Qualcuno raccoglie energia dai fulmini. Dispositivo per l'accumulo di energia elettrica dei fulmini

blocco locativo

Energia alternativa- un insieme di modi promettenti per ottenere, trasmettere e utilizzare l'energia, che non sono diffusi come quelli tradizionali, ma sono interessanti per la redditività del loro utilizzo con, di norma, un basso rischio di arrecare danno all'ambiente.

energia solare

Diverse installazioni solari utilizzano la radiazione solare come fonte di energia alternativa. La radiazione solare può essere utilizzata sia per il fabbisogno di calore che per la generazione di energia elettrica (tramite celle fotovoltaiche).

I vantaggi dell'energia solare includono la rinnovabilità di questa fonte di energia, la silenziosità, l'assenza di emissioni nocive nell'atmosfera durante la trasformazione della radiazione solare in altri tipi di energia.

Gli svantaggi dell'energia solare sono la dipendenza dell'intensità della radiazione solare dal ritmo giornaliero e stagionale, nonché la necessità di grandi aree per la costruzione di centrali solari. Inoltre, un grave problema ambientale è l'uso di sostanze velenose e tossiche nella produzione di celle fotovoltaiche per impianti solari, che crea il problema del loro smaltimento.

energia eolica

Una delle fonti di energia più promettenti è il vento. Il principio di funzionamento di un generatore eolico è elementare. La forza del vento viene utilizzata per azionare la ruota del vento. Questa rotazione è a sua volta trasmessa al rotore del generatore elettrico.

Il vantaggio di un generatore eolico è, innanzitutto, che nei luoghi ventosi il vento può essere considerato una fonte di energia inesauribile. Inoltre le turbine eoliche, producendo energia, non inquinano l'atmosfera con emissioni nocive.

Gli svantaggi dei dispositivi per la produzione di energia eolica includono la variabilità dell'energia eolica e la bassa potenza di un singolo generatore eolico. Inoltre, le turbine eoliche sono note per produrre molto rumore, di conseguenza stanno cercando di essere costruite lontano da dove vivono le persone.

energia geotermica

Un'enorme quantità di energia termica viene immagazzinata nelle profondità della Terra. Ciò è dovuto al fatto che la temperatura del nucleo terrestre è estremamente elevata. In alcuni punti del globo c'è un rilascio diretto di magma ad alta temperatura sulla superficie della Terra: aree vulcaniche, sorgenti termali di acqua o vapore. L'energia di queste fonti geotermiche si propone di essere utilizzata come fonte alternativa dai sostenitori dell'energia geotermica.

Le fonti geotermiche sono utilizzate in diversi modi. Alcune fonti sono utilizzate per la fornitura di calore, altre per la generazione di elettricità dall'energia termica.

I vantaggi delle fonti di energia geotermica includono l'inesauribilità e l'indipendenza dall'ora del giorno e dalla stagione.

Tra gli aspetti negativi c'è il fatto che le acque termali sono altamente mineralizzate e spesso anche sature di composti tossici. Ciò rende impossibile lo scarico delle acque termali reflue nei corpi idrici superficiali. Pertanto, le acque reflue devono essere reimmesse nella falda acquifera sotterranea. Inoltre, alcuni sismologi si oppongono a qualsiasi intervento negli strati profondi della Terra, sostenendo che questo può provocare terremoti.

Energia temporalesca

L'energia del temporale è un modo di utilizzare l'energia catturando e reindirizzando l'energia. fulmini nella rete elettrica. Alternative Energy Holdings ha annunciato l'11 ottobre 2006 di aver creato un modello prototipo in grado di utilizzare l'energia del fulmine. Fulmineè energia pulita e la sua applicazione non solo eliminerà numerosi rischi ambientali, ma ridurrà anche significativamente i costi di produzione dell'energia.

Problemi di potenza del fulmine

I fulmini sono una fonte di energia molto inaffidabile, poiché è impossibile prevedere in anticipo dove e quando si verificherà un temporale.

Un altro problema dell'energia del fulmine è che la scarica del fulmine dura una frazione di secondo e, di conseguenza, la sua energia deve essere immagazzinata molto rapidamente. Ciò richiederà condensatori potenti e costosi. Possono essere utilizzati anche vari sistemi oscillatori con circuiti di secondo e terzo tipo, dove è possibile far corrispondere il carico con la resistenza interna del generatore.

Il fulmine è un processo elettrico complesso ed è diviso in diverse varietà: negativo - che si accumula nella parte inferiore della nuvola e positivo - che si accumula nella parte superiore della nuvola. Questo dovrebbe essere preso in considerazione anche quando si crea una fattoria di fulmini.

Energia flusso e riflusso

Una fonte sproporzionatamente più potente di flussi d'acqua sono i flussi e riflussi. È stato calcolato che le maree potrebbero potenzialmente fornire all'umanità circa 70 milioni di miliardi di kilowattora all'anno. Per fare un confronto: questo è più o meno lo stesso delle riserve esplorate di carbon fossile e lignite, presi insieme, sono in grado di produrre;

I progetti di centrali idroelettriche di marea sono stati sviluppati in dettaglio in termini ingegneristici, testati sperimentalmente in diversi paesi, tra cui qui, nella penisola di Kola. Anche una strategia per il funzionamento ottimale del TPP è stata pensata: accumulare acqua nel bacino dietro la diga durante l'alta marea e spenderla per la produzione di energia elettrica quando si verifica il "picco di consumo" nei sistemi energetici unificati, alleggerendo così il carico su altre centrali elettriche.

biocarburante

Liquido: bioetanolo.

Lo sviluppo di tecnologie per la produzione di bioetanolo di seconda generazione apre nuove prospettive nei mercati dei combustibili prodotti da materie prime biologiche a basso costo e, inoltre, consente di risolvere i problemi di smaltimento dei rifiuti. L'etanolo utilizzato come additivo contribuisce a una combustione più completa della benzina e riduce del 30% il monossido di carbonio e le emissioni tossiche e del 25% le emissioni di composti organici volatili. Pertanto, il suo utilizzo riduce il carico tecnogenico sull'ambiente.Il vantaggio del biogas rispetto al gas naturale è che può essere prodotto da materie prime locali anche negli insediamenti più remoti, ad es. consente di fornire carburante a regioni di difficile accesso e costose in termini di organizzazione delle infrastrutture di trasporto del gas. Inoltre, la produzione di biogas permette di risolvere il problema dello smaltimento dei rifiuti, grave per le produzioni agroalimentari, durante la cui lavorazione si ottengono, oltre al biogas, calore e fertilizzanti organici. Inoltre, l'uso del biogas riduce le emissioni di gas serra.

Solido: rifiuti di legno e biomasse (trucioli di legno, pellet (pellet di combustibile) da legno, pula, paglia, ecc., bricchetti di combustibile) li utilizzano per il riscaldamento e il trasporto su lunghe distanze.

Gassoso: HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D0%B7" \o Biogas "Biogas", gas di sintesi .

Il vantaggio del biogas rispetto al gas naturale è che può essere prodotto da materie prime locali anche negli insediamenti più remoti, es. consente di fornire carburante a regioni di difficile accesso e costose in termini di organizzazione delle infrastrutture di trasporto del gas. Inoltre, la produzione di biogas permette di risolvere il problema dello smaltimento dei rifiuti, grave per le produzioni agroalimentari, durante la cui lavorazione si ottengono, oltre al biogas, calore e fertilizzanti organici. Inoltre, l'uso del biogas riduce le emissioni di gas serra.

Scarica

Un temporale è un fenomeno atmosferico in cui si verificano più scariche elettriche a scintilla in nubi cumuliformi situate a un'altitudine di 7-15 km - fulmini, accompagnati da tuoni, rovesci, grandine e aumento del vento. Secondo i concetti moderni, l'elettrificazione delle nuvole avviene a causa dell'attrito dei cristalli di ghiaccio contro una miscela di vapore acqueo e minuscole goccioline d'acqua. La separazione delle cariche elettriche e la formazione di un campo elettrico avviene solo con intense correnti verticali ascendenti e discendenti.
Per un problema più chiaro dell'utilizzo dell'energia delle scariche dei fulmini, soffermiamoci brevemente sulle principali opinioni moderne sui fenomeni di fulmine. Al momento, la questione non è stata definitivamente risolta, a causa della quale le goccioline d'acqua e i cristalli di ghiaccio nelle nubi temporalesche ricevono una carica. Un gruppo di scienziati ritiene che le goccioline e i cristalli di ghiaccio catturino una carica dall'aria, un altro gruppo ritiene che siano carichi a causa dello scambio di carica al contatto l'uno con l'altro. Come risultato di studi sperimentali, è stato riscontrato che la parte d'acqua della nuvola si estende dal bordo inferiore della nuvola temporalesca allo strato con una temperatura di 00°C. Nella regione con temperature da 00°C a 150°C, acqua e ghiaccio coesistono e al di sotto dei 150°C la nuvola di solito è costituita solo da cristalli di ghiaccio. La parte a goccia della nuvola ha principalmente una carica negativa, mentre la sua parte ghiacciata ha una carica positiva. Alle medie latitudini, il centro della carica negativa di una nuvola temporalesca si trova a un'altitudine di circa 3 km e il centro della carica positiva si trova a un'altitudine di circa 6 km. L'intensità del campo elettrico all'interno di una nuvola temporalesca è di 100-300 volt/cm, ma prima di una scarica di fulmini in alcuni piccoli volumi può raggiungere fino a 1.600 volt/cm. Il processo temporalesco è impossibile senza la separazione delle cariche nella nuvola per convezione. Il campo di convezione nelle nuvole si rompe in diverse celle (fino a 8 in alcuni temporali). Ogni cellula convettiva attraversa uno stadio di origine, maturità e decadimento. Nella fase di nucleazione, nell'intera cellula convettiva predominano le correnti ascendenti. In alcuni casi la velocità dei flussi ascendenti può raggiungere i 30 m/s, ma in generale è di 10-12 m/s. Una cellula convettiva matura è caratterizzata dallo sviluppo di correnti ascendenti e discendenti, attività elettrica (scariche di fulmini) e precipitazioni. Tale cella ha un diametro orizzontale di 2-8 km e si estende in altezza fino a un livello con una temperatura di 40°C. Nella fase di smorzamento, nell'intera cella convettiva predominano deboli correnti discendenti con una diminuzione dell'attività elettrica e della quantità di precipitazione che cade per unità di tempo. Il ciclo di vita completo di una cellula convettiva è di circa un'ora,
la durata della fase di maturità è di 15-30 minuti, la fase di decadimento è di circa 30 minuti.
Un temporale della durata di diverse ore è il risultato dell'attività di diverse cellule convettive.
Il volume di una nuvola temporalesca, costituita da una miscela di gocce e cristalli di ghiaccio, va da centinaia a diverse migliaia di chilometri cubi. La massa delle particelle di acqua-ghiaccio, con questo volume, è di circa 106 - 107 tonnellate.
L'energia potenziale di una nuvola temporalesca va da 1013 a 1014 J e raggiunge l'energia di una bomba termonucleare megaton. I fulmini, generalmente lineari, lunghi diversi chilometri e con un diametro di decine di centimetri, si riferiscono a scariche senza elettrodi, poiché vengono generate in un ammasso di particelle cariche, convertendo l'energia elettrica in energia termica. In base alle condizioni di sviluppo, i temporali si dividono in intramass e frontali. I temporali intra-massa sulla terraferma sorgono a causa del riscaldamento locale dell'aria dalla superficie terrestre, che porta allo sviluppo di correnti ascendenti di convezione locale in essa e alla formazione di potenti cumulonembi. Pertanto, i temporali intramassa sulla terraferma si sviluppano principalmente nelle ore pomeridiane. Al di sopra dei mari, di notte si osservano le condizioni più favorevoli per lo sviluppo della convezione e il massimo nel corso giornaliero cade alle 4-5 del mattino.
I temporali frontali si verificano sui tratti frontali, cioè ai confini tra masse d'aria calda e fredda e non hanno un andamento giornaliero regolare. Nei continenti della zona temperata, sono più frequenti e intensi in estate, nelle regioni aride - in primavera e in autunno. I temporali invernali si verificano in casi eccezionali - durante il passaggio di fronti freddi particolarmente acuti. In generale, un temporale invernale è un fenomeno molto raro.
I temporali sulla Terra sono distribuiti in modo molto irregolare: nell'Artico si verificano una volta ogni pochi anni, nella zona temperata in ogni singolo punto ci sono diverse decine di giorni con temporali. I tropici e la regione equatoriale sono le regioni più fragorose della Terra e sono chiamate la "cintura dei temporali eterni". Nella zona di Butensorg, sull'isola di Java, i temporali imperversano 322 giorni all'anno. Nel deserto del Sahara non ci sono quasi temporali. La struttura elettrica di una tipica nuvola temporalesca è bipolare: le cariche positive e negative si trovano rispettivamente nella parte superiore e inferiore della nuvola. Vicino alla base della nuvola, sotto una carica negativa, di solito c'è un'ulteriore
Carica positiva. A seconda delle condizioni (in particolare, della latitudine dell'area), sono possibili diversi valori delle cariche positive superiori e negative inferiori.
Il campo elettrico nelle nuvole è dovuto alla distribuzione delle cariche spaziali create da tutti i portatori di carica in una data nuvola. Nelle nubi temporalesche si verifica un accumulo molto rapido di grandi cariche spaziali. La densità media di carica spaziale può essere dell'ordine di (0,3-3)10-C/m. Le regioni con la massima densità di carica sono dell'ordine di diverse centinaia di metri. In tali volumi locali della nuvola si creano condizioni favorevoli alla formazione di fulmini. Secondo i concetti moderni, i volumi con una densità di carica massima (zone di disomogeneità) di 200-400 m sono i più comuni Il processo di sviluppo dei fulmini a terra consiste in più fasi. Nella prima fase, nella zona in cui il campo elettrico raggiunge un valore sufficiente, inizia la ionizzazione per impatto dell'aria. Gli elettroni liberi, che sono sempre presenti in piccola quantità nell'aria, sotto l'influenza di un campo elettrico acquisiscono velocità significative verso il suolo e, scontrandosi con gli atomi d'aria, li ionizzano. Pertanto, sorgono valanghe di elettroni, che si trasformano in filamenti di scariche elettriche, che sono canali ben conduttivi che, unendosi, danno origine a un canale luminoso termicamente ionizzato ad alta conduttività: un capo fulmine a gradini. Il movimento del leader sulla superficie terrestre avviene a passi di diverse decine di metri, ad una velocità di circa 510 m/sec, dopodiché il suo movimento si interrompe per diverse decine di microsecondi e il bagliore è notevolmente indebolito. Nella fase successiva, il leader avanza nuovamente di alcune decine di metri. Allo stesso tempo, un bagliore luminoso copre tutti i passi passati; poi seguono di nuovo uno stop e un indebolimento del bagliore. Questi processi si ripetono mentre il leader si sposta sulla superficie della terra. Man mano che il leader si sposta verso terra, la tensione alla sua estremità aumenta e sotto la sua azione viene espulso uno streamer di risposta dagli oggetti che sporgono sulla superficie della Terra, collegandosi con il leader. Nella fase finale, la scarica principale del fulmine segue il canale ionizzato dal leader. La scarica principale è caratterizzata da correnti da decine a centinaia di migliaia di ampere, luminosità notevolmente superiore alla luminosità del leader e alta velocità.
di
anticipo, arrivando inizialmente a circa 10 m/s, alla fine decrescendo a valori ​​di 107 m/s. La temperatura del canale durante lo scarico principale può superare i 25.000 0C. La lunghezza del canale è di 1-10 km, il diametro è di diversi centimetri. Dopo il passaggio dell'impulso di corrente, la ionizzazione del canale e il suo bagliore si indeboliscono. Figura 2.20. vengono mostrati tre stadi di sviluppo del fulmine. In questa figura: 1- nuvola temporalesca; 2 - canale del leader a gradini; corona a 3 canali; 4 - corona a impulsi sulla testa del canale; 5 - la categoria principale. In linea di principio, sono possibili i seguenti modi principali per ottenere elettricità dalle scariche dei fulmini.
Nel 1928-1933, una griglia metallica era sospesa sul Monte Generoso in Svizzera a un'altezza di 80 m sopra la superficie terrestre. Durante i temporali, questa griglia raccoglieva una carica sufficiente a mantenere per 0,01 sec un arco elettrico lungo 4,5 m, che corrispondeva a un'intensità di corrente di diverse decine di migliaia di ampere e una differenza di potenziale dell'ordine di 1 milione di volt. Inizialmente, si presumeva che ottenuto su questo
tensione di impostazione utilizzata per accelerare le particelle cariche negli acceleratori. Tuttavia, questa idea ha dovuto essere abbandonata a causa del forte

Riso. 2.20. Tre fasi di sviluppo del fulmine

la variabilità dello stato elettrico delle nuvole temporalesche e l'impossibilità di regolarlo ancora. Anche i tentativi di utilizzare la corrente elettrica che scorre durante i temporali in antenne sollevate in alto sopra la superficie terrestre per alimentare lampade a incandescenza non hanno prodotto un effetto economicamente vantaggioso.
Sono noti esperimenti quando, a seguito di profonde esplosioni in mare, che hanno sollevato fontane d'acqua ad un'altezza di circa 70 metri sotto una nuvola temporalesca, si sono verificate scariche di nuvole nel mare. Inoltre, gli scarichi di nubi temporalesche sono stati praticamente effettuati sulla superficie della terra (mare) con l'aiuto di un filo, che è stato consegnato alla nuvola da un razzo. Tipicamente, la scarica si è verificata quando il razzo è salito a un'altezza di circa 100 m. Ciò si è rivelato sufficiente per scaricare a terra una nuvola temporalesca con un'altezza di confine inferiore di circa un chilometro. Ci sono stati anche tentativi di utilizzare un raggio di protoni ottenuto al sincrotrone, oltre che con l'aiuto di laser, per creare un canale per i fulmini. I principali svantaggi di questi metodi sono una serie di difficoltà puramente tecniche. C'erano progetti per la dispersione di lastre e filamenti metallici o metallizzati nelle nuvole, svolgendo il ruolo di conduttori di cortocircuito e allo stesso tempo di micro-scaricatori, sui quali, per la presenza di un proprio campo elettrico nella nuvola, una potenziale caduta sufficiente per una scarica corona viene creata. Esperimenti sulla semina di nuvole con reagenti cristallizzanti al fine di modificare il loro stato elettrico hanno dimostrato che in condizioni appropriate

è possibile causare un'intensa elettrificazione della nuvola e uno dei modi per controllare lo stato elettrico delle nuvole temporalesche è legato al controllo del processo di cristallizzazione. Ma i risultati di tale
gli impatti sulla possibilità di indurre una scarica ad alta potenza non sono stati ancora sufficientemente determinati.
Gli ingegneri energetici russi hanno proposto un metodo per utilizzare l'energia dei fulmini, che consiste nell'intrappolare le cariche dei fulmini attraverso parafulmini collegati elettricamente a una calata, collegati a terra attraverso un impianto di estrazione dell'energia dei fulmini e utilizzando l'elettricità
energia del fulmine su una capacità di accumulo comune, avviando inoltre scariche di fulmini per mezzo, ad esempio, di emettitori laser che creano zone di rottura elettrica dell'aria senza elettrodi per eccitare un leader in costante sviluppo di una scarica elettrica di fulmini e l'energia viene rimossa attraverso un collettore di corrente costituito da circuiti risonanti di filtri LC con ponti a diodi.
Il circuito elettrico del dispositivo proposto è mostrato in Figura 3.20. In questa figura: 1- parafulmini; 2 - calata; 3- filtri LC risonanti a tre sezioni; 4- capacità di stoccaggio totale; 5- interruttore automatico; 6 - resistenza annullante; 7 - sbocco al consumatore. Ogni parafulmine è costituito da una rete metallica sospesa da terra, fissata su isolatori. Il collettore di corrente è costituito da più di due stadi D collegati in parallelo e collegati in serie, che forniscono una diminuzione della corrente di scarica del fulmine. Ciascuno stadio è costituito da filtri LC risonanti a tre sezioni, interconnessi da un comune accoppiamento induttivo. Un accoppiamento induttivo comune è formato da tre avvolgimenti induttori collegati in serie e un corrispondente ponte raddrizzatore è collegato all'uscita di ogni stadio. In questo caso, le uscite dei raddrizzatori a ponte sono interconnesse in parallelo e collegate ad una capacità di accumulo comune CH. Le uscite "positive" tramite diodi raddrizzatori sono collegate alla piastra della capacità totale di accumulo Sn. Le uscite "meno" sono collegate ad un'altra piastra della capacità cumulativa CH, l'uscita da CH è collegata al sistema dell'utenza. All'uscita del bollitore comune SN è installato un interruttore automatico per il collegamento con un'utenza o
resistenza, annullando la carica accumulata dalla capacità totale di accumulo.
È stato anche proposto un dispositivo in cui viene utilizzato come parafulmine un tubo conduttivo verticale isolato da terra, all'interno del quale viene inserita una calotta dielettrica a parete spessa capovolta in modo che la parte superiore del tubo si alzi sopra i bordi della calotta. Un rivestimento conduttivo collegato a terra viene applicato sulla superficie interna delle pareti della tazza. Il parafulmine è collegato elettricamente a un'estremità dell'avvolgimento primario del trasformatore, l'altra estremità è collegata a terra. L'induttanza dell'avvolgimento primario e la capacità formata dal tubo conduttivo, dalle pareti del vetro e dal rivestimento conduttivo formano un circuito oscillatorio parallelo. Una scarica di fulmini su un parafulmine è innescata da un guasto ottico esteso, che è formato da un raggio di un laser a infrarossi pulsato. La configurazione e la direzione del fascio riscaldante è formata da uno specchio dicroico controllato,
situato all'interno del vetro. Questo specchio opera contemporaneamente come parte del sistema di scansione ottica dell'atmosfera, necessario per identificare zone con gradienti di tensione critici nella parte inferiore delle nubi temporalesche utilizzando il noto metodo di localizzazione ottica. L'energia prelevata dall'avvolgimento secondario del trasformatore viene utilizzata per alimentare tutti i sistemi del dispositivo e parte di essa può essere trasferita ai consumatori. Un dispositivo per l'accumulo di energia elettrica. Nella Figura 4.20 è mostrato un dispositivo che consente di accumulare l'energia elettrica rilasciata in un parafulmine quando viene colpito da un fulmine, nonché di estrarne l'eccesso dall'atmosfera tra le scariche dei fulmini. In questa foto: 1- parafulmine in metallo; 2 - bobine toroidali
induttanza; 3 - elementi corrispondenti; 4- messa a terra. Come si può vedere dalla figura sopra, questo dispositivo brevettato contiene un parafulmine montato verticalmente e collegato a terra. Inoltre, il parafulmine è realizzato sotto forma di un conduttore metallico, in prossimità del quale sono posizionati uno o più elementi atti a prelevare energia elettrica.
L'elemento di captazione dell'energia elettrica contiene un induttore,
un elemento semiconduttore e una capacità collegati in serie per formare un unico circuito elettrico. In questo dispositivo, l'induttore è posizionato ortogonalmente a qualsiasi piano passante per l'asse del parafulmine ed è realizzato sotto forma di un toroide, il cui asse di simmetria coincide con l'asse del parafulmine.

Gli scienziati cinesi dell'Istituto di fisica dell'atmosfera hanno sviluppato una tecnologia leggermente diversa per l'utilizzo dell'energia del fulmine. Per catturare i fulmini verranno utilizzati razzi dotati di speciali parafulmini, che verranno lanciati al centro di una nuvola temporalesca. Il razzo "YL-1" deve iniziare pochi minuti prima del fulmine. "I controlli hanno dimostrato che la precisione dei lanci è del 70%", hanno affermato gli sviluppatori del dispositivo. L'energia del fulmine, così come la radiazione elettromagnetica che produce, sarà utilizzata per modificare geneticamente le colture agricole e produrre semiconduttori. Inoltre, la nuova tecnologia ridurrà notevolmente i danni economici causati dai temporali.
La società americana Alternative Energy Holdings (Alt-Holding) ha proposto un altro modo per utilizzare l'energia gratuita. Gli specialisti dell'azienda affermano di essere riusciti a sviluppare un modo per raccogliere e utilizzare l'energia che si verifica durante le scariche elettriche nelle nuvole temporalesche. Il progetto si chiamava Lightning Harvester.
Dal 2006, eVolo organizza l'annuale eVolo Skyscraper Competition, a cui partecipano architetti che progettano complessi grattacieli e grattacieli costruiti utilizzando le ultime tecnologie e un ampio uso dei materiali più moderni. Inoltre, gli organizzatori del concorso valutano i progetti presentati in termini di compatibilità ambientale, a cui viene riservata un'attenzione particolare. Così, l'Evolo Skyscraper Competition 2011 di quest'anno ha vinto i premi per i progetti LO2P Recycling Skyscraper (grattacielo di riciclaggio in India), Flat tower (energia alternativa) e una diga idraulica che combina una centrale elettrica, una galleria e un acquario. Nello stesso concorso, un gruppo di architetti e ingegneri serbi ha presentato uno straordinario progetto di grattacielo che produce idrogeno utilizzando l'elettricità "celeste". L'idea della squadra serba si è rivelata così interessante che il progetto Khidra ha ricevuto una menzione d'onore, ma ora prende uno dei premi. In effetti, il grattacielo Hydra è un progetto di un grattacielo che catturerà i fulmini dei temporali che passano nell'area. Inoltre dovrebbe utilizzare la loro energia per il processo di separazione (elettrolisi) dell'acqua ordinaria in componenti: idrogeno e ossigeno. Pertanto, questo edificio, da un lato, fungerà da fonte di energia pulita e, dall'altro, diventerà un altro fornitore di ossigeno all'atmosfera terrestre.
Data l'imprevedibilità e la volatilità dei fulmini, gli autori del progetto hanno proposto diverse soluzioni che aiuteranno a migliorare le prestazioni del grattacielo Khidr. Per attirare il maggior numero possibile di scariche di fulmini, la struttura deve essere installata in quelle regioni del pianeta dove si osserva il maggior numero di fulmini. Queste aree includono alcune aree situate negli Stati Uniti (Florida), Venezuela, Colombia, India (nella parte settentrionale di questi paesi), Indonesia (Penisola di Malacca) e Congo (Africa). In queste zone, per ogni chilometro quadrato di territorio, si registrano 50-70 o più fulmini all'anno. Oltre a scegliere il posto giusto per la costruzione, la costruzione del progetto Khidra in aree aperte aumenterà le probabilità di una caccia ai fulmini di successo. Pertanto, se il grattacielo si trova in una grande città, dovrebbe diventare l'edificio più alto della metropoli. Altrimenti, parte del fulmine sarà semplicemente attratta dai vicini grattacieli o torri più alti. Come, ad esempio, si osserva con l'Empire State Building (l'edificio più alto di New York), che riceve solo circa 20 fulmini ogni anno.
Oltre alla difficoltà di prevedere in anticipo quanti fulmini sarà in grado di catturare il “grattacielo” serbo, il progetto presenta molti altri problemi intrattabili. Si tratta di elevate temperature di esercizio (fino a 27.000 °C) e di un'enorme corrente (fino a 200.000 A) di scariche di fulmini, che porranno le massime esigenze sui materiali utilizzati, nonché la necessità di creare condensatori di grande capacità e con caratteristiche senza precedenti.
Tuttavia, prima che l'elettricità atmosferica entri nella rete industriale, deve essere convertita in uno standard industriale: corrente alternata con una frequenza di 50 - 60 hertz con una tensione di 220 - 550 volt (per le reti elettriche di diversi paesi, questi parametri differiscono) . Cioè, non è sufficiente inviare un fulmine all'unità. Varie soluzioni a questo problema sono state proposte in tempi diversi, compresi i serbatoi d'acqua sotterranei. Sotto l'influenza dell'energia di una scarica elettrica, l'acqua dovrebbe trasformarsi in vapore che, secondo gli autori del brevetto (e tale schema è stato brevettato negli Stati Uniti negli anni '60 del secolo scorso), dovrebbe ruotare le pale della turbina, come nelle classiche centrali termiche e nucleari. Ma l'efficienza di tali generatori è estremamente bassa. Attualmente sono stati sviluppati potenti condensatori elettrici: dispositivi di accumulo ad alta capacità in grado di immagazzinare l'energia accumulata per mesi e convertitori di corrente alternata su tiristori ad alta velocità, la cui efficienza si avvicina all'85%. Il secondo problema è la relativa imprevedibilità dei temporali e la loro distribuzione irregolare. Naturalmente, la maggiore attività temporalesca si nota più vicino all'equatore, ma le scariche che si verificano a queste latitudini il più delle volte non si verificano tra una nuvola temporalesca e il suolo, ma tra nuvole o parti di una nuvola. Certo, in Centrafrica c'è una vasta area dove si verificano più di 70 fulmini per chilometro quadrato all'anno. Ci sono tali zone negli Stati Uniti: negli stati del Colorado e della Florida. Tuttavia, queste sono aree piuttosto locali. Nel frattempo, l'elettricità atmosferica è teoricamente disponibile ovunque sul pianeta.
Gli specialisti che lavorano con il satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) degli Stati Uniti hanno pubblicato un rapporto su uno dei loro recenti risultati. Dopo molti anni di osservazioni, TRMM ha compilato una mappa mondiale della frequenza dei fulmini, in base al numero di scariche accecanti che si verificano su ogni chilometro quadrato di una determinata area in un anno. Nella parte centrale del continente africano c'è una zona dove si verificano più di 70 fulmini per chilometro quadrato all'anno. È lì che è prevista la costruzione di un impianto "fulmineo". Allo stesso tempo, gli sviluppatori ritengono che la centrale elettrica dei fulmini ripagherà in 4-7 anni.
Va notato che, nonostante la natura piuttosto ben studiata della formazione e formazione di scariche di fulmini, nel tempo compaiono nuovi dati sperimentali. Quindi, nel 1989, ne fu scoperto un nuovo tipo: scariche elettriche ad alta quota o sprite. Queste scariche si formano nella ionosfera e colpiscono dall'alto verso il basso, verso nubi temporalesche a una distanza di 40-50 km, ma scompaiono prima di raggiungerle. Un fulmine ancora più strano è stato osservato dagli scienziati della National Taiwan Chen Kun University durante diversi temporali sul Mar Cinese Meridionale nel 2002. Le scariche di elettricità atmosferica non sono state abbattute, ma verso l'alto, dalle nuvole temporalesche agli strati superiori dell'atmosfera. I fulmini ramificati avevano dimensioni gigantesche: gli zigzag luminosi lunghi 80 km salivano di 95 km. Le scariche sono durate meno di un secondo e sono state accompagnate da emissioni radio a bassa frequenza.
domande di prova
Quale fenomeno naturale è chiamato "temporale"?
A causa di quale fenomeno si verifica l'elettrificazione delle nuvole?
Qual è il processo di sviluppo dei fulmini a terra?
Quali sono i metodi fondamentalmente possibili per ottenere elettricità dalle scariche dei fulmini?
Quali dispositivi sono stati proposti per essere utilizzati come parafulmini?
In quali aree del nostro pianeta si osserva la maggior parte dei fulmini?
In quali paesi del mondo inizierà l'uso dell'energia del fulmine?

L'energia del temporale è ancora solo una direzione teorica. L'essenza della tecnica è catturare l'energia del fulmine e reindirizzarla alla rete elettrica. Questa fonte di energia è rinnovabile e si riferisce ad un'alternativa, ad es. sicuro per l'ambiente.

Il processo di formazione dei fulmini è molto complicato. Inizialmente, da una nuvola elettrificata, uno scarico leader si precipita al suolo, formato da valanghe elettroniche che si sono fuse in scariche (streamer). Questa scarica lascia dietro di sé un canale ionizzato caldo, lungo il quale la scarica principale del fulmine si muove in direzione opposta, strappata alla Terra da un potente campo elettrico. In una frazione di secondo, il processo viene ripetuto più volte. Il problema principale è catturare lo scarico e reindirizzarlo alla rete.

Benjamin Franklin era anche alla ricerca dell'elettricità celeste. Durante un temporale, ha lanciato un aquilone in una nuvola e si è reso conto che stava raccogliendo una carica elettrica.

L'energia del fulmine è 5 miliardi di joule di pura energia in un colpo, che è paragonabile a 145 litri di benzina. Si ritiene che 1 fulmine contenga una tale quantità di energia che l'intera popolazione degli Stati Uniti consuma entro 20 minuti.

Ogni anno nel mondo si registrano circa 1,5 miliardi di scarichi, vale a dire I fulmini colpiscono la superficie terrestre circa 40-50 volte al secondo.

Esperimenti

L'11 novembre 2006, Alternative Energy Holdings ha annunciato il suo successo nella creazione di un prototipo in grado di dimostrare la "cattura" dei fulmini e quindi convertirli in elettricità "domestica". La società ha dichiarato che il rimborso dell'attuale equivalente industriale sarà di 4-7 anni a un prezzo al dettaglio di $ 0,005 per 1 kWh. Purtroppo la direzione del progetto, dopo una serie di sperimentazioni pratiche, è stata costretta a denunciare un fallimento. Quindi Martin A. Umani ha confrontato l'energia del fulmine con l'energia di una bomba atomica.

Nel 2013 il personale dell'Università di Southampton ha simulato una carica artificiale in condizioni di laboratorio, simile in tutti i parametri a un fulmine di origine naturale. Grazie a un'attrezzatura relativamente semplice, gli scienziati sono stati in grado di "catturarlo" e in pochi minuti hanno caricato completamente la batteria dello smartphone.

prospettiva

Le fattorie di fulmini sono ancora un sogno. Diventerebbero inesauribili fonti ecologiche di energia a basso costo. Lo sviluppo di quest'area dell'energia è ostacolato da una serie di problemi fondamentali:

• È impossibile prevedere l'ora e il luogo di un temporale. Ciò significa che anche dove è impostato un massimo per i fulmini, è necessario installare un bel po' di "trappole";
• il fulmine è un'esplosione di energia a breve termine, la cui durata è pari a frazioni di secondo, e deve essere padroneggiata molto rapidamente. Per risolvere questo problema occorrono potenti condensatori, che ancora non esistono, e il loro prezzo è verosimilmente molto alto. È inoltre possibile applicare una varietà di sistemi oscillatori con circuiti di 2° e 3° tipo, che consentono di coordinare il carico con la resistenza interna del generatore;
• anche la potenza di scarica è molto diversa. La maggior parte dei fulmini è di 5-20 kA, ma ci sono lampi di 200 kA di corrente e ognuno di essi deve essere portato allo standard di 220 V e 50-60 Hz CA;
• il fulmine è negativo, formato dall'energia accumulata nella parte inferiore della nuvola, e positivo, accumulato nella sua parte superiore. Questo fattore dovrebbe essere preso in considerazione anche quando si attrezza un impianto di fulmini. Inoltre, per catturare una carica positiva, sarà necessaria energia, come dimostra l'esempio del lampadario di Chizhevsky;
• la densità di ioni carichi in 1 metro cubo di atmosfera è bassa, la resistenza dell'aria è alta. Di conseguenza, solo un elettrodo ionizzato, che è al massimo sopra la superficie terrestre, può "catturare" fulmini, ma può catturare solo energia sotto forma di microcorrenti. Se sollevi l'elettrodo troppo vicino alle nuvole elettrificate, questo può provocare fulmini, ad es. ne risulterà un'impennata di tensione a breve termine, ma potente, che porterà a un guasto dell'attrezzatura della fattoria dei fulmini.

Nonostante le ovvie difficoltà, l'idea di creare fattorie di fulmini è viva: l'umanità vuole davvero domare la natura e accedere a enormi riserve di energia rinnovabile.

Chiunque abbia mai letto degli enormi valori di tensioni e correnti nel canale di un fulmine lineare ha pensato: è possibile in qualche modo catturare questi fulmini e trasportarli alle reti energetiche? Per alimentare frigoriferi, lampadine, tostapane e altre lavatrici. Parlare di tali stazioni va avanti da molti anni, ma è possibile che il prossimo anno vedremo finalmente un esempio funzionante di "collettore di fulmini".

Scavando nella letteratura fantasy, probabilmente puoi imbatterti in qualcosa di simile. Sì, e crediamo che siano state fatte molte domande di brevetto su questo argomento. Solo ora la vera incarnazione non si vede.

Ci sono molti problemi qui. Il fulmine, purtroppo, è un fornitore di elettricità troppo inaffidabile. Difficilmente è possibile prevedere in anticipo dove si verificherà un temporale. E aspettarla in un posto è molto tempo. Inoltre, un fulmine è una tensione dell'ordine di centinaia di milioni di volt e una corrente di picco fino a 200 kiloampere (in alcuni fulmini misurati, di solito 5-20 kiloampere).

Per “nutrirsi” di fulmini, ovviamente, la loro energia deve essere accumulata da qualche parte per quei millesimi di secondo che dura la fase principale della scarica (un fulmine, che sembra istantaneo, in realtà è composto da più fasi), e poi lentamente darlo alla rete, trasformandolo contemporaneamente a 220 volt standard e 50 o 60 hertz AC.

Si noti che durante una scarica di fulmini si verifica un processo piuttosto complicato. Innanzitutto, una scarica principale si precipita dalla nuvola al suolo (non consideriamo i fulmini intranube), formata da valanghe di elettroni, che si fondono in scariche, dette anche streamer. Il leader crea un canale ionizzato caldo, attraverso il quale la scarica principale del fulmine, strappata dalla superficie terrestre da un forte campo elettrico, scorre nella direzione opposta.

Ma c'è anche da aggiungere che quei fulmini che corrono tra le nuvole e la terra si dividono in due tipi “a specchio”: alcuni sono causati da scariche negative che si accumulano nella parte inferiore della nube temporalesca, altri sono causati da scariche positive che accumularsi nella sua parte superiore. È vero, il secondo tipo si verifica da 4 (alle medie latitudini) a 17 (ai tropici) volte meno delle scariche del primo tipo (fulmine negativo). Ma questa differenza deve ancora essere presa in considerazione quando si progettano collettori di elettricità celeste.

Sfortunatamente, i sostenitori delle fattorie di fulmini dimenticano di menzionare che centinaia di torri d'acciaio, che potrebbero essere necessarie per raccogliere efficacemente una parte significativa di fulmini durante un temporale in un'area decente, non decoreranno in alcun modo questo stesso territorio (nella foto - solo alcuni alberi d'acciaio, foto di Arek Daniel).

Come puoi vedere, ci sono molti problemi. Vale allora la pena di pasticciare con i fulmini? Se metti una stazione del genere in un'area in cui i fulmini colpiscono molto più spesso del solito, probabilmente avrà un senso. Secondo alcuni rapporti, con un forte temporale, quando i fulmini colpiscono continuamente uno dopo l'altro, può essere rilasciata una tale quantità di energia sufficiente a fornire elettricità a tutti gli Stati Uniti per 20 minuti.

Naturalmente, indipendentemente dal tipo di stazione cattura fulmini che ci viene in mente, la sua efficienza durante la conversione della corrente sarà lontana dal 100% e, a quanto pare, non sarà possibile catturare tutti i fulmini che hanno colpito in prossimità del fattoria dei fulmini.

Ma lo stesso, se i temporali sopra la stazione si verificano almeno una volta alla settimana... Aspetta, ci sono 2.000 temporali che imperversano sul nostro pianeta in un dato momento! Allettante?

Sì. Solo questi temporali sono distribuiti su un'area così ampia che le prospettive di catturare i fulmini "per la coda" diventano immediatamente nebbiose.

D'altra parte, i temporali si verificano in modo molto irregolare sulla Terra. Ad esempio, gli innovatori americani che stanno pensando di collezionare fulmini guardano da tempo verso la Florida: c'è una zona famosa per essere un luogo decisamente scelto dalle frecce celesti.

L'Africa è ancora più fortunata. Proprio l'altro giorno, gli specialisti che lavorano con il satellite americano della missione di misurazione delle precipitazioni tropicali (TRMM) hanno pubblicato un rapporto su uno degli ultimi risultati di questo satellite.

Dopo aver condotto osservazioni a lungo termine, TRMM (per mano di specialisti, ovviamente) ha "compilato" una mappa mondiale della frequenza dei fulmini, colorando l'una o l'altra parte della Terra in base al numero di scariche accecanti che si verificano su ciascuna chilometro quadrato di una data area all'anno.

Come si può vedere dalla figura, c'è un'area piuttosto ampia nella parte centrale del continente africano, dove si verificano più di 70 fulmini per chilometro quadrato all'anno!

La frequenza dei fulmini nel mondo. La scala a destra è graduata in pezzi per chilometro quadrato all'anno, con una media di 11 anni di osservazioni dal satellite TRMM (illustrazione della NASA/MSFC).

È vero, guardando questa mappa, si dovrebbe tenere conto del fatto che ai tropici e più vicino all'equatore, gran parte di tutti i fulmini che si verificano si verificano tra le nuvole o parti diverse di una nuvola, ma a medie latitudini, al contrario , una parte significativa del numero totale di fulmini è costituita da scariche "a terra". Si scopre che non tutto è perduto per la Russia e l'Africa centrale (a causa del considerevole numero totale di fulmini) può contare sul successo nella raccolta di un raccolto così esotico.

Ma finora, sempre più inventori dagli Stati Uniti stanno escogitando progetti del genere.

Ad esempio, la società americana Alternative Energy Holdings, condividendo i suoi piani di sviluppo, riferisce che renderà felice il mondo con una centrale elettrica ecologica che genera corrente a un prezzo ridicolo di $ 0,005 per kilowattora.

Non è indicato come esattamente l'azienda intenda raccogliere l'energia degli scarichi. Si può solo supporre che si tratti di parafulmini dotati di giganteschi set di supercondensatori e convertitori di tensione.

A proposito, in tempi diversi, vari inventori hanno proposto i dispositivi di stoccaggio più insoliti: dai serbatoi sotterranei con metallo che si scioglierebbe da un fulmine che cade in un parafulmine e riscalda l'acqua, il cui vapore farebbe ruotare una turbina, agli elettrolizzatori che decompongono l'acqua in ossigeno e idrogeno da scariche di fulmini. Ma crediamo che almeno un possibile successo risieda in sistemi più semplici.

Tuttavia, vediamo. Alternative Energy Holdings, che è carino, non si limita alle discussioni generali sul futuro luminoso (lontano) dell'energia dei fulmini, ma dichiara che costruirà il primo prototipo funzionante di una tale stazione in grado di accumulare l'energia delle scariche dei fulmini già nel 2007 .

L'azienda intende testare la sua installazione durante la stagione dei temporali (cioè l'estate) del prossimo anno, in uno dei luoghi dove i fulmini camminano più spesso del solito. Allo stesso tempo, gli sviluppatori dell'unità credono ottimisticamente che la centrale elettrica dei fulmini ripagherà in 4-7 anni.

Energia temporalesca- questo è un tipo di energia alternativa, che dovrebbe "catturare" l'energia del fulmine e inviarla alla rete elettrica. Tale fonte è una risorsa infinita che viene costantemente ripristinata. Il fulmine è un processo elettrico complesso che si divide in diversi tipi: negativo e positivo. Il primo tipo di fulmine si accumula nella parte inferiore della nuvola, l'altro, al contrario, viene raccolto nella parte superiore. Per "catturare" e trattenere l'energia del fulmine, è necessario utilizzare condensatori potenti e costosi, nonché una varietà di sistemi oscillatori con circuiti del secondo e terzo tipo. Ciò è necessario per coordinare e distribuire uniformemente il carico con la resistenza esterna del generatore funzionante.

Per il momento, l'energia del temporale è un progetto incompiuto e non completamente formato, anche se è abbastanza promettente. Attraente è la capacità di rigenerare costantemente le risorse. È molto importante quanta potenza proviene da una singola scarica, che contribuisce alla produzione di una quantità sufficiente di energia (circa 5 milioni di joule di energia netta, che equivale a 145 litri di benzina).

Il processo di creazione di un fulmine

Il processo di creazione di una scarica di fulmini è molto complesso e tecnico. Innanzitutto, una scarica di leader viene inviata dalla nuvola al suolo, che è formato da valanghe elettroniche. Queste valanghe sono combinate in scarichi, che sono chiamati "streamer". La scarica principale crea un canale ionizzato caldo, attraverso il quale la scarica principale del fulmine si muove nella direzione opposta, che fuoriesce dalla superficie del nostro pianeta dall'impulso di un forte campo elettrico. Tali manipolazioni sistemiche possono essere ripetute più volte di seguito, anche se ci può sembrare che siano passati solo pochi secondi. Pertanto, il processo di "catturare" i fulmini, convertire la sua energia in corrente e il successivo accumulo è così complicato.

Questioni

Ci sono i seguenti aspetti e svantaggi dell'energia del fulmine:

• L'inaffidabilità della fonte di energia. A causa del fatto che è impossibile prevedere dove e quando si verificheranno i fulmini, potrebbero esserci problemi con la creazione e la ricezione di energia. La variabilità di un tale fenomeno influisce in modo significativo sul significato dell'intera idea.
• Bassa durata della scarica. Una scarica di fulmini si verifica e dura per alcuni secondi, quindi è molto importante reagire rapidamente e "catturarla".
• La necessità di utilizzare condensatori e sistemi oscillatori. Senza l'uso di questi dispositivi e sistemi, è impossibile ricevere e trasformare completamente l'energia di un temporale.
• Problemi collaterali con le accuse di "cattura". A causa della bassa densità di ioni carichi, viene creata un'elevata resistenza all'aria. Puoi "catturare" i fulmini usando un elettrodo ionizzato, che deve essere sollevato il più possibile da terra (può "catturare" energia esclusivamente sotto forma di microcorrenti). Se alzi l'elettrodo troppo vicino alle nuvole elettrificate, ciò provocherà la creazione di fulmini. Una carica così a breve termine, ma potente, può portare a guasti numerici di una centrale elettrica a fulmini.
• Costo costoso dell'intero sistema e delle apparecchiature. L'energia del temporale attraverso la sua struttura specifica e la costante mutevolezza implica l'uso di una varietà di apparecchiature, che è molto costosa.
• Conversione e distribuzione di corrente. A causa della variabilità della potenza delle cariche, possono sorgere problemi con la loro distribuzione. La potenza media del fulmine va da 5 a 20 kA, tuttavia ci sono lampi con una corrente fino a 200 kA. Qualsiasi carica deve essere distribuita a una potenza nominale inferiore di 220 V o 50-60 Hz CA.

Esperimenti con l'installazione di centrali elettriche antifulmine

L'11 ottobre 2006 è stato annunciato il progetto di successo di un prototipo di centrale elettrica per fulmini, in grado di "catturare" i fulmini e convertirli in energia pulita. Alternative Energy Holdings potrebbe vantare tali risultati. Il produttore innovativo ha osservato che un tale impianto potrebbe risolvere diversi problemi ambientali, oltre a ridurre significativamente i costi di produzione dell'energia. L'azienda afferma che un tale sistema ripagherà in 4-7 anni e che i "fattori di fulmini" saranno in grado di produrre e vendere elettricità, che differisce dal costo delle fonti energetiche tradizionali ($ 0,005 per kW/anno).

I dipendenti dell'Università di Saungthampt nel 2013 in laboratorio hanno simulato una carica di fulmine artificiale, che è identica nelle sue proprietà a un fulmine di origine naturale. Utilizzando un'attrezzatura semplice, gli scienziati sono stati in grado di "catturare" la carica e usarla per caricare la batteria di un telefono cellulare.

Studi sull'attività dei fulmini, mappe della frequenza dei fulmini

Gli specialisti della NASA che lavorano con il satellite Tropical Storm Measurement Mission hanno condotto studi nel 2006 sull'attività dei temporali in diverse parti del nostro pianeta. Successivamente sono stati annunciati i dati sulla frequenza del verificarsi di fulmini e la creazione di una mappa corrispondente. Tali studi hanno riportato che ci sono alcune regioni in cui si verificano fino a 70 fulmini durante l'anno (per km quadrato di area).

Un temporale è un complesso processo atmosferico elettrostatico accompagnato da fulmini e tuoni. L'energia temporalesca è un'energia alternativa promettente che può aiutare l'umanità a liberarsi dalla crisi energetica e fornirle risorse costantemente rinnovabili. Nonostante tutti i vantaggi di questo tipo di energia, sono molti gli aspetti e i fattori che non consentono di produrre, utilizzare e immagazzinare attivamente energia elettrica di questa origine.

Ora scienziati di tutto il mondo stanno studiando questo complesso processo e sviluppando piani e progetti per eliminare i problemi correlati. Forse, nel tempo, l'umanità sarà in grado di domare l'energia "ostinata" del fulmine ed elaborarla nel prossimo futuro.