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.
Арендный блок
Альтернати́вная энерге́тика - совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.
Солнечная энергия
Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы).
К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.
Недостатками солнечной энергии являются зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.
Ветряная энергия
Одним их перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.
Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.
К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей.
Геотермальная энергия
Огромное количество тепловой энергии хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики.
Используют геотермальные источники по-разному. Одни источники служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества из тепловой энергии.
К преимуществам геотермальных источников энергии можно отнести неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года.
К негативным сторонам можно отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому для отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.
Грозовая энергетика
Грозовая энергетика - это способ использования энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Компания Alternative Energy Holdings 11 октября 2006 года объявила о создании прототипа модели, которая может использовать энергию молнии.Преимущество: Молния является чистой энергией, и её применение будет не толькоустранять многочисленные экологические опасности, но также будет значительно уменьшать дороговизнупроизводства энергии.
Проблемы в грозовой энергетике
Молнии являются очень ненадёжным источником энергии, так как заранее нельзя предугадать, где и когда случится гроза.
Ещё одна проблема грозовой энергетики состоит в том, что разряд молнии длится доли секунд и, как следствие, его энергию нужно запасать очень быстро. Для этого потребуются мощные и дорогостоящиеконденсаторы. Также могут применяться различные колебательные системы с контурами второго и третьего рода, где можно согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора.
Молния является сложным электрическим процессом и делится на несколько разновидностей: отрицательные - накапливающиеся в нижней части облака и положительные - собирающиеся в верхней части облака. Это тоже надо учитывать при создании молниевой фермы
Энергия приливов и отливов
Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые;
Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у нас, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Биотопливо
Жидкое: биоэтанол.
Разработка технологий производства биоэтанола второго поколения открывает новые перспективы на рынках топлива, произведённого из дешёвого биологического сырья, и кроме того, позволяет решать проблемы утилизации отходов. Используемый в качестве добавки этанол способствует более полному сгоранию бензина и на 30 % сокращает выбросы угарного газа и токсичных веществ, на 25 % − выбросы летучих органических соединений. Таким образом, его использование снижает техногенную нагрузку на окружающую среду.Преимущество биогаза по сравнению с природным заключается в том, что он может быть произведён из местного сырья даже в самом отдалённом населённом пункте, т.е. позволяет обеспечить топливом регионы труднодоступные и высокозатратные с точки зрения организации газотранспортной инфраструктуры. Кроме того, выпуск биогаза даёт возможность решить серьёзную для аграрного и пищевого производства проблему утилизации отходов, при переработке которых помимо биогаза получают тепло и органические удобрения. Кроме того, использование биогаза снижает выброс парниковых газов
Твёрдое: древесные отходы и биомасса (щепа, гранулы (топливные пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., топливные брикеты)Одно из важнейших преимуществ гранул − высокая и постоянная насыпная плотность, правильная форма и однородная консистенция, позволяющая относительно легко использовать их для отопления и транспортировать на большие расстояния.
Газообразное: HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D0%B7" \o "Биогаз" биогаз, синтез-газ.
Преимущество биогаза по сравнению с природным заключается в том, что он может быть произведён из местного сырья даже в самом отдалённом населённом пункте, т.е. позволяет обеспечить топливом регионы труднодоступные и высокозатратные с точки зрения организации газотранспортной инфраструктуры. Кроме того, выпуск биогаза даёт возможность решить серьёзную для аграрного и пищевого производства проблему утилизации отходов, при переработке которых помимо биогаза получают тепло и органические удобрения. Кроме того, использование биогаза снижает выброс парниковых газов.
|
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 электростанцияГрозовая 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 перенапряженийГрозовые 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 электростанцииОснован 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 электростанцииПреимущества 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. Используя свойства молнии направляться к высоким предметам, особенно в том случае, если они хорошо проводят электрический ток, можно «ловить» молнию. Для этого в нашем Союзе были использованы воздушные шары, поднимавшие в грозовые тучи металлические троссы, присоединённые к земле. В этих случаях «пойманные» молнии были использованы лишь для научных целей. Оценить, насколько выгодно использовать энергию молнии для технических целей, можно, определив работу, которую может произвести грозовой разряд. Так как молния длится очень короткое время, то эта энергия оказывается очень небольшой. Подсчитали, что одна молния может «наработать» в среднем лишь на несколько рублей. При такой небольшой работоспособности молнии трудно говорить о целесообразности технического её использования. Применение молнии в качестве источника энергии затруднено ещё и потому, что за один грозовой сезон даже в очень высокий молниеприёмник (400 - 800 метров над землёй) молния ударяет не более 20-25 раз. Так как шаровая молния изучена сравнительно мало, то до сих пор ещё нет надёжно проверенных способов защиты от неё. Хотя и бывали случаи, когда шаровая молния проникала даже через закрытое … Чтобы не быть поражённым ударом молнии, нужно избегать во время грозы подходить к молниеотводам или высоким одиночным предметам (столбам, деревьям) на расстояние меньшее 8-10 метров. Если человек застигнут грозой вдали … Основные требования, которые предъявляют к сооружению молниеотвода, защищающего от грозы колхозные и сельские постройки, - это дешевизна и простота самого устройства. Наилучшей защитой является стержневой молниеотвод, который устанавливают на самой … 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". 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. 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. Во время разряда вмолнии происходит довольно сложный процесс Сначала из облака к земле 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. Далее все эти стадии могут повториться и 2, и 3, и 10 раз - за те самые доли секунды, что длится молния. Представьте, насколько сложная задача - поймать этот разряд и направить ток в нужное место. 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. 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. Грозы случаются на Земле очень неравномерно. Специалисты, работающие с американским спутником "Миссия измерения тропических штормов" опубликовали отчёт об одном из последних достижений этого спутника. Составлена мировая карта частоты молний. Например, в центральной части африканского континента есть немаленькая зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год! Пока с такими проектами использования энергии молний выступают в основном изобретатели из США. Американская компания Alternative Energy Holdings сообщает, что собирается осчастливить мир экологически чистой электростанцией, вырабатывающей ток по смешной цене $0,005 за киловатт-час. 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 возможный успех связан с более простыми системами. Alternative Energy Holdings 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 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. http://www.membrana.ru/
Знаете ли вы?Глаз и фотоны Чувствительность сетчатки глаза можно проверить самому, повторив простой опыт, поставленный в свое время известным советским ученым С. И. Вавиловым. Между обыкновенной лампой накаливания и вашей точкой наблюдения установите стробоскоп - картонный диск диаметром 15-20 см, с вырезанным сектором градусов в 60, насаженный на ось. А теперь, вращая диск стробоскопа со скоростью примерно оборот в секунду, посмотрите на лампу одним глазом сквозь диск. Вот что будет при этом происходить: вращаясь, диск станет отмерять для глаза пропорции света. Лампа светит неравномерно, то есть ее световой поток пульсирует, но, поскольку диск вращается относительно медленно, пропорции света будут отличаться друг от друга всего на несколько фотонов. И эту разницу, доступную лишь самым-самым точным приборам, без труда уловит ваш глаз - присмотревшись, вы увидите слабую пульсацию света! Легче провести этот эксперимент, если над «измерительной» лампой вы поставите еще одну - опорную. Ее свет поможет вам сосредоточиться. 
|
