Устройство использования электрической энергии молнии

«Молния – как форма газового разряда. Грандиозной формой газового искрового разряда является молния. Молния представляет собой лидерный разряд, при котором в качестве электродов разрядной системы выступают заряженное облако и Земля или два заряженных облака. Для образования молнии, как и осуществления любого разрядного процесса, необходимо наличие электрического поля. Электрическое поле в атмосфере Земли возникает в результате образования и пространственного разделения положительных и отрицательных зарядов за счет восходящих и нисходящих потоков в воздухе. Если поле между облаками или между облаком и землей достигает значения, достаточного для пробоя воздуха, происходит разряд. При хорошей погоде напряженность электрического поля у поверхности Земли в среднем составляет 100-150 В/м. Поверхность Земли заряжена отрицательно, а ионосферы – положительно. Значения удельного сопротивления воздуха у поверхности океана находятся в пределах – 10¹³-10¹⁴ Ом·м, поэтому плотность тока в атмосфере достаточно мала – 3·10^-12 А/м².

Электризация в грозовом облаке. Первая научная гипотеза образования грозового облака была сформулирована М.В. Ломоносовым в далеком 1753 г. Согласно этой теории, которая актуальна и по сей день, грозовое облако образуется в процессе быстрого перемещения воздуха в вертикальном направлении и конденсации содержащейся в нем влаги при его охлаждении. Содержащиеся в облаке капли воды поляризуются в электрическом поле Земли и представляют собой диполи. Так как электрическое поле направлено к Земле, то на нижних частях капель накапливается положительный, а на верхних отрицательный заряд. При падении тяжелых капель положительные ионы воздуха отталкиваются, а отрицательные ионы захватываются такими каплями. Поэтому капли оказываются заряженными отрицательно. Мелкие капли, увлекаемые восходящим потоком, наоборот, заряжаются положительно. В результате нижняя часть облака оказывается заряженной отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому грозовое облако можно представить в виде большого диполя с зарядом, в среднем равном примерно 25 Кл. Измерения показали, что центр положительного заряда грозового облака находится на высоте 2-3 км, где температура составляет от 0 до –20 °С.

Грозовой разряд. Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы напряженность электрического поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на сантиметр. В зависимости от того, где возникает указанная напряженность, различают два вида молнии – нисходящая и восходящая. Если напряженность имеет место внутри облака, то возникает внутриоблачный разряд или разряд на Землю – нисходящая молния. Если напряженность поля сильно искажается у поверхности Земли, например высокими башнями или антеннами, то возникает молния, развивающаяся от Земли к облаку – восходящая молния. Световая вспышка молнии длится в среднем 200 мс. Она состоит из нескольких импульсов по 10 мс с интервалами примерно по 40 мс. Каждый импульс начинается с прорастания от облака к Земле лидерного канала.

Светится канал слабо, за исключением головной части. Лидер переносит отрицательный заряд (из отрицательного облака), при этом течет ток порядка 100 А. По мере приближения к Земле, канал начинает разветвляться, пути ветвей имеют зигзагообразную форму. Когда основной лидер достигает Земли, по его пути с огромной скоростью порядка 0,1 – 0,3 скорости света распространяется ярко светящийся канал – обратная волна. Это явление называется возвратным ударом или главной стадией молнии. Ток молнии при этом может достигать максимальной величины порядка 200 кА. Именно с этим током связаны опасные воздействия молнии, вызывающие перенапряжения в линиях электропередач» [1, с. 22-23].

Важнейшим фактором формирования молнии является сопротивление среды между электродами (облако – земля), которая, как правило, – диэлектрик с изменяющейся проводимостью, зависящей от влажности воздуха.

Проблема получения электроэнергии из разряда молнии поднималась неоднократно, но мгновенность разряда не давала возможности сохранить такую большую мощность. Поэтому возникает идея создания первичного магнитного поля с помощью катушек индуктивности.

Магнитное поле значительно более инертно, чем разряд молнии. В то же время разряд молнии способен создать достаточно мощный магнитный поток в катушках индуктивности и задержать его на более длительный период времени, для дальнейшего преобразования в электрическую энергию и хранения её в аккумуляторах или конденсаторах. В данной статье предлагается возможная конструкция устройства использования электрической энергии молнии, рисунок 1 [2].

Рис. 1. Возможное устройство использования электроэнергии молнии

Предлагаемая конструкция может эксплуатироваться в районах, где часто бывают грозы, а также на полюсах Земли, источниками энергии которых является близость электрических зарядов солнечного излучения, благодаря слабым силовым линиям магнитного поля Земли.

Решение технической задачи достигается следующей конструкцией. Устройство использования электрической энергии молнии и ионизированного воздуха имеет вертикальный разветвлённый молниеприёмник (1), заземлённый токоотводящими шинами (2), переходящими в форму соленоидов – первичных обмоток, внутри которых располагаются медные катушки индуктивности – вторичные обмотки для съёма электрической энергии посредством магнитной индукции. Вторичные обмотки электрически связаны с выпрямительными элементами (3) электрической цепи и накопителями (4). Система из первичных и вторичных обмоток замкнута магнитопроводом из сердечника и металлического кожуха и представляет собой броневой понижающий трансформатор.

На рисунке 1 данная схема устройства представлена на два плеча, в узел молниеприёмника (А) может включаться несколько таких плеч. Плечом называется заземлённая ветвь системы предлагаемого устройства, соединённое с общим узлом молниеприёмника.

Общий вид устройства представлен в 3D модели на рисунке 2.

Рис. 2. Общий вид устройства на четыре плеча

Молниеприёмник может быть выполнен в виде разветвлённого стержня (системы стержней, также имеющих токопроводящие тросы, натянутые между ними) из стали или углепластика (карбона), имеющего малый вес, высокую прочность и электрическую проводимость.

Токоотводящая заземлённая стальная шина может выполняться в виде соленоида с размещением в ней медной вторичной катушки индуктивности для съёма электрической энергии, либо соединяться с броневым трансформатором заводского исполнения.

Устройство использования электрической энергии молнии работает следующим образом. Во время грозы разряд молнии ударяет в заземлённый молниеприёмник, при этом по нему и токоотводящим заземлённым шинам протекает изменяющийся с течением времени постоянный электрический ток, возбуждая магнитным потоком ЭДС взаимоиндукции в катушках индуктивности, электрически связанных с выпрямительными элементами для накопления полученной электрической энергии в накопителях.

Предварительные исследования были проведены с устройством высокого напряжения в целях изучения возможности использования энергии разряда для её накопления, и дали обнадёживающие результаты, опубликованные в статье «Исследование формы и параметров электрического поля высокого напряжения между электродами различной формы» [2].

Дальнейшие исследования характеристик электрического разряда сформировались в работу «Исследование параметров заряда конденсатора током индуктивности при высоковольтном разряде» [3]. Предлагаемое конструктивное решение требует инженерной доработки для её реализации.