и решение отдельных сложностей, связанных с «отловом» молний и их перенаправлением в централизованную сеть электроснабжения с помощью высоковольтных систем оборудования.

Теоретическое обоснование возможности использования энергии молний

Яркая вспышка в небе во время ненастья – результат сразу нескольких физико-химических процессов. Наэлектризованные облака с высоким уровнем влажности служат благоприятной средой для образования электронных лавин, объединенных в разряды. Лавины формируют главный заряд, который направляется к земле. По следам его прохождения образуется горячий ионизированный канал, по которому под влиянием мощного электрического поля проходит главный разряд молнии. Процесс занимает мгновения и может повторяться несколько раз в секунду. Огромное напряжение, характерное для разряда, стало основой идеи грозовой энергетики. И сегодня ее основная цель – научиться улавливать молнию и уменьшать ее вольтаж, чтобы использовать полученную бесплатную электроэнергию для нужд промышленности и быта.

Интересные эксперименты по применению энергии молний

Первым ученым, приблизившимся к изучению характера грозовых разрядов, стал Бенджамин Франклин. Во время грозы в рамках своих физических опытов он запускал в небо воздушных змеев. «Собранный» ими электрический заряд позволил предположить возможность его накопления и применения в отдаленном будущем, когда человечество сумеет сконструировать мощное улавливающее оборудование и научится управлять грозным атмосферным явлением без вреда для себя и окружающей среды.

Более поздние эксперименты помогли ученым узнать, сколько энергии в молнии. Говоря научным языком, энергия молнии в джоулях составляет 5 млрд, что аналогично ее объему от сгорания 145 литров бензина. Специалисты из США, где сегодня ведутся масштабные работы в рамках изучения грозовой энергетики, подсчитали: одного разряда достаточно, чтобы снабдить население страны электричеством на 20 минут. Учитывая климатические особенности Штатов и их «удачное» географическое расположение между двумя океанами, становится понятной стремление местных ученых изучить процесс и наладить его практическое применение в промышленных объемах. А если науке удастся преодолеть расстояние, то тысячи молний, ежедневно наблюдаемых в разных частях света, смогут полностью решить энергетическую проблему в рамках планеты.

Конструкция, позволяющая улавливать молнию и преобразовывать ее под параметры энергосетей, была впервые сконструирована в 2006 году и представлена научной аудитории в виде небольшого макета. Заслуга принадлежит компании Alternative Energy Holdings, заложившей первый камень в основание грозовой энергетики будущего. Согласно проведенным расчетам, оборудование окупится за 5-7 лет, бесперебойно производя электричество стоимостью не более 0,005 долларов. Однако масштабные эксперименты в практических условиях не подтвердили работоспособность предложенной схемы, и проект был свернут.

В 2013 году в университете Саутгемптона удалось смоделировать искусственный разряд, полностью повторяющий разряд молнии по уровню напряжения. С помощью несложной системы оборудования удалось уловить его и направить на зарядку смартфона, аккумулятор которого был пополнен до 100% за две минуты.

Проблемы и перспективы

Несмотря на первые неудачи, ученые настроены позитивно. В случае успеха человечество получит киловатты бесплатной, экологически чистой возобновляемой энергии, область применения которой ничем не ограничена. Но, чтобы открыть для себя столь заманчивые перспективы и научиться использовать энергию молнии, предстоит решить немало проблем:

• Предсказать район и время очередной грозы пока не удается. А монтаж тысяч ловушек пока достаточно накладен даже для экономически развитой страны.
• «Поймать» заряд требуется за доли секунд, что не в состоянии сделать самое быстродействующее оборудование. Мощные конденсаторы, способные справиться с этой задачей, пока не созданы, а их расчетная стоимость будет достаточно велика, что значительно повысит стоимость полученной энергии.
• В зависимости от локализации в верхней или нижней части облаков, молнии могут иметь положительный или отрицательный заряд. Для уловления заряда в первом случае потребуется дополнительная энергия, подачу которой на оборудование нужно обеспечить за доли секунд до появления грозового разряда.
• Мощность разрядов имеет диапазон от 5 до 200 кА. Любая величина требует адаптации столь значительного количества энергии к стандартной сети на 220В.
• Плотность заряженных ионов снижается по мере приближения разряда к земле. Поэтому улавливающее оборудование необходимо поднять на значительную высоту от поверхности планеты. Но здесь возникает другая проблема – самопроизвольное образование молнии, процесс формирования которой нужно научиться контролировать и предотвращать. В противном случае чувствительное оборудование выйдет из строя от перегрузки, и огромные финансовые затраты на создание технических устройств окажутся напрасными.

Несмотря на преграды, мешающие запустить проекты практической реализации грозовой энергетики, работы по ее всестороннему исследованию продолжаются. Возможно, уже через десятки лет можно будет говорить о первых успехах, а спустя пару веков электричество от молнии станет столь же доступным, как энергия солнца или ветра.

Источник

Грозовая энергетика как перспективный источник энергии

Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Суть методики заключается в поимке энергии молний и перенаправлении ее в электросеть. Данный источник энергии возобновляем и относится к альтернативным, т.е. экологически безопасным.

Процесс образования молний весьма сложен. Изначально из наэлектризованного облака к земле устремляется разряд-лидер, который был сформирован электронными лавинами, слившимися в разряды (стримеры). Этот разряд оставляет за собой горячий ионизированный канал, по которому в обратном направлении движется главный разряд молнии, вырванный с Земли мощным электрическим полем. За доли секунды процесс повторяется несколько раз. Основная проблема – это поймать разряд и перенаправить его в сеть.

Преимущества

За небесным электричеством охотился еще Бенджамин Франклин. Во время грозы он запустил воздушного змея в облако и понял, что тот собирает электрический заряд.

Энергия молний – это 5 млрд джоулей чистой энергии в одном ударе, что сопоставимо со 145 л бензина. Считается, что 1 разряд молнии содержит в себе такое количество энергии, которое все население США потребляет в течение 20 минут.

Ежегодно по всему миру регистрируется около 1,5 млрд разрядов, т.е. молния бьет по поверхности Земли примерно 40-50 раз в секунду.

Эксперименты

11 ноября 2006 г. компания Alternative Energy Holdings заявила о своих успехах в деле создания прототипа конструкции, которая могла бы продемонстрировать «захват» молнии с последующим преобразованием ее в «бытовую» электроэнергию. Компания заявила, что окупаемость действующего промышленного аналога составит 4-7 лет при розничной цене 0,005 долл. США за 1 кВт-ч. К сожалению, руководство проекта после серии практических опытов было вынуждено сообщить о провале. Тогда Мартин А. Умани сравнил энергию молний с энергией атомной бомбы.

В 2013 г. силами сотрудников университета Саунгтгемптона в лабораторных условиях был смоделирован искусственный заряд, аналогичный по всем параметрам молнии естественного происхождения. Благодаря сравнительно простому оборудованию ученые смогли «поймать» его и всего за несколько минут полностью зарядить аккумулятор смартфона.

Перспектива

Молниевые фермы пока являются мечтой. Они бы стали неиссякаемыми экологически безопасными источниками весьма дешевой энергии. Развитию данного направления энергетики препятствует ряд фундаментальных проблем:

• предсказать время и место грозы невозможно. Это означает, что даже там, где установлен максимум по ударам молний, нужно смонтировать достаточно много «ловушек»;
• молния – это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать. Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока. Можно применить и разнообразные колебательные системы с контурами 2-го и 3-го рода, позволяющие согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора;
• мощность разрядов также сильно отличается. Большинство молний – это 5-20 кА, но бывают всполохи силой тока в 200 кА, а каждый из них нужно привести к стандарту в 220 В и 50-60 Гц переменного тока;
• молния бывает отрицательной, образующейся из энергии, скопившейся в нижней части облака, и положительной, накапливающейся в верхней его части. Данный фактор также нужно принимать во внимание при оборудовании молниевой фермы. Более того, чтобы уловить положительный заряд, потребуются затраты энергии, что доказано на примере люстры Чижевского;
• плотность заряженных ионов в 1 куб.м атмосферы низка, сопротивление воздуха велико. Соответственно «поймать» молнию сможет только ионизированный электрод, максимально приподнятый над поверхностью земли, но он сможет улавливать энергию только в виде микротоков. Если же поднять электрод слишком близко к наэлектризованным облакам, это может спровоцировать молнию, т.е. получится кратковременный, но мощный всплеск напряжения, который приведет к поломке оборудования молниевой фермы.

Несмотря на очевидные сложности идея создания молниевых ферм жива: очень хочется человечеству укротить природу и получить доступ к огромным возобновляемым запасам энергии.

Источник

Использование энергии молнии. Проект (научно – техническое направление)

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:

Вложение	Размер
molniya_proekt_chteniya_39.doc	115 КБ

Предварительный просмотр:

Международная молодежная научная конференция

«XXXIX Гагаринские чтения» МБОУ «Зубово – Полянская СОШ №1»

Использование энергии молнии.

(научно – техническое направление)

Исполнители: учащиеся 9 класса

Артамонов Михаил, Денисов Дмитрий, Раца Диана

Руководитель: учитель физики Велькин Николай Григорьевич

2. Теоретическая часть

2.1. История исследования молнии 4

2.2. Образование молнии и её виды. 5

3. Практическая часть

3.2. Принцип работы установки 8

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.

Цель работы: рассмотреть свойства молнии, провести необходимые расчёты по определению мощности и энергии сосредоточенной в молнии, проанализировать работу установки.

1. история исследования молнии;
2. объяснить процессы, происходящие в результате образования молнии.

Фактически всю работу можно разделить на две части. Первая – это теоретическая, вторая – практическая. В теоретической части рассматривается история исследования молнии, образование молнии, виды молний, а в практической части приводятся расчёты мощности и энергии молнии, сравнение мощности молнии, с мощностью потребляемой посёлком Ударный.

2. Теоретическая часть.

2.1. История исследования молнии.

Уже в XVII веке высказывались предположения, что молния – это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры, проскакивающей между двумя разноимённо заряженными шариками. А проскакивает молния между двумя разноименно заряженными грозовыми облаками или между грозовым облаком и землей. Исследования атмосферного электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман, и американский исследователь Бенджамин Франклин. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли. Б енджамин Франклин – выдающийся американский политический деятель, один из разработчиков американской Декларации независимости, занимался физикой всего семь лет, но сделать успел очень много. Франклин провел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку. Как только змей оказывался под грозовой тучей, заостренная проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. В 1752 г. Было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены. Михаил Васильевич Ломоносов и его друг Георг Рихман в 1752-1753 гг. совместно проводили исследования атмосферного электричества, с помощью изобретенного Рихманом электрического указателя – прообраза электрометра. Рихман установил электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. А Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха. У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов — «громовую машину». 26 июля 1753 г. Во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.

Ломоносов тяжело переживал смерть своего друга и сделал все от него зависящее, чтобы имя Георга Рихмана навсегда осталось в истории науки.

В 1989 году был обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.

2.2. Образование молнии и её виды.

Молния —гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом.

Молния является одним из самых загадочных природных явлений. Образования молнии это достаточно сложный процесс, который нужно рассматривать, начиная со структуры грозового облака.

Грозовое облако можно представить в виде нескольких слоев. Нижняя часть состоит из пара или капель воды, верхняя часть представляет собой смесь из кристаллов льда. Перепады температуры создают сильные восходящие потоки внутри облака, при этом происходить поляризация заряженных частиц и верхний слой приобретает положительный заряд, а нижняя часть облака становиться отрицательно заряженной. Созданные условия образуют зоны высокой напряженности электрического поля в атмосфере, и может привести к возникновению электрического разряда.

В воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, «вышибая» оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. Скорость распространения молнии очень велика. Так от облаков до Земли молния проходит за 0,002 сек. В большинстве случаев, это – Земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака.

В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер. Образование лидера и следующий за ним молниевый разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).

Различают следующие виды молний: наземные молнии, внутриоблачные молнии, эльфы, джеты, спрайты и конечно шаровые молнии.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация , создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода .

Внутриоблачные молнии образуются между облаками. Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км.

Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс.

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы ), живут джеты относительно дольше эльфов.

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Шаровая молния представляет собой светящуюся массу с достаточно резкими границами и большой длительностью существования. По разным оценкам время ее жизни может составлять от долей секунды до нескольких минут. Форма шаровой молнии близка к сферической. Диаметр ее может изменятся от нескольких сантиметров до размера порядка метра. Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии составляет 10-15см.

3. Практическая часть.

Проведем расчеты мощности, которая сосредоточена в молнии. Мощность рассчитывается по формуле

Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение достигает до 50 миллионов вольт. Для расчетов воспользуемся следующими данными: сила тока – 40 000 А., а напряжение – 20 000 000 В. Подставляя в формулу (1), получается

Полученное число огромное. Поселок Ударный в месяц в среднем употребляет мощность 60 000 кВт. Узнаем во сколько раз мощность в молнии больше потребляемой мощности

Если перевести в года то получается следующий результат. Пусть Т – это время в годах, тогда произведя расчеты мы получим следующий результат

где 12 – это количество месяцев году.

Подставим в формулу (2) данные

То есть поселок Ударный можно питать данной энергией более 1000 лет. Результат впечатляет. Но как энергию молнии удержать и преобразовать в электрическую энергию? В настоящее время в США и Китае ведутся разработки по преобразовании энергии молнии в электричество.

Рассчитаем энергию в молнии. Длительность молнии около тысячной доли секунды, а в часе 3600 секунд. Можно определить количество энергии, которую дает молния.

Подставим данные в формулу (3), получаем

Цена 1кВт*ч 1,75р. При полном использовании стоимость энергии молнии составит 388,85 рублей.

Также большая энергия сосредоточена в шаровой молнии. Она представляет собой четвертое состояние вещество – плазму. Но она крайне не устойчива и ведет себя непредсказуемо.

3.1. Принцип работы установки.

Возможный вариант установки представляет собой приёмник молнии (молниеотвод) и конденсаторы для «хранения» полученной энергии. В теории всё просто. Тогда почему же до сих пор не созданы такие установки? В данном случае вопросов больше, чем ответов.

Примерный вариант представлен в Приложении 1.

Приемник представляет собой проводник из стали. Конденсаторы соединятся параллельно, для того чтобы напряжение на каждом конденсаторе было одинаковым. Чтобы уменьшить вероятность попадания молнии в конденсатор можно поставить молниеотводы, но меньшей высоты, чем приемник. Чтобы молния ударила в приемник, можно закрепить лазер. Луч лазера ионизирует воздух, создает «ионизированный столб» направленный в облака. После попадания молнии в приемник, заряд поступает на конденсаторы, заряжая их. Желательно поставить ключ, чтобы исключить многократное попадание молнии, что может вызвать пробой конденсатора.

Рассчитаем энергию в конденсаторе и емкость конденсатора.

Энергия молнии равна

W=8*10 11 Вт*10 -3 с=8*10 8 Дж

Выразим из формулы (4) емкость конденсатора.

Вычислим размеры данного конденсатора.

Выразим из формулы (7) площадь пластин.

(8)

учитывая, что расстояние между пластинами 1 метр, а диэлектриком является вода , , получается следующий результат

S=4*10 -6 Ф*1м /80*8,85*10 -12 Ф/м=5649,7м 2

Отсюда следует, что длина пластин должна быть примерно 25х230 метров. Размеры огромны.

В США ведутся разработки по постройке молниевых ферм.

Конденсаторы таких размеров следует располагать на площадях из-за больших размеров.

В данном проекте произведены расчеты энергии и мощности молнии. Сравнили мощности молнии и потребляемую мощность поселка Ударный.

Исследования в данном направлении будут вестись в будущем, так как молния это альтернативный источник энергии, а полезные ископаемые на планете Земля человечество со временем исчерпает.

• большая энергия и мощность,
• малая стоимость энергии.

• количество молний на территории России не велико,
• молния ведет себя непредсказуемо, трудно контролировать,
• большие размеры конденсаторов,
• большая стоимость проекта.

Спасибо за внимание.

1. Богданов, К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов // Наука и жизнь. – 2007. — № 2. – С. 19-32.

2. Новейший Полный справочник школьника: 5-11 классы: в 2-х томах I: Биология, Химия, Математика, Физика, География.-: Эксмо, 2009,-5796 стр. Авторский коллектив: Физика: доктор физико-математических наук профессор К.Э.Немченко, Е.В.Дудиногва.

3. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. — М.: Дрофа, 2003.

Источник