雷のエネルギーをキャッチします。雷を捕まえてそのエネルギーを利用することはできるのでしょうか？雷からエネルギーを蓄積する方法

9年生のミハイル・アルタモノフ、ドミトリー・デニソフ、ディアナ・ラツァ

人類は、水力発電所を建設することで水エネルギーを、風力発電所を建設することで風力エネルギーを、さらには原子力発電所を建設することで原子力エネルギーを利用することを学びました。現在、太陽光パネルに蓄えた太陽エネルギーが積極的に利用されています。

将来、人類は代替エネルギー源を探すでしょう。地球の天然資源は遅かれ早かれ枯渇し、新しいエネルギー源の開発が必要になります。おそらく人類は雷のエネルギーを使うことを学ぶでしょう。雷には大量の電流と大量の電圧が含まれています。

このプロジェクトでは、雷エネルギーを変換するための可能なオプションを理論的に説明しようとしました。このテーマに関する研究開発は米国で進行中です。この仕事のテーマは現在および将来に関連します。

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プレビュー:

国際青少年科学会議

「XXXIX ガガーリン朗読」MBOU「ズボヴォ・ポリャンスカヤ中等学校第 1」

雷のエネルギーを利用する。

プロジェクト

(科学的および技術的方向性)

出演者：9年生

アルタモノフ・ミハイル、デニソフ・ドミトリー、ラツァ・ディアナ

校長: 物理教師ニコライ・グリゴリエヴィッチ・ヴェルキン

n. ショック

2013年

1. はじめに

2. 理論部分

2.1. 雷研究の歴史 4

2.2. 雷の形成とその種類。 5

3. 実践編

3.1. 計算_7

3.2. 設置の動作原理 8

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代替エネルギー源。雷発電所

導入

1.2 エネルギー開発の問題点

2.1 代替エネルギー源の開発

3. 稲妻のある発電所

3.1 雷発電所

導入

長年の研究により、さまざまな種類の有機エネルギー源の埋蔵量は無限ではないことがわかっています。消費量に応じて毎年大量に枯渇します。これらの発見は、新しいエネルギー源の探索において多くの疑問を引き起こしました。一方、すべてのエネルギー源は 2 つの主要なカテゴリに分類されます。エネルギー生成用の既存の燃料はすべて、主に 2 つのタイプに分類されます。

再生可能。

再生不可能。

この点において、新しい鉱床と新しいタイプの燃料の探索は、現在、全世界と個々の重要な施設にエネルギーを供給する上で主導的な役割を果たしています。しかし、新たな鉱床も枯渇しつつあり、風力や太陽エネルギーなどの代替エネルギー源は好条件下でのみ利用されており、設備や運用に多大なコストが必要です。これは、動作中の不安定性が高く、パフォーマンス指標が変化するためです。

代替エネルギーの大きな利点は、受信および生成されるエネルギーの「純度」です。結局のところ、それは波、潮汐、地球の厚さなどの自然源から抽出されます。すべての自然現象とプロセスはエネルギーで飽和しています。人類の使命は、それを除去し、電気に変えることです。テラワット単位でエネルギーが供給されると地球に何が起こるかという問題は、まだ気に留めていません。したがって、課題は明確であると言えます。これらの産業を発展させることがまだ残っています。

1. 古典的なエネルギー源

地球資源の採掘は終わりに近づいています。結局のところ、ほとんどすべての有機燃料源は再生が非常に遅いか、まったく再生しません。同時に、人類は、消費された資源を摂取するだけで、補充しないことに慣れています。したがって、地球のエネルギー枯渇の問題は、路上に紙を投げたり、火を消したりしない場合に指を振るだけの一般大衆やさまざまな環境保護団体を除いて、世界を特に心配していません。したがって、現在まで、エネルギー企業は新しい鉱床を探すことによってのみ問題を解決しています。しかし、ご存知のとおり、新たに開発された鉱床は何も変わらないか、むしろ環境状況をさらに悪化させます。

新しい資源の探索は一定のペースで進んでいると言えます。エネルギー要素が成長し、エネルギー生産のために新しい資源が採掘されています。結局のところ、それらは比較的短い時間しか持続しません。

エネルギーは、エネルギーの使用と変換において第一に考えられます。国家の経済的可能性と人々の幸福は決定的に依存します。また、環境、地球資源の枯渇、国家経済にも最も強い影響を与えます。エネルギー消費量は今後も止まらず、さらに増加することは明らかです。その結果、次のような疑問が生じます。

現代の主な種類（熱、水、原子力）エネルギーは生物圏とその個々の要素にどのような影響を及ぼし、エネルギーバランスにおけるこれらの種類の比率は短期および長期的にどのように変化するか。

現代の（伝統的な）エネルギーの入手方法と使用方法が環境に及ぼす悪影響を軽減することは可能でしょうか。

太陽エネルギー、風力エネルギー、熱水、その他の無尽蔵で環境に優しい資源などの代替（非伝統的）資源を使用したエネルギー生産の可能性は何でしょうか。

この一連の質問は人間の活動のあらゆる領域をカバーします。現時点では、経済と環境問題の課題は設定されていると言えるでしょう。行動の時間です。

1.1 古典的エネルギー源の種類

自然界に存在するすべての種類のエネルギー燃料は、固体、液体、気体に分類されます。加熱装置では、冷却剤を加熱するために電流の熱効果も利用されます。いくつかの燃料グループは 2 つのサブグループに分けられ、そのうちの 1 つのサブグループは抽出されたままの燃料であり、この燃料は天然燃料と呼ばれます。 2 番目のサブグループは、天然燃料を処理または濃縮することによって得られる燃料です。それは人工燃料と呼ばれます。

固体燃料には次のようなものがあります。

a) 天然固体燃料 - 薪、石炭、無煙炭、泥炭;

b) 人工固体燃料 - 木炭、コークス、および石炭を粉砕して得られる粉砕燃料。

液体燃料には次のようなものがあります。

a) 天然液体燃料 - 石油;

b) 人工液体燃料 - ガソリン、灯油、ディーゼル燃料 (ディーゼル燃料)、重油、タール。

気体燃料には以下が含まれます。

a) 天然ガス燃料 - 天然ガス。

b) 人工ガス燃料 - さまざまな種類の固体燃料 (泥炭、薪、石炭など)、コークス、高炉、照明ガス、随伴ガス、その他のガスのガス化から得られる発電機ガス。

すべての種類の有機天然燃料は同じ化学元素で構成されています。燃料の種類の違いは、これらの化学元素が燃料に含まれる量が異なることです。

燃料を構成する元素は 2 つのグループに分けられます。

グループ 1: これらは、それ自体が燃焼するか、燃焼を促進する元素です。このような燃料要素には、炭素、水素、酸素が含まれる。

グループ 2: これらは、それ自体は燃焼せず、燃焼にも寄与しない元素ですが、燃料の一部です。これらには窒素と水が含まれます。

硫黄はこれらの元素の中で特別な位置を占めています。硫黄は可燃性物質であり、燃焼するとある程度の熱を放出しますが、硫黄が燃焼すると二酸化硫黄が放出され、加熱された金属に入り込みその機械的特性を悪化させるため、燃料中に硫黄が存在することは望ましくありません。

燃料が燃焼したときに放出される熱エネルギーの量はカロリーで測定されます。各燃料は、燃焼時に発生する熱量が異なります。固体燃料または液体燃料1kgが完全燃焼するとき、または気体燃料1m3が燃焼するときに放出される熱量（カロリー）を燃料の発熱量または燃料の発熱量といいます。さまざまな種類の燃料の発熱量には大きな限界があります。たとえば、重油の発熱量は約 10,000 kcal/kg、石炭の場合は 3,000 ～ 7,000 kcal/kg です。燃料の発熱量が高いほど、同じ量の熱を生成するのに必要な燃料の量が少なくなるため、燃料の価値が高くなります。燃料の熱量を比較したり、特定の燃料の消費量を計算したりするには、共通の測定単位または燃料規格が使用されます。このようなユニットとして使用される燃料は、発熱量 7000 kcal/kg のモスクワ石炭です。この単位を標準燃料といいます。異なる発熱量の燃料消費量を計算して比較するには、燃料の発熱量を知る必要があります。例えば、設計時に石炭の消費量と重油の消費量を比較したり、石炭や重油のボイラーハウスの建設可能性を比較する必要がある場合には、燃料の発熱量の補正係数を考慮する必要があります。

地球上に多種多様な資源があることは明らかですが、世界の構図はそれほど変わりません。

1.3 エネルギー開発の問題点

産業社会の発展は、さまざまなエネルギーの生産と消費が絶え間なく増加することを基盤としています。

知られているように、熱エネルギーと電気エネルギーの生産の基礎は、前述したように、化石エネルギー資源（石炭、石油、ガス）の燃焼プロセスであり、原子力エネルギーの場合は、ウランおよびプルトニウム原子の核分裂です。中性子の吸収。

エネルギー資源、金属、水、空気の採掘、加工、消費は人類の多大な需要に応じて増加している一方で、その埋蔵量は急速に減少しています。地球上の再生不可能な有機資源の問題は特に深刻です。

たとえエネルギー消費の伸びが鈍化する可能性があるとしても、有機化石資源は近い将来に大部分が消費されるであろうことを推測するのは難しくありません。

また、硫黄含有量が約 2.5% の化石石炭や石油を燃やすと、年間最大 4 億トンの二酸化硫黄と窒素酸化物が生成され、これは地球の住民一人当たり 70 kg の有害物質に相当します。一年あたりの地球。

したがって、消費量を削減し、鉱物資源を節約しても、エネルギーの大惨事を回避することはできません。近い将来、地球が居住不可能にならなければ、エネルギー資源の重要な需要は満たされるでしょう。

解決策は、無限のエネルギー源または再生可能エネルギー源の探索と導入にあります。廃棄物と、大量の有害かつ致死性の物質や重金属の大気中への排出との戦いは非常に重要です。

すでに知られているように、化石燃料の燃焼は環境に有害です。現在、大気中への燃焼生成物の排出を浄化するシステムおよび装置が開発されている。デバイスには次のようなものがあります。

ベンチュリノズルのフィルター。

金属ラビリンスフィルター。

不織布素材で作られた繊維合成容積フィルター。

既存の洗浄方法には次のようなものがあります。

吸着方式。

熱アフターバーニング方式。

熱触媒法。

当然のことながら、そのような資金は高価です。さらに、システムの保守には高度な資格を持つ人材が必要です。

2. 代替エネルギー源

代替エネルギー源 (AES) は、現在、化石燃料からの電力生産に関して最も重要なソリューションです。代替エネルギーは、当初は環境に優しいコンポーネントの変換に基づいており、これによりエネルギー生産の害が劇的に軽減されます。これらにはエネルギーが含まれます。

満潮と満潮。

海の波;

惑星の内部熱など

代替エネルギー源への迅速な移行の重要性を示す主な理由は次のとおりです。

地球生態学: 今日、伝統的なエネルギー生産技術 (原子力や熱核を含む) が環境に悪影響を与えるという事実はよく知られており、証明されており、その使用は 21 世紀の最初の数十年間にすでに壊滅的な気候変動を引き起こすことは避けられません。

経済的: エネルギー部門における代替技術への移行により、化学産業やその他の産業で処理するための国の燃料資源が保存されます。さらに、多くの代替電源によって生成されるエネルギーのコストは、従来の電源からのエネルギーのコストよりも既に低くなり、代替発電所の建設の回収期間ははるかに短くなります。代替エネルギーの価格は低下している一方、従来のエネルギーの価格は上昇し続けています。

社会: 人口の規模と密度は常に増加しています。同時に、エネルギー生産が収益性が高く、環境にとって安全な原子力発電所や州地区発電所の建設地域を見つけることは困難です。原子力発電所、大規模な州地区発電所、燃料・エネルギー複合施設の企業が立地する地域でガンやその他の重篤な病気が増加しているという事実はよく知られており、巨大な低地水力発電所によってもたらされる被害はよく知られている。知られているように、これらすべてが社会的緊張を高めます。

それにもかかわらず、AES への移行は順調に進んでいます。多くのエネルギー源が特定の地域に設置されており、その有効性は好ましい条件、時間、データに依存します。新しい製品は常に確立された製品よりもはるかに高価です。したがって、導入と運用にはかなりの費用がかかります。しかし、世界中で、住宅の建物の屋根に風力タービンやソーラーパネルが設置されているのはすでにかなり一般的になっています。つまり、AES は大規模な適用に達しており、間もなく建設により料金が大幅に削減されることを意味します。石油、ガス、石炭などの鉱物を採掘することで存続している大企業や中小企業のことを忘れないでください。彼らは地球の生態系を救うために鉱物の採掘をやめることはなさそうです。したがって、国民を安心させるために、「汚れた」生産のためにさまざまなタイプの洗浄および濾過システムが購入されています。しかし、これらはほとんどの場合、数社の企業と新聞やインターネットの記事にすぎません。

2.1 代替エネルギー源の開発

AES の主な利点は、無害なエネルギーが生成されることです。これは、再生可能エネルギー源への移行が世界のエネルギーと環境の状況を変える可能性があることを意味します。再生可能エネルギー源の助けを借りて得られるエネルギーは無料です。

このカテゴリーのエネルギー生産の導入が遅いことの最も明白な欠点は、資金不足と運用の混乱です。これは、その実装と生産が依然として非常に高価なプロセスであるという事実によるものです。多くの組織にとって新しさと認識の欠如も重要です。多くの製造業者は、再生可能資源に基づいた高価で「気まぐれな」エネルギー生産システムよりも、その信頼性とフル稼働への準備の良さから、健康や環境に有害で危険な発電所を好みます。

停電は大きなデメリットです。たとえば、太陽エネルギーの生産は日中のみ可能です。したがって、ほとんどの場合、代替エネルギー源とともに、エネルギー資源を補うために同じ有害な産業が導入されます。この場合、余分に獲得したエネルギーはバッテリーに蓄えられます。

AES は現在、重要な開発と実装の段階にあります。多くの国がすでにそれらに切り替えており、大量のエネルギーを生産しています。多くの州は、その領土上の理由から、AES を積極的に使用しています。

2014 年の中国の風力タービンの総設置容量は 114,763 MW でした。なぜ政府は風力エネルギーの開発にこれほど積極的になったのでしょうか？中国は二酸化炭素排出量のリーダーであり、主に地熱、風力、太陽エネルギーを利用することが計画されています。州の計画によると、２０２０年までに国内７地域に総出力１２０ギガワットの巨大風力発電所が建設される予定だ。

米国では代替エネルギーの開発が盛んに行われている。たとえば、2014 年の米国の風力発電機の総容量は 65,879 MW でした。米国は、地熱エネルギーの開発、つまり地球の核と地殻の間の温度差を利用してエネルギーを生産する方向における世界のリーダーです。高温の地熱資源を利用する方法の一つに、米国エネルギー省が投資を行っているEGS（先進地熱システム）があります。これらは研究センターやベンチャーキャピタル企業 (特に Google) からも支援されていますが、これまでのところ、UGS は商業的に競争力がありません。

ドイツ、日本、インドなど、AES の多大な影響力に基づいた国を強調表示することもできます。

3. 稲妻のある発電所

雷雲からのエネルギーを利用した最初の企業の 1 つは、アメリカの企業 Alternative Energy Holdings です。彼女は、雷雲の放電から生じるフリーエネルギーを収集してリサイクルすることで利用する方法を提案しました。この実験設備は 2007 年に開始され、「避雷器」と呼ばれていました。雷雨現象の開発と研究には膨大なエネルギーが蓄積されており、米国の企業はそれを電力源として利用することを提案している。

3.1 雷発電所

雷発電所は本質的に、雷エネルギーを電気に変換する古典的な発電所です。現在、雷発電の研究が盛んに行われており、おそらく近い将来、クリーンエネルギーに基づく他の発電所とともに、雷発電所も大量に出現することになるでしょう。

3.1.1 雷サージの発生源としての雷

雷雨は、雲の中に大量に蓄積する放電です。雷雲の中の気流により、プラスとマイナスの電荷が蓄積して分離しますが、このトピックに関する疑問はまだ研究中です。

雲内での電荷の形成に関する一般的な仮定の 1 つは、この物理プロセスが地球の一定の電場で発生するという事実によるものであり、これは M.V. ロモノーソフが実験中に発見したものです。

米。 3.1. 雷雨の発達の視覚的な図

私たちの惑星は常にマイナスに帯電しており、地表付近の電界強度は約100V/mです。それは地球の電荷によって決定され、一年の時間や一日にはほとんど依存せず、地球表面のどの地点でもほぼ同じです。地球の周囲の空気には、地球の電場の方向に移動する自由電荷があります。地表近くの空気 1 立方センチメートルには、正と負に帯電した粒子が約 600 対含まれています。地表から離れるにつれて、空気中の荷電粒子の密度は増加します。地球近くの空気の導電率は低いですが、地表から80kmの距離では30億倍に増加し、淡水の導電率に達します。

したがって、地球と周囲の大気は、電気的特性の観点から、巨大な寸法の球形コンデンサとして表すことができます。そのプレートは地球と、地球の表面から80 kmの距離にある空気の導電層です。。これらのプレート間の絶縁層は、厚さ 80 km の低電気伝導性の空気層です。このようなコンデンサのプレート間の電圧は約200 kVで、この電圧の影響下で流れる電流は1.4 kAです。コンデンサの電力は約 300 MW です。このコンデンサの電場では雷雲が形成され、地表から1～8kmの範囲で雷雨現象が発生します。

雷は、電荷を運ぶものとして、他の AES と比較して電気に最も近い源です。雲に蓄積された電荷は、地球の表面に対して数百万ボルトの電位を持っています。雷電流の方向は、雲が負に帯電している場合には地面から雲へ向かう場合 (90% の場合)、雲から地面への方向 (場合の 10%) のいずれかになります。雷放電の継続時間は平均0.2秒、まれに最大1...1.5秒、パルスの先端の継続時間は3〜20μs、電流は最大100kA、数千アンペアです。チャンネル内の温度が20,000℃に達すると、強力な磁場と電波が発生します。雷は、砂嵐、吹雪、火山の噴火の際にも発生することがあります。

代替エネルギー雷発電所

3.1.2 雷発電所の動作原理

他の発電所と同じプロセス、つまりソースエネルギーを電気に変換することに基づいています。基本的に、雷には同じ電気が含まれており、何も変換する必要はありません。ただし、「標準的な」雷放電の上記のパラメータは非常に大きいため、この電気がネットワークに入ると、すべての機器がほんの数秒で燃え尽きてしまいます。したがって、強力なコンデンサ、変圧器、さまざまな種類のコンバータがシステムに導入され、このエネルギーを電気ネットワークや機器の必要な使用条件に合わせて調整します。

3.1.3 雷発電所の長所と短所

雷発電所の利点:

地球 - 電離層のスーパーキャパシタは、太陽と地殻の放射性元素といった再生可能エネルギー源を使用して常に充電されています。

雷発電所は環境に汚染物質を放出しません。

避雷所の設備は目立ったものではありません。風船は高すぎて肉眼では見えません。これを行うには、望遠鏡または双眼鏡が必要です。

雷発電所は、ボールが空中に保持されている場合、継続的にエネルギーを生成することができます。

雷発電所のデメリット:

太陽光や風力エネルギーと同様に、雷の電気は貯蔵することが困難です。

雷発電所システムの高電圧は、操作員にとって危険な場合があります。

大気中から得られる電気の総量には限界があります。

せいぜい、雷エネルギーは他のエネルギー源をわずかに補完するものとしてのみ機能します。

したがって、雷エネルギーは現在、非常に信頼性が低く、脆弱です。ただし、AES への切り替えを優先してその重要性が低下するわけではありません。地球の一部の地域は、雷雨現象の研究を大幅に進め、そこから必要な電力を得ることができる好ましい条件で飽和しています。

3.2 雷発電所の計算

雷発電所の計算は、主に出力電力を決定するように設計されています。結局のところ、発電所の課題は、エネルギー効率を最大化して、発電コストだけでなく、運転コストや設置コストを回収することです。出力エネルギーの量が多ければ多いほど、より多くの収入がもたらされ、より多くの物体がサービスを受けることになります。雷発電所の入力エネルギーの基礎は雷放電であるため、その構成が出力電気エネルギーと類似しているため、発電所の電力の計算は雷の電力とほぼ同等になります。ただし、内部損失は除きます。

発電所の出力は設置場所、設備効率などのパラメータに影響されます。

雷電流パルス i(t) の形状は次の式で表されます。

ここで、I は最大電流です。 k - 補正係数。 t - 時間。 - フロント時定数; - 減衰時定数。

この式に含まれるパラメータを表に示します。 3.1. これらは最も強力な雷放電に相当しますが、まれです (ケースの 5% 未満)。 200 kA の電流は 0.7 ～ 1% のケースで発生し、20 kA - 50% のケースで発生します。

表3.1。式(3.1)のパラメータ。

パラメータ

最初のケースでは、パルス形状の結果は次のようになります。

したがって、雷の形は次のようになります。

米。 3.2. 電流パルス形状グラフ

これらすべてにより、雷電位の最大差は5,000万ボルトに達し、電流は最大10万アンペアになります。雷のエネルギーを計算するには、ほとんどの雷の平均値、つまり電圧 2,500 万ボルト、電流 10,000 アンペアに近い数値を使用してみましょう。

雷放電中、電位はゼロまで低下します。したがって、雷放電の平均電力を正確に決定するには、初期電圧の半分を計算に含める必要があります。

これで、次のような放電電力が得られます。

ここで、P は雷放電電力、U は電圧です。 I - 現在の強さ。

つまり、(3.2) によれば、次のようになります。

これは、雷の放電の電力が1億2,500万キロワットであることを意味します。数千分の 1 秒の時間を考慮して、雷のエネルギーの総量を求めます。

Wh=34.722kWh、

ここで、t1 は 1 時間の秒数です。 t2 は雷放電の継続時間です。

電気エネルギーの平均価格を 1 kWh あたり 4 ルーブルと考えてみましょう。その場合、すべての雷エネルギーのコストは138.88ルーブルになります。

実際には、これらの計算に従って取得して使用できるのは、たとえば水の加熱など、エネルギーのほんの一部だけです。雷エネルギーの大部分は、火花放電中に大気を加熱するために費やされ、理論上でも、消費者が使用できる雷エネルギーはより少ない部分です。

コースプロジェクトに取り組む過程で、地球資源の枯渇と、その処理と抽出の過程での大気と地表の汚染について結論が出されました。さらに、水、潮流、太陽などのきれいな自然源からエネルギーを生成することにより、有害な生産をより穏やかな生産に置き換える主なタイプが検討されています。

このコースプロジェクトでは、雷放電のエネルギーを電気に変換するために使用する可能性を検討します。雷の放電の量とコストについて計算が行われています。ただし、これらの計算は相対的なものです。結局のところ、雷のエネルギーは大気プロセスに費やされ、発電所に到達するのはほんの一部だけです。

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雷エネルギーはまだ理論上の方向性にすぎません。この技術の本質は、雷エネルギーを捕らえて電力網にリダイレクトすることです。このエネルギー源は再生可能であり、代替として分類されます。環境にやさしい。

雷の形成プロセスは非常に複雑です。最初に、帯電した雲から、先頭の放電が地面に突入します。これは、放電 (ストリーマ) に合流した電子なだれによって形成されました。この放電は高温のイオン化チャネルを残し、それに沿って強力な電場によって地球から引き裂かれた主な雷放電が反対方向に移動します。ほんの一瞬のうちに、このプロセスが数回繰り返されます。主な問題は、放電を捕捉してネットワークにリダイレクトすることです。

ベンジャミン・フランクリンも天の電気を探していました。雷雨の中、彼は凧を雲に投げ上げ、それが電荷を集めていることに気づきました。

雷のエネルギーは、1 回の攻撃で 50 億ジュールの純粋なエネルギーとなり、これは 145 リットルのガソリンに相当します。 1本の稲妻には、米国全人口が20分以内に消費するエネルギー量が含まれていると考えられています。

毎年、世界中で約 15 億件の放出が記録されています。雷は毎秒約 40 ～ 50 回地球の表面に衝突します。

実験

2006 年 11 月 11 日、オルタナティブエナジーホールディングスは、雷を「捕捉」し、それを「家庭用」電力に変換することを実証できるプロトタイプ設計の作成に成功したと発表しました。同社は、現行の工業用アナログ製品の回収期間は、小売価格 1 kWh あたり 0.005 ドルで 4 ～ 7 年になると述べています。残念なことに、一連の実践的な実験の後、プロジェクト管理者は失敗を報告せざるを得なくなりました。次に、マーティン・A・ウマニは、雷のエネルギーと原子爆弾のエネルギーを比較しました。

2013 年、サウサンプトン大学のスタッフは、あらゆる点で自然雷と同様の人工充電を実験室環境でシミュレートしました。比較的シンプルな装置のおかげで、科学者たちはそれを「捕らえ」、わずか数分でスマートフォンのバッテリーを完全に充電することができました。

視点

稲妻農場はまだ夢です。それらは環境に優しい、非常に安価な無尽蔵のエネルギー源となるでしょう。このエネルギー分野の開発は、次のような多くの根本的な問題によって妨げられています。

雷雨が発生する時間と場所を予測することは不可能です。これは、落雷の最大値が設定されている場合でも、かなり多くの「トラップ」を設置する必要があることを意味します。
稲妻は短時間のエネルギーの爆発であり、持続時間は数分の一であるため、非常に早く習得する必要があります。この問題を解決するには、まだ存在していない非常に強力なコンデンサが必要ですが、その価格は非常に高くなる可能性があります。また、第 2 種および第 3 種の回路を備えたさまざまな振動システムを使用することもできます。これにより、負荷と発電機の内部抵抗を一致させることができます。
放電のパワーも大きく異なります。ほとんどの雷は 5 ～ 20 kA ですが、電流強度が 200 kA の閃光もあり、それぞれの雷は 220 V および 50 ～ 60 Hz の交流規格に合わせる必要があります。
雷は、雲の下部に蓄積されたエネルギーから形成されるマイナスの場合と、雲の上部に蓄積されるプラスの場合があります。ライトニングファームを装備するときは、この要素も考慮する必要があります。さらに、チジェフスキーのシャンデリアの例で証明されているように、正の電荷を捕捉するにはエネルギーが必要です。
大気1立方メートル中の荷電イオンの密度が低く、空気抵抗が高くなります。したがって、地表よりできるだけ高い位置にあるイオン化電極のみが雷を「捕捉」できますが、エネルギーは微小電流の形でしか捕捉できません。電極を帯電した雲に近づけすぎると、雷が発生する可能性があります。短期間ではあるが強力な電圧サージが発生し、雷農設備の故障につながります。

明らかな困難にもかかわらず、稲妻農場を作成するというアイデアは生きています。人類は本当に自然を飼いならし、巨大な再生可能エネルギー埋蔵量へのアクセスを獲得したいと考えています。

雷のエネルギーは代替エネルギーの一種で、雷エネルギーを「キャッチ」して送電網に送ると考えられています。このようなソースは、常に復元される無限のリソースです。雷は複雑な電気プロセスであり、マイナスとプラスのいくつかのタイプに分けられます。最初のタイプの雷は雲の下部に集まりますが、もう1つは逆に上部に集まります。雷エネルギーを「キャッチ」して保持するには、強力で高価なコンデンサと、第 2 種および第 3 種の回路を備えたさまざまな振動システムを使用する必要があります。これは、稼働中の発電機の外部抵抗と負荷を調整し、均等に分散するために必要です。

今のところ、雷エネルギーは未完成で完全には形成されていないプロジェクトですが、非常に有望です。魅力的な機能は、リソースを常に復元できることです。非常に重要なのは、1回の放電でどれだけの電力が得られ、十分な量のエネルギー（ガソリン145リットルに相当する約50億Jの純粋エネルギー）の生産に貢献するかということです。

雷放電が発生するプロセス

雷放電を発生させるプロセスは非常に複雑かつ技術的です。まず、電子なだれによって形成される先行放電が雲から地上に送られます。これらの雪崩は、「ストリーマー」と呼ばれる雪崩を形成します。リーダー放電は高温のイオン化チャネルを形成し、このチャネルを通って主雷放電が反対方向に移動し、強力な電場の推進によって地球の表面から発生します。このようなシステム操作は、ほんの数秒しか経過していないように見えても、連続して数回繰り返される可能性があります。そのため、雷を「キャッチ」し、そのエネルギーを電流とその後の蓄電に変換するプロセスが非常に複雑です。

問題

雷エネルギーには次のような側面と欠点があります。

エネルギー源の信頼性が低い。雷がいつどこで発生するかを事前に予測することは不可能であるため、エネルギーの生成と受け取りに問題が発生する可能性があります。このような現象の変動性は、アイデア全体の重要性に大きく影響します。
放電持続時間が短い。雷放電は数秒以内に発生して作用するため、迅速に反応してそれを「キャッチ」することが非常に重要です。
コンデンサと発振システムを使用する必要がある。これらのデバイスやシステムを使用しなければ、雷雨のエネルギーを完全に受け取って変換することは不可能です。
告発の「捕捉」に関する副次的問題。荷電イオンの密度が低いため、高い空気抵抗が発生します。イオン化された電極を使用して雷を「捕まえる」ことができます。イオン化された電極は、地表よりできるだけ高く上げる必要があります（微小電流の形でのみエネルギーを「捕まえる」ことができます）。電極を帯電した雲に近づけすぎると、雷が発生します。このような短期間ではあるが強力な充電は、雷発電所の多数の故障につながる可能性があります。
システム全体と機器のコストが高い。雷雨のエネルギーは、その特殊な構造と常に変動するため、さまざまな機器の使用が必要となり、非常に高価です。
現在の変換と分配。充電電力が変動するため、その配分に問題が発生する可能性があります。平均雷出力は 5 ～ 20 kA ですが、最大 200 kA の電流強度の閃光もあります。充電はすべて、220 V または 50 ～ 60 Hz AC までの低電力で分配する必要があります。

雷発電所の設置実験

2006 年 10 月 11 日、雷を「キャッチ」してクリーンエネルギーに変換できる雷発電所のプロトタイプモデルの設計に成功したと発表されました。オルタナティブ・エナジー・ホールディングスはそのような実績を誇ることができるだろう。この革新的なメーカーは、このような設備がいくつかの環境問題を解決し、エネルギー生産コストを大幅に削減できる可能性があると指摘しました。同社は、このようなシステムは4～7年で元が取れ、「稲妻発電所」は電力を生産・販売できるようになると保証しているが、これは従来のエネルギー源のコスト（kW当たり0.005ドル/年）とは異なるものだ。

2013 年、サウンタンプト大学の職員は、実験室環境で人工雷の充電をシミュレートしました。その特性は自然雷と同じです。科学者たちは、簡単な装置を使用して電荷を「キャッチ」し、それを携帯電話のバッテリーの充電に使用することができました。

雷活動調査、雷周波数マップ

熱帯低気圧測定ミッション衛星と協力する NASA の専門家は、2006 年に地球上のさまざまな地域での雷雨活動の研究を実施しました。その後、雷の発生頻度に関するデータと対応するマップの作成が報告されました。このような研究によると、特定の地域では年間を通じて最大 70 回（面積平方キロメートルあたり）の落雷が発生することが報告されています。

雷雨は、稲妻と雷鳴を伴う複雑な静電気の大気プロセスです。雷雨エネルギーは、人類がエネルギー危機を克服し、継続的に再生可能な資源を提供できる有望な代替エネルギーです。この種のエネルギーにはあらゆる利点があるにもかかわらず、この起源の電力の積極的な生産、使用、保存を妨げる側面や要因が数多くあります。

現在、世界中の科学者がこの複雑なプロセスを研究し、関連する問題を解決するための計画やプロジェクトを開発しています。おそらく人類は、近い将来、雷の「頑固な」エネルギーを飼い慣らし、リサイクルできるようになるでしょう。

発明
ロシア連邦の特許 RU2332816

雷の電気エネルギーを蓄える装置

発明者の名前: ブレスキン・ボリス・イワノビッチ、トゥルシキン・ニコライ・セルゲイヴィッチ、フレトコフ・ユーリ・アレクセーヴィッチ、レオノフ・ボリス・イワノヴィッチ、マシュコフ・オレグ・アレクセーヴィッチ、リブキン・エフゲニー・アレクサンドロヴィッチ、イシュチン・ワシーリー・アレクサンドロヴィッチ、ノヴィコフ・エフゲニー・ゲンナディエヴィッチ、ブレスキン・アレクサンダー・ボリソヴィッチ、マシュコフ・セルゲイ・オレゴヴィッチ
特許所有者の名前: ブレスキン・ボリス・イワノビッチ、トゥルシュキン・ニコライ・セルゲイヴィッチ、フレトコフ・ユーリ・アレクセーヴィッチ、レオノフ・ボリス・イワノヴィッチ、マシュコフ・オレグ・アレクセーヴィッチ
連絡先住所： 115612、モスクワ、セント。ボリソフスキー池、22、建物 1、アパート 120、B.I. ブレスキン
特許開始日: 17.11.2006

本発明は、器具製造の分野に関し、電気エネルギーを貯蔵するために使用することができる。技術的な結果として機能が拡張されます。この目標を達成するために、避雷針は大気中電気の流れに対する抵抗が最も低い導体の形で作られています。避雷針の近くには、エネルギーを集めるための要素があります。この場合、エネルギーを収集する要素は、インダクタンスコイル、半導体素子、および静電容量を含み、これらが直列に接続されて単一の電気回路を形成する。インダクタと半導体素子の電流抵抗は 1 オーム以下で、エネルギーを収集する素子は避雷針から 0.1 ～ 10 m の距離にあります。

発明の説明

本発明は物理学、すなわち、雷および大気全体の電気エネルギーを利用するための電気装置に関する。雷雨が頻繁に発生する地域で、産業用および家庭用のエネルギー源として使用できます。

大気電気エネルギーを利用する装置は、接地手段に接続された垂直に設置された避雷針と、エネルギーを収集するための要素とを含む装置として知られている（ソ連著作権証明書第 781 号、クラス H05F 7/00、1925）。このデバイスは電気エネルギーを蓄えるために使用できます。

しかしながら、既知の装置は、落雷に適応しておらず、落雷中に放出されるエネルギーがその破壊につながるため、落雷からの電気エネルギーの使用を許可しない。同時に、大気中に電気エネルギーが蓄積されるため、その電流抵抗パラメータは非常に大きくなります。

本発明の目的は、雷雨が頻繁に発生する地域に低コストのエネルギー源を提供することである。
本発明の技術的成果は、落雷時に避雷針に放出される電気エネルギーを蓄積し、落雷と落雷の間に大気から余剰の電気エネルギーを抽出することを可能にする装置の作成である。

この問題の解決は、接地手段に接続された垂直に取り付けられた避雷針とエネルギーを収集する要素とを含む既知のエネルギー貯蔵装置において、避雷針が導体の形状で作られているという事実によって達成される。エネルギーを除去するための 1 つまたは複数の要素が近くにある、大気電流に対する最も低い抵抗。

さらに、エネルギー収集要素は、例えば、単一の電気回路を形成するために直列に接続されたインダクタンスコイル、半導体素子およびキャパシタンスを含んでもよく、インダクタンスコイルおよび半導体素子は、以下の最低電流抵抗を有する。 1 オーム、エネルギー収集要素は避雷針から 0.1 ～ 10 m の距離に配置されます。

別のケースでは、エネルギーを収集するための要素は、インダクタンスコイル、半導体素子、およびキャパシタンスが直列に接続されて単一の電気回路を形成し、インダクタンスコイルは避雷針の軸を通る任意の平面に直角に配置され、対称軸が避雷針の軸と一致するトロイドの形で作られ、この場合、インダクタと半導体素子の電流抵抗は 1 オーム以下の最低値になります。

提案されたエネルギー貯蔵装置における接地手段は、電解質で満たされた開放または密閉容器の形態で作製することができ、避雷針は、例えば導電性ロッドの形態で作製することができる。

図1は、導電性ロッドの形で作られた避雷針の近くに配置されたインダクタを備えた雷エネルギーを蓄える装置の電気図を示しています。図2は、対称軸が避雷針の軸と一致するトロイド状のインダクタを備えた雷エネルギーを蓄積する装置の電気図を示しています。図３は、電解質、例えば水で満たされた開放容器の形態で作られた接地手段を備えた雷エネルギーを貯蔵する装置を示す。

エネルギー貯蔵装置は、避雷針１、例えば接地手段２に接続された垂直に取り付けられた通電棒、およびエネルギー収集用の要素３を含む。避雷針１は、導体の形状で作られており、それに沿って、エネルギーを収集するための１つ以上の要素３が配置されており、各要素３は、例えば、直列に接続されたインダクタ４、半導体要素５およびコンデンサ６を有する。単一の電気回路を形成します。コンデンサ 6 に蓄積された電圧は、さらに使用するために除去できます。

提案されたデバイスのインダクタ 4 は、避雷針の軸を通過する任意の平面に直交して配置することができ、トロイドの形で作られ、その対称軸は避雷針の軸と一致します。インダクタコイルと半導体素子の最低電流抵抗は 1 オーム以下です (図図 2 を参照)。

電解質、例えば水で満たされた容器７（図３参照）の形で作られた接地手段を備えたエネルギー貯蔵装置は、避雷針１に接続された導電性シート８の形で作られた底部を有する。提案された装置は、カバー１１を備えたハウジング１０の内部に避雷針１と同軸に配置された数段のソレノイド９を含むことができる。この場合、ハウジング１０は土壌１２内の基礎１１上に設置される。

雷からの電気エネルギーを蓄える装置は次のように動作します。

エネルギー貯蔵装置の避雷針に雷が落ちると、I=(2-5)・10 5 A 程度の電流が避雷針に流れ、この電流によって自身の周囲に円形の磁場 H が形成され、その中にインダクタンスコイルが発生します。が置かれている。この場合、インダクタに発生するEMF (E) はコンデンサ6に蓄積されます。

エネルギー除去用の要素とロッド 1 の間の距離に応じて、異なる値の EMF (E) を取得することができます。この EMF はコンデンサ 6 を充電します (図 1 を参照)。
たとえば、直径（6〜10）mmのワイヤーや導電性ロープが避雷針として使用されます。

電気的な観点から見ると、このデバイスは変流器ですが、唯一の違いは、二次巻線が従来の電気エネルギー貯蔵デバイスである容量ダイオードに接続されていることです。タンク６から蓄積された静電エネルギーは、照明装置からフライホイールを回転させる電気モーターまで、さまざまな消費者に向けられ、静電エネルギーよりも有益な機械エネルギーを蓄積することができる。

例1.
インダクタンスコイル３を備えたエネルギー貯蔵装置は、ロッド１から１〜１０メートルの距離に位置し、ロッドを通過する任意の平面に対して直角に配向されている（図１を参照）。

例2。
エネルギーを蓄積する装置は、対称軸がロッド１と一致する環状の形に作られたインダクタ３を用いてエネルギーを蓄積する（図２を参照）。

直径 d=100 mm、巻き数 n=10 3、縮小点からの距離 R=10 m のソレノイドで発生する EMF E の大きさを決定します。

ここで、0は空隙の透磁率であり、4π・10 7 に等しい。Sはソレノイドの断面積、nは巻き数である。

ソレノイドは H 線に沿って配向されており、電荷がロッドを通って流れるにつれて磁場の強度の変化が時間 τ にわたってパルス状に発生します。

この場合、ビオ・サバール・ラプラスの法則によるΔН/Δtは次の関係から求められます。

ΔН/Δt=I/(2π・R・τ)、ここでIは落雷時にロッドを流れる電流量です。

したがって、τ=5・10 -3 と仮定すると、

多数のソレノイドを円形に数段に配置することで、小型バッテリーまたは 1 つの大型バッテリーの充電に使用できる多数の直流電源を得ることができます。

例 3.
提案された装置（図３）を水の浄化に使用する場合、導電性シート８の加熱により発生した蒸気は、任意の既知の方法によって凝縮される。

さらに、発生した蒸気は、蒸気エネルギーを利用する蒸気機構の駆動に使用できます。

したがって、提案されたエネルギー貯蔵装置の助けを借りて、雷エネルギーのかなりの部分を接地手段に使用することができ、接地手段を減圧弁を備えた適切な強度の閉じたシェルの形にし、きれいな水またはパルス蒸気エンジン。リターンスプリングを備えたこのようなモーターのピストンは複数回振動することができ、ソレノイド内に配置された永久磁石に接続すると、線形電流発生器のローターとして機能します。この場合、エネルギー貯蔵装置において、エネルギー収集要素はロッド１から１〜１０メートルの距離に配置することができる。

本発明の技術的有効性は、雷雨が頻繁に発生する場所で提案装置を使用することにより、雷エネルギーの一部を利用できることにある。雷放電中に提案されたデバイスを使用して蓄えられた大気電気のエネルギーは、次のような他の種類のエネルギーに変換できます。

貯蔵タンク内の蒸気の蒸発と凝縮によるきれいな水の製造用。

大質量フライホイールの回転用。

機械的エネルギーの蓄積のため。

提案されたデバイスは、製造と操作の両方が簡単です。これは、雷雨が非常に一般的な大気現象である地域で特に効果的に使用できます。

請求

1. 接地手段に接続された垂直に取り付けられた避雷針と、電気エネルギーを収集するための要素を含む、雷からの電気エネルギーを蓄積するための装置であって、避雷針が耐衝撃性が最も低い導体の形態で作られていることを特徴とする装置。大気電流の近くに電気エネルギーを収集するための１つまたは複数の要素があり、電気エネルギーを収集するための要素は、単一の電気回路を形成するために直列に接続されたインダクタンスコイル、半導体素子およびキャパシタンスを含み、インダクタンスコイル半導体素子の電流抵抗は 1 オーム以下であり、エネルギーを収集する素子は避雷針から 0.1 ～ 10 m の距離に配置されます。

前記インダクタは、避雷針の軸を通る任意の平面に直交して配置され、対称軸を中心とするトロイド状に作られていることを特徴とする、請求項１に記載の雷からの電気エネルギーを蓄積する装置。これは避雷針の軸と一致しており、インダクタおよび半導体素子の電流抵抗は１オーム以下である。

【請求項３】前記接地手段は、電解液が充填された開放型または密閉型の容器の形態で作られていることを特徴とする、請求項１に記載の雷電気エネルギーを蓄積する装置。

前記避雷針は棒状であることを特徴とする請求項１記載の雷電気エネルギー貯蔵装置。