ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Лубяной Константин Константинович

Елесин Никита Андреевич

студенты 2-го курса, специальность Электромонтажник осветительных сетей и оборудования, БУ СПО Югорский политехнический колледж, г. Югорск, ХМАО-Югра

E-mail: morckai.k@rambler.ru

Карманова Марина Александровна

руководитель, мастер производственного обучения, специальность Электромонтажник осветительных сетей и оборудования, БУ СПО Югорский политехнический колледж, г. Югорск, ХМАО-Югра

В основе мировой энергетики сегодня лежат пять первичных источников энергии. Это нефть, природный газ, уголь, атомная энергия и гидроэнергия. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), сейчас они удовлетворяют чуть менее 90 % мирового энергетического спроса. Остальная доля приходится на альтернативные, т. е. не основные источники энергии. Среди них: возобновляемые горючие (биотопливо, лес и др.) и негорючие источники (энергия ветра, солнца, морских приливов и отливов, геотермальная энергия и др.) [2].

Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.

Рисунок 1. Круговорот электрических зарядов в атмосфере земли

Чтобы понять, каким образом в атмосфере, а именно в облаках формируются электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Величина заряда и его знак при этом будут зависить от материалов и размеров трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой «заряженной» пыли, нейтрализующий заряд тела.

Грозовое облако — это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6—7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5—1 км.

Выше 3—4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие — положительно.

Рисунок 2. Схема микрофизических процессов облака

Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные — внизу. Другими словами, верхушка облака заряжена положительно, а низ — отрицательно. Происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю [5].

Вопросы формирования электрической энергии в атмосфере и использования электричества, сформированного естественным путем, тревожили умы многих ученых на протяжении столетий. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу.

В 19-м столетии довольно много исследователей предпринимали попытки получить электричество из воздуха в достаточных для практики масштабах. В 1850—1860-х годах получили патенты на изобретения в области атмосферного электричества Лумис (Mahlon Lumis) и Уард (William H. Ward) в США, Вийон (Hippolyte Charles Vion) во Франции.

Среди тех, кто мечтал завоевать и использовать атмосферное электричество в качестве практически неиссякаемого источника энергии был и знаменитый изобретатель Никола Тесла, предложивший способ преобразования высокого постоянного напряжения атмосферы в низкое переменное.

В Финляндии Герман Плаусон провел эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами.

Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту всего лишь 300 м. На свои устройства он в 1920-х годах получил патенты США, Великобритании и Германии и детально описал всю технологию в книге «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» («Получение и применение атмосферного электричества»).

Рисунок 3. Проекты Плаусона

Но предложенные грандиозные устройства так и не получили широкого практического применения ввиду их громоздкости, непрактичности, опасности, а самое главное, нестабильности снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере. И до сих пор человечество ограничивалось только извлечением энергии солнечного света, ветра и океана. Атмосферное электричество считалось специалистами не самым перспективным источником возобновляемой энергии из-за некоторых трудностей реализации этой технологии [6].

Ни смотря ни на что интерес к исследованиям атмосферного электричества не угас, и в самые недавние годы достигнуты значительные успехи.

Новые исследования, проведенные учеными из университета Кампинаса в Бразилии (University of Campinas, UC), позволили по-новому взглянуть на задачу получения энергии из атмосферного электричества. В результате этих исследований ученые точно определили, каким именно образом происходит процесс формирования и момент высвобождения электричества из воды, как создаются электрические заряды в атмосфере, как они распространяются и каким образом они могут быть преобразованы в электрический ток, пригодный для использования.

Ранее ученые полагали, что крошечные капельки влаги, находящиеся в атмосфере являются электрически нейтральными, даже после того, как они входят в контакт с электрически заряженными частицами пыли или каплями других жидкостей. Но группа ученых под руководством профессора Фернандо Галембекка (Fernando Galembeck), ученого-химика университета Кампинаса, доказали совершенно обратное. Новые данные свидетельствуют о том, что вода в атмосфере действительно набирает электрический заряд. В лабораторных экспериментах моделирования контакта воды с частицами пыли в воздухе, они распыляли во влажной среде крошечные частицы кремнезема и фосфата алюминия, как вещества содержащиеся в воздухе. В ходе эксперимента оказалось, что кремний стал более отрицательно заряженным при наличии повышенной влажности, а фосфат алюминия стал более положительно. Таким образом, получилось в одном объеме воздуха получить две области, между которыми наблюдалась разница потенциалов, которую без особого труда можно превратить в электрический ток [1].

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки

Используя два цилиндра из различных материалов, разместив один из цилиндров внутри другого ученые измерили в азотной атмосфере с различной влажностью скорость изменения заряда на поверхности цилиндров. Нейтральные молекулы воды по-разному реагируют с различными оксидами в зависимости от их кислотно-основных свойств. На поверхности основных оксидов при этом остается положительно заряженная частица, а кислотных — отрицательно заряженная.

Рисунок 5. Взаимодействие водяных частиц с основными (вверху) и кислотными (внизу) оксидами

Рисунок 6. Зависимость скорости изменения заряда от атмосферной влажности для различных материалов

Эти эксперименты, по словам ученого, являются еще одним доказательством, что влага в атмосфере может накопить достаточно большой электрический заряд, который можно передать другим материалам, находящимся в этой области. Этот процесс получил название «hygroelectricity» гидроэлектричество (электричество влажности).

На основе данных, полученных в ходе исследований, ученые экспериментируют с различными видами материалов, надеясь найти вещества, которые будут в состоянии более эффективно содействовать формированию электрического заряда в атмосфере, а также разрабатывают устройство сбора, способное получать энергию из движущегося влажного воздуха [4].

Кроме того ученые считают, что эти устройства, смогут служить эффективными устройствами грозозащиты, предотвращая возникновение грозовых разрядов в местах их установки.

Полный отчет о проведенных группой профессора Гэлембека исследованиях был предоставлен на прошлой неделе, на встрече американского Национального химического общества 240th National Meeting of the American Chemical Society.

Россия также заинтересована в исследованиях в области атмосферного электричества и его использовании в качестве нетрадиционного возобновляемого источника энергии (ВИЭ).

В сентябре 2012 года состоялась в Санкт-Петербурге на базе Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова VII Российская конференция по атмосферному электричеству. В работе конференции приняли участие ученые, работающие в области атмосферного электричества и смежных областях.

Основный задачей конференции было обсуждение важнейших результатов, полученных за последние годы, определение приоритетов научных исследований, привлечение молодых ученых и специалистов к исследованиям атмосферного электричества.

Именно с нетрадиционными ВИЭ связывают будущее энергетики. В настоящее время общий вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик, около 20 % конечного потребления энергии. При этом на долю биомассы и гидроэнергии, используемых традиционными способами, приходится основная часть — около 17 %, на долю нетрадиционных ВИЭ — около 3 % [3].

Как показывают многочисленные исследования Международного энергетического агентства и других аналитических организаций, рост мирового энергопотребления чётко коррелируется с ростом мирового ВВП и ростом населения мира. Поэтому, основываясь на прогнозах роста этих показателей, можно делать прогнозы роста энергетического потребления, в котором ВИЭ займет значительное место с долей в 30—35 %, а все безуглеродные технологии будут составлять чуть больше 60 %.

Рисунок 7. Основные стадии развития энергетических технологий, где черный — геотермальная энергия; желтый — солнечная энергия; зеленый — новая энергия биомассы; серый — энергия ветра; синий — гидроэнергия; зеленый — традиционная биоэнергия; голубой — ядерная энергия; розовый — энергия природного газа; красный — энергия нефти; коричневый — энергия угля

На данный момент готового технического устройства для сбора атмосферного электричества еще не разработали. Возможность использования энергии изымаемой из окружающей атмосферы и преобразованной в электрическое напряжение промышленных стандартов находится на стадии научных исследований. Но сама идея создания автономного альтернативного источника энергии, особенностью, которого являлось бы получение энергии — электрической и (или) тепловой — без использования невозобновляемого сырья — нефти, угля или газа, очень перспективная и в случае реализации сможет обеспечить немалым количеством экологически чистой энергии. Такой альтернативный источник позволил бы обеспечить потребителя даровой энергией, себестоимость которой, будет определяться только капитальными и эксплуатационными затратами на приобретаемое оборудование. В перспективе использование принципов конструирования и использования альтернативных источников на основе атмосферного электричества открывает возможность контролируемо регулировать климат — вызывать дожди в локальном масштабе или разряжать атмосферные фронты для предотвращения атмосферных катаклизмов.

В России ВИЭ могут иметь несколько сфер применения.

Это энергообеспечение северных и других труднодоступных и удаленных районов, не подключенных к общим сетям, куда топливо доставляется водным, автомобильным и даже воздушным транспортом. Для снижения издержек транспортировки грузов просто необходимо использование дающего даровую энергию альтернативного источника. В число потенциальных потребителей нетрадиционных ВИЭ могут войти предприятия лесной и рыбной промышленности, метеорологические, коммуникационные, археологические и геологические станции, радары, маяки, морские нефтяные и газовые платформы.

Увеличение генерирующих мощностей в энергодефицитных регионах — другая сфера возможного применения нетрадиционных ВИЭ в России. Более 15 млн. россиян проживает там, где централизованное электроснабжение ненадежно и потребителей регулярно отключают от сети. Аварийные отключения дезорганизуют жизнь городов и сельской местности, наносят огромный ущерб промышленному и сельскохозяйственному производствам. Использование местных нетрадиционных ВИЭ, позволило бы избежать таких потерь.

Не стоит забывать и об экологическом аспекте. Изменение климата непосредственным образом связано с последствиями сжигания углеводородов и, как следствие, выделением углекислого и других парниковых газов. В России около 85 % парниковых выбросов антропогенного происхождения приходится на энергетический сектор. Улучшение экологической обстановки на курортах и в других местах массового отдыха населения, а также в городах со сложной экологической обстановкой, может быть достигнуто за счет широкого внедрения нетрадиционных ВИЭ [3].

В течение всего периода развития цивилизации происходила борьба за обретение новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет был пройден путь от овладения огня до применения управляемой ядерной реакции в атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, которые заключались в переходе от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений затрагивали не только сферу энергетики и экономики, но и меняли социальный и культурный облик цивилизации.

В настоящее время Мировая энергетика находится на перепутье. С увеличением народонасения Земли экономика требует все больше энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения. А это означает, что в будущем потребности в энергии, а значит и в новых способах её получения, будут только увеличиваться. На смену эре углеводородов (нефти и газа), придет эра использования чистой, в которой, можно не сомневаться, атмосферное электричество займет не последнее, достойное место [2].

Список литературы:

1.Атмосферное электричество как источник альтернативной энергии будущего [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://geekabyss.ru/2012/01/25/Atmosfernoe_jelektrichestvo_kak_istochnik_alternativnoj_jenergii_buduwego/ (дата обращения 06.12.2012)

2.Боровский Ю.В. Современные проблемы мировой энергетики М.: Навона, 2011 г. — 232 с.

3.Возобновляемая энергетика: прогрессивные тенденции или агрессивный PR? [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://aenergy.ru/3183 (дата обращения 06.12.2012)

4.Грозовые батареи: электричество из воздуха По пресс-релизу ACS// «Популярная механика» (27 августа 2010 года)

5.Довгалюк Ю.А., Веремей Н.Е., Синькевич А.А., Слепухина А.К. «Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера». М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. — 167 с.

6.Практическое использование атмосферного электричества [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://qrp.ru/articles/56-ra3aae-articles/391-atm-practic (дата обращения 07.12.2012)