Альтернативные источники энергии. Грозовая электростанция. Ловим энергию молний Использование энергии молний

25.04.2018

Это направление пока еще можно назвать теоретическим. Его суть состоит в том, чтобы улавливать энергию молний с последующим перенаправлением ее в электросети. Такой источник энергии является возобновляемым, специалисты относят его к альтернативным, иначе говоря, экологически безопасным.

Как мы помним из школьного курса, образование молний представляет собой довольно сложный процесс. Из наэлектризованных облаков по направлению к земле устремляется главный разряд, сформированный электронными лавинами, объединенными в стримеры (разряды). За этим разрядом-лидером образуется горячий ионизированный канал. В свою очередь, по этому каналу в направлении от Земли движется главный разряд молнии, который вырывается с поверхности под действием мощного электрического поля. Процесс протекает молниеносно, повторяясь по несколько раз за долю секунды. Главная задача – уловить этот разряд и направить его в электросеть.

О преимуществах

Небесным электричеством люди заинтересовались очень давно. Стоит вспомнить Бенджамина Франклина, который в своих опытах запускал во время грозы воздушных змеев и в результате понял, что они собирают электрические заряды.

Если говорить об энергии молний, то в одном разряде собрано пять миллиардов джоулей чистейшей энергии, эквивалентной 145 литрам бензина. Ученые рассчитали, что один разряд молнии может обеспечить энергией население Соединенных Штатов на 20 минут. А если учесть, что каждый год по всей Земле ударяет полтора миллиарда разрядов (от 40 до 50 разрядов за секунду), то перспективы открываются поистине потрясающие.

Об экспериментах

Представители компании Alternative Energy Holdings в 2006 году сделали заявление, что ими успешно создан прототип конструкции, при помощи которой можно наглядно показать, как происходит захват молнии и ее преобразование в энергию для бытовых нужд. Как сказали в Alternative Energy Holdings, действующий промышленный аналог способен окупить себя за 4-7 лет, если розничная стоимость энергии будет составлять 0,005 $ за киловатт/час. Но проведенная серия опытов, видимо, не продемонстрировала впечатляющих результатов, и руководители проекта закрыли его. После чего энергия молний и энергия атомной бомбы были поставлены в один ряд (по словам Мартина А. Умани).

Через несколько лет (в 2013 году) сотрудники саунгемптонского университета смоделировали в лаборатории искусственный заряд, совпадающий с параметрами естественных молний. Используя сравнительно простое оборудование, ученые сумели уловить заряд и с его помощью целиком зарядить аккумулятор смартфона за считанные минуты.

О перспективах

Фермы по «отлову» молний пока еще просто мечта. На них можно было бы бесконечно получать дешевую энергию, не нанося вреда экологии. Главная проблема, препятствующая развитию этого направления, заключается в невозможности предсказания места и времени очередной грозы. То есть даже в местах с установленным максимальным числом ударов молний необходимо монтировать большое количество «ловушек».

Есть еще другие проблемы, которые заключаются в следующем:

молнии представляют собой кратковременные энергетические всплески длительностью в доли секунды, которые необходимо осваивать очень быстро. Решить эту задачу можно при наличии мощных конденсаторов. Однако такие устройства еще не созданы, а если и будут разработаны в будущем, то окажутся очень дорогими. Не исключено применение и различных колебательных систем с наличием контуров 2 и 3 рода, которые позволяют проводить согласование нагрузки с внутренним сопротивлением генераторов;
молнии могут образовываться из энергии, скопившейся в верхней и нижней частях облаков. В первом случае они будут положительными, во втором – отрицательными. Это тоже необходимо учитывать, оборудуя молниевую ферму. Кроме того, для «ловли» заряда со знаком плюс потребуется дополнительная энергия, наглядным доказательством чего служит люстра Чижевского;
по своей мощности заряды тоже сильно различаются. У большинства молний данный параметр составляет от 5 до 20 кА, однако у некоторых всполохов может достигать 200 кА. Для бытового использования каждый из разрядов необходимо стандартизировть (50-60 Гц, 220 В);
заряженные ионы в кубометре атмосферы имеют низкую плотность, а сопротивление воздуха, наоборот, высокое. Это говорит о том, что для улавливания молний необходимы ионизированные электроды, приподнятые над землей на максимальную величину, однако и они улавливают энергию лишь в виде микротоков. Но если электрод будет расположен слишком высоко (т.е. близко к облакам), то возможно самопроизвольное образование молнии, проще говоря, возникнет мощный и кратковременный всплеск напряжения, создающий риск поломки оборудования.

И все же такие проблемы не останавливают людей, мечтающих создать молниевые фермы. Ведь мечта об укрощении природы и получении доступа к возобновляемым энергетическим ресурсам существует сотни лет и становится все более реальной.

Грозой называются разряды атмосферного электричества в форме молний, сопровождаемые громом.

Гроза - одно из наиболее величественных явлений в атмосфере. Особенно сильное впечатление производит она, когда проходит, как говорят, «прямо над головой». Удар грома следует за ударом одновременно со вспышками молнии при ураганном ветре и сильном ливне.

Гром - это своеобразный взрыв воздуха, когда он под влиянием высокой температуры молнии (около 20 000°) мгновенно расширяется и затем сжимается от охлаждения.

Линейная молния - огромная электрическая искра длиной в несколько километров. Ее появление сопровождается оглушительным треском (громом).

Ученые уже давно внимательно наблюдали и пытались изучить молнию. Ее электрическая природа была раскрыта американским физиком В. Франклином и русским естествоиспытателем М. В. Ломоносовым.

Когда образуется мощное облако с крупными дождевыми каплями, сильные и неровные восходящие потоки воздуха начинают дробить дождевые капли в его нижней части. Отделившиеся наружные частички капель несут в себе отрицательный заряд, а оставшееся ядро оказывается заряженным положительно. Мелкие капли легко уносятся потоком воздуха вверх и заряжают верхние слои облака отрицательным электричеством; крупные капли собираются внизу облака и заряжаются положительно. Сила разряда молний зависит от силы потока воздуха. Такова схема электризации облака. В действи-тельности этот процесс гораздо сложнее.

Удары молнии нередко вызывают пожары, разрушают здания, портят линии электропередачи, нарушают движение электропоездов. Для борьбы с вредным действием молнии необходимо «поймать» ее и тщательно изучить в лаборатории. Сделать это нелегко: ведь молнии пробивают сильнейшую изоляцию и опыты с ней опасны. И тем не менее ученые блестяще справляются с этой задачей. Чтобы поймать молнию, в горных грозовых лабораториях устанавливают антенну длиной до 1 км между выступами гор или между горой и мачтами лаборатории. Молнии и ударяют в такие антенны.

Ударив в токоприемник, молния по тросу попадает в лабораторию, проходит через записывающие приборы-автоматы и немедленно уходит в землю. Автоматы заставляют молнию как бы «расписаться» на бумаге. Так удается измерить напряжение и силу тока молнии, продолжительность электрического разряда и многое другое.

Оказалось, что молния имеет напряжение в 100 и более миллионов вольт, а сила тока доходит до 200 тыс. ампер. Для сравнения укажем, что в линиях передач электрической энергии используются напряжения в десятки и сотни тысяч вольт, а сила тока выражается сотнями и тысячами ампер. Но в одной молнии количество электричества невелико, так как ее продолжительность обычно исчисляется малыми долями секунды. Одной молнии хватило бы на питание только одной 100-Ваттной лампочки в течение суток.

Однако применение «улавливателей» заставляет ученых ждать ударов молнии, а они ведь не так уж часты. Для исследований гораздо удобнее создавать искусственные молнии в лабораториях. При помощи специальной аппаратуры ученым удалось получить на короткое время напряжение электричества до 5 млн. вольт. Разряд электричества давал искры до 15 метров длиной и сопровождался оглушительным треском.

Изучать молнии помогает фотография. Для этого в темную ночь направляют объектив фотоаппарата на грозовое облако и оставляют на некоторое время камеру открытой. После вспышки молнии объектив фотоаппарата закрывают, и снимок готов. Но такая фотография не дает картинки развития отдельных частей молнии, поэтому применяют особые вращающиеся фотокамеры. Необходимо, чтобы механизм аппарата при съемке вращался достаточно быстро (1000-1500 оборотов в минуту), тогда на снимке проявятся отдельные части молнии. Они покажут, в каком направлении и с какой скоростью развивался разряд.

Различают несколько типов молнии

Плоская молния имеет вид электрической вспышки на поверхности облаков.

Линейная молния - гигантская электрическая искра, очень извилистая и с многочисленными отростками. Длина такой молнии 2-3 км, но бывает до 10 км и больше. Линейная молния обладает большой силой. Она расщепляет высокие деревья, иногда поражает людей, а при ударе в деревянные строения часто вызывает пожары.

Неточная молния - светящаяся пунктирная молния, пробегающая на фоне облаков. Это очень редкая форма молнии.

Ракетообразная молния развивается очень медленно, разряд ее продолжается 1 -1,5 секунды.

Наиболее редкая форма молнии - шаровая. Это круглая светящаяся масса. В закрытом помещении наблюдали шаровую молнию величиной с кулак и даже с голову, а в свободной атмосфере диаметром до 20 м. Обычно шаровая молния исчезает бесследно, но иногда она взрывается со страшным треском. При появлении шаровой молнии слышен свистящий или жужжащий звук, она как бы кипит, разбрасывая искры; после ее исчезновения в воздухе часто остается дымка. Продолжительность шаровой молнии от секунды до нескольких минут. Движение ее связано с воздушными течениями, но в некоторых случаях она перемещается самостоятельно. Шаровые молнии возникают в сильные грозы.

Шаровая молния возникает под воздействием разряда линейной молнии, когда в воздухе происходят ионизация и диссоциация объема обыкновенного воздуха. Оба эти процесса сопровождаются поглощением огромного количества энергии. Шаровая молния, в сущности не имеет права называться молнией: ведь это просто раскаленный и заряженный электрической энергией воздух. Сгусток заряженного воздуха постепенно отдает свою энергию свободным электронам окружающих слоев воздуха. Если шар свою энергию отдает на свечение, то он просто исчезает: превращается снова в обыкновенный воздух. Когда же на своем пути шар встречает какие-либо вещества, действующие как возбудители, он взрывается. Такими возбудителями могут быть окиси азота и углерода в виде испарений, пыли, сажи и т. д.

Температура шаровой молнии около 5000°. Подсчитано также, что энергия взрыва вещества шаровой молнии в 50-60 раз превышает энергию взрыва бездымного пороха.

При сильных грозах бывает очень много молний. Так, во время одной грозы наблюдатель за 15 минут насчитал 1 тыс. молний. Во время одной грозы в Африке за час отметили 7 тыс. молний.

Чтобы предохранить здания и другие сооружения от молнии, применяется громоотвод, или, как теперь правильно называют, молниеотвод. Это - металлический стержень, соединенный с надежно заземленным проводом.

Для защиты от молнии не становитесь под высокими деревьями, особенно одиноко стоящими, так как молния часто ударяет в них. Очень опасен в этом отношении дуб, потому что его корни глубоко уходят в грунт. Никогда, не надо укрываться в стогах сена и снопах. В открытом поле, особенно на возвышенных местах, при сильной грозе идущий человек подвергается большой опасности поражения молнией. В таких случаях рекомендуется сесть на землю и переждать грозу.

Перед началом грозы необходимо уничтожить сквозняки в помещении и закрыть все дымоходы. В сельских местностях не следует вести разговоры по телефону, особенно при сильных грозах. Обычно у нас сельские телефонные станции в это время прекращают соединение. Радиоантенны при грозе нужно всегда заземлять.

Если случится несчастье - кто-либо будет контужен молнией, необходимо немедленно оказать пострадавшему первую помощь (искусственное дыхание, специальные вливания и т. д.). Кое-где существует вредный предрассудок, будто пораженному молнией можно помочь, закопав его тело в землю. Этого ни в коем случае нельзя делать: человек, пострадавший от молнии, особенно нуждается в усиленном притоке воздуха к телу.

Просто о сложном – Источники энергии – Грозы (Молнии)

Галерея изображений, картинки, фотографии.
Грозы и молнии как источники энергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
Интересные факты, полезная информация.
Зеленые новости – Грозы и молнии как источники энергии.
Ссылки на материалы и источники – Источники энергии – Грозы (Молнии).

Каждый, кто когда-нибудь читал про огромные значения напряжений и токов в канале линейной молнии, задумывался: а нельзя ли как-то эти молнии ловить и переправлять в энергетические сети? Дабы питать холодильники, лампочки, тостеры и прочие стиральные машины. Разговоры о таких станциях ведутся уже много лет, но не исключено, что в следующем году мы наконец увидим действующий образец «сборщика молний».

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

Проблем тут масса. Молнии, увы, слишком ненадёжный поставщик электричества. Предугадать заранее, где случится гроза, едва ли возможно. А ждать её на одном месте - долго. Кроме того, молния - это напряжения порядка сотен миллионов вольт и пиковый ток до 200 килоампер (в некоторых измеренных молниях; обычно - 5-20 килоампер).

Чтобы «питаться» молниями, их энергию явно нужно где-то накапливать за те тысячные доли секунды, что длится главная фаза разряда (удар молнии, кажущийся мгновенным, на самом деле состоит из нескольких фаз), а потом медленно отдавать в сеть, попутно преобразуя в стандартные 220 вольт и 50 или 60 герц переменного тока.

Заметим, что во время разряда молнии происходит довольно сложный процесс. Сначала из облака к земле (внутриоблачные молнии мы не рассматриваем) устремляется разряд-лидер, сформированный электронными лавинами, которые сливаются в разряды, называемые также стримерами. Лидер создаёт горячий ионизированный канал, по которому в противоположном направлении пробегает главный разряд молнии, вырванный с поверхности Земли сильным электрическим полем.

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

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

Как видим, проблем немало. А стоит ли тогда вообще связываться с молниями? Если поставить такую станцию в местности, где молнии бьют намного чаще обычного, толк, наверное, будет. По некоторым данным , при одном сильном грозовом шторме, когда молнии бьют непрерывно друг за другом, может выделиться такое количество энергии, что хватит на обеспечение электричеством всех США в течение 20 минут.

Конечно, какую бы станцию по ловле молний мы ни придумали, её КПД при преобразовании тока будет далеко не 100%, да и поймать, видимо, удастся отнюдь не все молнии, ударившие в окрестностях молниевой фермы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Кстати, в разное время разные изобретатели предлагали самые необычные накопители - от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизёров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород. Но мы полагаем, что хоть какой-то возможный успех связан с более простыми системами.

Впрочем, посмотрим. Alternative Energy Holdings, что приятно, не ограничивается общими рассуждениями о светлом (далёком) будущем молниевой энергетики, а заявляет, что построит первый рабочий прототип такой станции, способной накапливать энергию грозовых разрядов, уже в 2007 году.

Компания намерена испытать свою установку в течение грозового сезона (то бишь лета) будущего года, в одном из мест, где молнии гуляют чаще обычного. При этом разработчики накопителя оптимистично считают, что электростанция «на молниях» окупится за 4-7 лет.

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

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

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

Отрасли альтернативной энергетики

Гелиоэнергетика

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

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

Ветроэнергетика

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

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

Геотермальная энергетика

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

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

Альтернативная гидроэнергетика

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

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

Биотопливо

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

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

Грозовая энергетика

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

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

Водородная энергетика

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

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

Космическая энергетика

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

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

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?