XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Электроэнергетика является одной из основополагающих отраслей экономики, оказывающих влияние на социально-экономическое развитие страны. Ее продукция является неотъемлемой частью любого производственного процесса и жизнеобеспечения населения. В ежегодном статистическом обзоре мировой энергетики 2020 был опубликован список стран по количеству произведённой электроэнергии за 2019 год по данным British Petroleum. На первом месте в списке находится Китай – 7779,06 тераватт-час, на втором США – 4286,583 тераватт-час, на третьем Индия – 1560,928 тераватт-час, на четвертом Россия – 1085,419 тераватт-час.

Непрерывный рост цен на энергоносители и истощение природных ресурсов делают актуальной задачу развития возобновляемой энергетики. Использование возобновляемых источников энергии позволит:

улучшить экологическую ситуацию;

понизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии;

обеспечить энергоснабжение удаленных населенных пунктов и объектов различного назначения с наименьшими затратами.

Одним из наименее исследованных видов возобновляемой энергетики является грозовая энергетика. Суть грозовой энергетики состоит в поимке молнии и перенаправлении ее энергии в электрическую сеть.

Молния представляет собой искровой электрический разряд, проявляющийся в атмосфере. Она образуется в кучево-дождевых, слоисто-дождевых облаках, при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях. В верхней части грозового обл­ака содержится положительный заряд, а в нижней – отрицательный. Постоянно циркулирующие внутри облака воздушные потоки сталкивают между собой частицы, которые попадают в облако. В результате этого происходит перераспределение зарядов: на полюсах одних частиц возникает положительный заряд, а на других – отрицательный. Под облаком формируется положительно заряженная часть земной поверхности из-за того, что отрицательно заряженная нижняя часть облака отталкивает электроны к поверхности земли. Вследствие этого между облаком и землей возникает искра, которая и является молнией. Значение величины тока при разряде молний может достигать до 10-500 тысяч ампер, а значение величины напряжения – от десятков миллионов до миллиарда вольт.

Выделяются следующие виды молний:

линейная молния

Процесс развития подобной молнии включает несколько стадий. Сначала в результате атмосферной конвекции во время грозы происходит разделение зарядов и в облаке возникают сильно заряженные области. Затем образуются стримеры – проводящее и светящееся плазменное локальное образование сравнительно небольшого размера, заполненное ионизированным газом и отщепленными от атомов электронами. При приближении отрицательного стримера к земле навстречу ему начинает расти ответный положительный канал. После образуется стримерная зона, когда два этих канала встречаются и сливаются. По стримерным каналам ступенями по несколько десятков метров начинают распространяться лидеры молнии, представляющие собой яркие термоионизированные каналы с высокой проводимостью. Заканчивается весь процесс обратным или главным разрядом молнии, движущимся по ионизованному лидером каналу, характеризующимся токами от десятков до сотен тысяч ампер и высокой скоростью продвижения, доходящей до 100 тысяч километров в секунду.

внутриоблачная молния

Происхождение молнии данного вида сопровождается изменениями электрических и магнитных полей, а также радиоизлучением. Внутриоблачные молнии состоят обычно только из лидерной стадии, их длина может составлять от 1 до 150 км. Наиболее вероятны данные молнии в экваториальной полосе. Возможность поражения молнией наземного объекта от его высоты. Инициатором внутриоблачной молнии может стать длинный металлический трос или самолёт, если электрическое поле облака достаточно для поддержания разряда.

джеты

Они включают голубые джеты, голубые стартеры и гигантские джеты. Голубые джеты представляют собой узкие конические голубые вспышки, возникающие в верхней части грозового облака и достигающие высоты 40–50 км. Их длительность составляет долю секунды. Голубые стартеры бледнее и короче голубых джетов, достигают высоты около 20 км. Гигантские джеты могут достигать высоты около 70 км.

спрайты

Впервые были зафиксированы случайным образом в 1989 году. Физики из Миннесотского университета тестировали новую чувствительную камеру, в объектив попала гроза вдали. После просмотра записи обнаружили воронкообразные вспышки света длительностью несколько миллисекунд и длиной 20 км, располагавшиеся примерно в 30 км над облаками. Спрайты представляют собой масштабные электрические разряды, возникающие высоко атмосфере на высоте 50–90 км над большими грозовыми системами. Они обычно совпадают по времени с сильными положительными разрядами от облака к земле. Данный вид молний имеет вид крупных, но слабых вспышек красного цвета, время их существования составляет несколько секунд.

эльфы

С английского Elves (Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources) – излучение света и низкочастотных возмущений из-за источников электромагнитных импульсов. Они представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Эльфы можно обнаружить только с помощью высокочувствительной видео съемки. Длительность вспышек может составлять до 1 мс.

огни святого Эльма

Данный вид молний происходит от возвышающихся над поверхностью земли предметов (громоотводы, флюгеры) или от летящего воздушного транспорта. Это явление может наблюдаться, когда электрическое поле у поверхности предметов усиливается. Огни святого Эльма являются более или менее постоянным светящимся электрическим разрядом слабой или средней интенсивности в атмосфере.

шаровая молния

Светящийся шар, наблюдаемый в некоторых случаях вскоре после обычной линейной молнии. Размеры шаровой молнии могут составлять от 10 и 20 см в диаметре до 100 см. Она медленно перемещается в воздухе или на земле, после обычно исчезает с громким взрывом.

Рис. 1. Виды молний

Электрическая природа молнии была доказана 15 июня 1752 года американским ученым, исследователем и государственным деятелем Бенджамином Франклином. Им был запущен воздушный змей из двух легких кедровых реек, шелкового платка и медного штыря для более легкого привлечения атмосферного электрического заряда. К змею была привязана длинная бечевка, которая, намокнув под дождем, сыграла роль проводника электричества. К нижнему концу бечевки Франклин прикрепил ключ в качестве электрода, соединенный проволокой с лейденской банкой, затем привязал к бечевке кусок шелковой ленты с целью обезопасить себя от электрического удара.

Примерно в то же время Михаилом Васильевичем Ломоносовым и его коллегой Георгом Вильгельмом Рихманом была собрана «громовая машина», предназначенная для наблюдения за интенсивностью атмосферных электрических разрядов. «Громовая машина» отличалась от «электрического змея» Франклина тем, что позволяла непрерывно вести наблюдение за изменениями электричества, происходящими в атмосфере при абсолютно любой погоде. Ломоносовым и Рихманом была не только подтверждена электрическая природа молнии, но было установлено наличие электричества в атмосфере и без грозы.

В 2006 году в августовском выпуске Бюллетеня Американского Метеорологического Общества было опубликовано исследование, определившее регионы на Земле с наиболее сильными грозами. С помощью данных, взятых со спутника NASA TRMM (Миссия измерения тропических штормов) была составлена карта, показывающая неравномерное распределение молний во всем мире с цветовыми вариациями, указывающими на среднегодовое количество вспышек молний на квадратный километр. В некоторых регионах количество ударов молний в год на квадратный километр доходит до 70.

Рис. 2. Карта распределения молний в мире

В том же году советским врачом и изобретателем Блескиным Борисом Ивановичем была подана заявка на патент изобретения «Устройство для накопления электрической энергии». Устройство предназначено для использования электрической энергии молнии и атмосферы в целом. Целью разработки устройства было получение дешевой энергии для промышленных и хозяйственных целей в районах с повышенной грозовой активностью. Устройство для накопления электрической энергии состоит из вертикально установленного громоотвода, соединенного со средством заземления и элемента для съема электрической энергии.

 

Рис. 3. Устройство для накопления электрической энергии: 1. вертикально установленный громоотвод;

2. средство заземления; 3. элемент для съема электрической энергии; 4. катушка индуктивности;

5. полупроводниковый элемент; 6. емкость.

Летом 2007 года компания Alternate Energy Holdings приобрела патент у Стива Лероя, изобретателя из Иллинойса, который запитал 60 ваттную лампочку в течение 20 минут небольшой искусственно созданной вспышкой молнии. Затем компания попыталась создать реальную установку в районе Хьюстона, где частая грозовая активность, но эксперимент не удался, и проект был закрыт. Alternate Energy Holdings переключила свое внимание на атомную энергетику и биотопливо. В 2013 году компания перекратила свое существование.

В интервью журналу The New York Times в 2009 году Мартином А. Уманом профессором ICLRT (Международного центра по изучению и тестированию молний) было сказано, что молния, к моменту достижения ею земной поверхности, уже не несет в себе много энергии, и пытаться получить энергию из «нижней» части молнии практически бесполезно.

В результате всего выше сказанного можно сделать вывод, что существует несколько проблем, препятствующих развитию грозовой энергетики. Молния является нестабильным источником энергии. Сложно предугадать время и место возникновения молнии, также проблемой является короткая продолжительность разряда молнии. Кроме того, проблемой является высокая стоимость оборудования. Так как разряд молнии длится доли секунд, поэтому требуется использование мощных и очень дорогостоящих конденсаторов. Существование данных проблем на данный момент делает грозовую энергетику теоретическим направлением.

Списоклитературы

1. British Petroleum // Bp Statistical Review of World Energy 2020. URL: bp Statistical Review of World Energy 2020 (дата обращения: 20.09.2021)

2. Кузнецов, Д.А. Возможности развития современной грозовой энергетики / Д.А. Кузнецов // Международный студенческий научный вестник. – № 4-6.

– 2017. – С. 905-909.

3. Богданова, А.А. К вопросу о грозовой энергетике / А.А. Богданова // Современные научные исследования и инновации. – № 4. – 2019.

4. Буранов, Р. Р. Грозовая энергетика / Р. Р. Буранов // Евразийский научный журнал. – № 12. – 2016. – С. 224-225.

5. Мысль журнал о науке // Атмосферное электричество. Бенджамин Франклин. URL: Атмосферное электричество. Бенджамин Франклин | (mysl.su) (дата обращения: 20.09.2021)

6. Мысль журнал о науке // Атмосферное электричество. Ломоносов и Рихман. URL: Атмосферное электричество. ЛомоносовиРихман | (mysl.su) (датаобращения: 20.09.2021)

7. NASA // NASA Satellite Identifies the World's Most Intense Thunderstorms. URL: NASA - NASA Satellite Identifies the World's Most Intense Thunderstorms (датаобращения: 20.09.2021)

8. Glassie, John Lightning Farms / John Glassie // The New York Times. – August 29, 2009.

9. Пат. 2332816 Российская Федерация, МПК H05F 7/00. Устройство для использования атмосферного электричества / Б.И. Блескин; заявитель и патентообладатель Блескин Б.И. – № 2006140697/28; заявл. 17.11.2006.; опубл. 27.08.2008

10. Всемирная метеорологическая организация // Молния. URL: https://public.wmo.int/ru (дата обращения: 20.09.2021)

Код для цитирования: Скопировать