Грозовая энергетика

Каждый, кто когда-нибудь читал про огромные значения напряжений и токов в канале линейной молнии, задумывался: а нельзя ли как-то эти молнии ловить и переправлять в энергетические сети? Дабы питать холодильники, лампочки, тостеры и прочие стиральные машины. Разговоры о таких станциях ведутся уже много лет, но не исключено, что в следующем году мы наконец увидим действующий образец «сборщика молний».

Покопавшись в фантастической литературе, наверняка можно наткнуться на что-то подобное. Да и разных патентных заявок на эту тему, полагаем, сделано немало. Только вот реального воплощения всё не видать.

Проблем тут масса. Молнии, увы, слишком ненадёжный поставщик электричества. Предугадать заранее, где случится гроза, едва ли возможно. А ждать её на одном месте — долго. Кроме того, молния — это напряжения порядка сотен миллионов вольт и пиковый ток до 200 килоампер (в некоторых измеренных молниях; обычно — 5-20 килоампер).

Чтобы «питаться» молниями, их энергию явно нужно где-то накапливать за те тысячные доли секунды, что длится главная фаза разряда (удар молнии, кажущийся мгновенным, на самом деле состоит из нескольких фаз), а потом медленно отдавать в сеть, попутно преобразуя в стандартные 220 вольт и 50 или 60 герц переменного тока.

Заметим, что во время разряда молнии происходит довольно сложный процесс. Сначала из облака к земле (внутриоблачные молнии мы не рассматриваем) устремляется разряд-лидер, сформированный электронными лавинами, которые сливаются в разряды, называемые также стримерами. Лидер создаёт горячий ионизированный канал, по которому в противоположном направлении пробегает главный разряд молнии, вырванный с поверхности Земли сильным электрическим полем.

Далее все эти стадии могут повториться и 2, и 3, и 10 раз — за те самые доли секунды, что длится молния. Представьте, насколько сложная задача — поймать этот разряд и направить ток в нужное место.

А ведь ещё надо добавить, что и те молнии, которые пробегают между облаками и землёй, делятся на два «зеркальных» типа: одни вызываются отрицательными разрядами, накапливающимися в нижней части грозового облака, а другие — положительными, которые собираются в его верхней части. Правда, второй тип встречается от 4 (в средних широтах) до 17 (в тропиках) раз реже, чем разряды первого типа (отрицательные молнии). Но и эту разницу всё равно нужно учитывать при проектировании сборщиков небесного электричества.

К сожалению, сторонники молниевых ферм забывают упомянуть, что сотни стальных вышек, которые, возможно, потребуются для эффективного сбора значительной доли молний, ударяющих во время грозы на приличной территории, эту самую территорию никак не украсят (на снимке — просто какие-то стальные мачты, фото Arek Daniel).

Как видим, проблем немало. А стоит ли тогда вообще связываться с молниями? Если поставить такую станцию в местности, где молнии бьют намного чаще обычного, толк, наверное, будет. По некоторым данным, при одном сильном грозовом шторме, когда молнии бьют непрерывно друг за другом, может выделиться такое количество энергии, что хватит на обеспечение электричеством всех США в течение 20 минут.

Конечно, какую бы станцию по ловле молний мы ни придумали, её КПД при преобразовании тока будет далеко не 100%, да и поймать, видимо, удастся отнюдь не все молнии, ударившие в окрестностях молниевой фермы.

Но всё равно, если бы грозы над станцией случались хотя бы раз в неделю… Стоп, так ведь в любой момент времени на нашей планете бушует 2 тысячи гроз! Заманчиво?

Да. Только распределяются эти грозы по столь большой площади, что перспективы поимки молнии «за хвост» сразу становятся туманными.

С другой стороны, грозы случаются на Земле очень неравномерно. К примеру, американские новаторы, задумывающиеся над сбором молний, давно посматривают в сторону Флориды: там есть район, славящийся как место, прямо-таки облюбованное небесными стрелами.

Ещё больше повезло Африке. Буквально на днях специалисты, работающие с американским спутником «Миссия измерения тропических штормов» (Tropical Rainfall Measuring Mission —TRMM), опубликовали отчёт об одном из свежих достижений этого спутника.

Проведя многолетние наблюдения, TRMM (руками специалистов, конечно) «составил» мировую карту частоты молний, окрасив ту или иную часть Земли в соответствии с числом ослепительных разрядов, возникающих над каждым квадратным километром данной местности за год.

Как видно из рисунка, в центральной части африканского континента есть немаленькая зона, где на квадратный километр приходится более 70 молний в год!

Частота молний в мире. Шкала справа проградуирована в штуках на квадратный километр в год, усреднённых по 11 годам наблюдения со спутника TRMM (иллюстрация NASA/MSFC).

Правда, разглядывая эту карту, нужно учесть, что в тропиках и ближе к экватору большая доля всех случающихся молний возникает между облаками или разными частями одного облака, а вот в средних широтах, напротив, значительную долю общего числа грозовых молний составляют «приземлённые» разряды. Выходит, и для России не всё потеряно, да и Центральная Африка (за счёт немалого общего числа молний) может рассчитывать на успех в сборе столь экзотического урожая.

Но пока с такими проектами выступают всё больше изобретатели из США.

К примеру, американская компания Alternative Energy Holdings, делясь планами своего развития, сообщает, что собирается осчастливить мир экологически чистой электростанцией, вырабатывающей ток по смешной цене $0,005 за киловатт-час.

Как именно в компании намерены собирать энергию разрядов — не указывается. Можно только предположить, что речь идёт о молниеотводах, снабжённых гигантскими наборами суперконденсаторов и преобразователей напряжения.

Кстати, в разное время разные изобретатели предлагали самые необычные накопители — от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизёров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород. Но мы полагаем, что хоть какой-то возможный успех связан с более простыми системами.

Впрочем, посмотрим. Alternative Energy Holdings, что приятно, не ограничивается общими рассуждениями о светлом (далёком) будущем молниевой энергетики, а заявляет, что построит первый рабочий прототип такой станции, способной накапливать энергию грозовых разрядов, уже в 2007 году.

Компания намерена испытать свою установку в течение грозового сезона (то бишь лета) будущего года, в одном из мест, где молнии гуляют чаще обычного. При этом разработчики накопителя оптимистично считают, что электростанция «на молниях» окупится за 4-7 лет.

lightning_main_large.preview

Солнечные батарерии

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируетсяспециальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

8330

Ветрогенератор

Ветрогенератор это машина, которая использует силу ветра и превращает её в энергию, которую люди могут использовать для повседневных целей, таких как электропитание лампочки или компьютера. Ветрогенераторы часто упоминаются как ветряные турбины или просто ветряные мельницы, хотя они более продвинуты, чем те старые ветряные мельницы, которые многие люди привыкли видеть на фотографиях.

Ветрогенераторы используются как на коммерческой основе и для личного пользования, в домашних условиях. Энергию, которая создается ветрогенератором можно сразу использовать или сохранить для дальнейшего использования, как и солнечную энергию. Энергия сохраняется в аккумуляторных батареях, которые могут быть позже использованы для получения энергии. Есть много типов ветрогенераторов для дома, которые могут быть приобретены для частного использования.

Использование ветрогенераторов дома даёт много преимуществ, и первое из них то, что они дают возможность экономить деньги. Если вы заинтересованы в покупке генератора ветра, вам следует подумать и о других источниках энергии, например — солнечной энергии. Это нужно, потому что ветер трудно предсказать. Вот почему оффшорные ветряные генераторы так полезны в генерации энергии ветра.

В конце концов, покупка ветрогенератора ещё один шаг в сторону уменьшения зависимости от более вредных и дорогих видов энергии, которые мы получаем от наших энергетических компаний.

История

Общество пользуется ветровой энергией на протяжении тысячелетий. Первый известный факт ее применения зафиксирован в 5000 г. до н. э., когда люди научились использовать паруса для навигации по реке Нил. Персы использовали ветряные мельницы, прообразы нынешних ветрогенераторов, за 400 – 900 лет до нашей эры в целях подачи воды и для молотьбы зерна. Возможно, ветряные мельницы были изобретены в Китае за 1000 лет до нашей эры,но самые ранние письмена сообщают о 1219 году.

Крестьяне использовали парусные ветряные мельницы для выкачивания воды, для сельскохозяйственных культур и скота.Многие усовершенствования мельницы произвели голландцы, используя их в первую очередь для откачивания излишков воды с затопленных земель. Еще в 1390 году была создана «A multi-story tower» представлявшая из себя мельницу,с отдельными этажами для молотьбы зерна, снимания плевел, хранения зерна и самое нижние помещение – жилое – для мельника и его семьи. Этот вид ветрогенераторов был до того популярен, что только в Англии их было около 1000.

Развитие

Но на совершенствования мельницы до современного вида ветрогенератора, появлению турбинных лопаток понадобилось почти 500 лет. К тому времени использование ветряной энергии распространилось, начиная от лесопиления, до обработки пряностей, табака, какао, красок и красителей.Ветряная мельница была доработана в США в конце 19 века, некоторые конструкции того периода используются и по сей день. Тяжелые, неэффективные деревянные лопасти были заменены легкими и быстрым стальными лезвиями, около 1870 штук для одной мельницы.

На протяжении следующего столетия, в США было построено около 6 миллионов ветрогенераторов (ветряных мельниц),в целях организации водопоя скота и снабжения домов водой. Первые крупные мельницы для производства электричества строит компания «American multi-blade design», основанная в 1888 году. Изначально ветровые установки вырабатывали по 12 киловатт, но после модернизации ветряными турбинами, производительность увеличилась до 70 – 100 кВт.

Коммуникационные системы ветряных электростанций

Сегодня, что энергия ветра является одним из перспективных источников энергии, который может служить альтернативой использования полезных ископаемых для добычи электроэнергии.Общемировой потенциал энергии ветра превышает 10000 мегаватт, что составляет примерно 16 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Такие показатели обеспечиваются современными технологиями в области ветроэнергетики.

Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60 000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии.

Ветросиловые установки все чаще располагают вместе, объединяя их в одну ветряную электростанцию. Регулирование каждого электрогенератора, как и всей станции осуществляется с центрального устройства управления.Компактные модульные устройства управления Phoenix Contact позволяют приспособить их к любым постоянно изменяющимся требованиям.

Дистанционное управление отдельными ветросиловыми установками и ветряными электростанциями в целом осуществляется, чаще всего, через сеть Интернет, сопряженную с локальной сетью ветряной электростанции.

Поставляемые нами шлюзы VPN (виртуальные частные сети) со встроенным межсетевым экраном (Firewall) обеспечивают безопасный доступ с процедурой авторизации, не снижая, при этом, скорость передачи данных.

Для организации удаленного доступа по сети ISDN и подключения к аналоговой телефонной сети можно использовать также Com-Server с модемом.

windkr10

Энергия лунной ночи

Испанские инженеры предложили новую систему энергообеспечения для лунных миссий.

Ночь на Луне длится около двух недель. В эти периоды солнечные батареи становятся бесполезны, а между тем температура у поверхности может упасть до -150 ºC. Такие условия резко затрудняют работу зондов и луноходов, так что некоторые из них вынуждены на это время переходить в «спящий» режим, а другие − пользоваться сложными и громоздкими бортовыми системами энергообеспечения, такими как радиоактивные РИТЭГи или тяжелые аккумуляторы.

Если человечество и вправду намерено реализовать свои грандиозные планы по освоению Луны − постройку на ней громадного телескопа, возведение постоянной базы для добычи ресурсов и исследований и т.д. − эта проблема встанет гораздо острее. Тем полезнее может оказаться простое и эффективное изобретение инженеров Каталонского политехнического института. Вместе с коллегами из США авторы рассмотрели две возможности сохранения энергии лунным днем − с тем, чтобы не остаться без нее ночью.

Первый вариант состоит в использовании материала, которого на Луне предостаточно − лунного грунта, или реголита. С помощью специальных добавок (например, частиц алюминия) его можно превратить в термальную массу, способную нагреваться, накапливая тепло, а при понижении температуры − медленно его отдавать. «Пока солнечные лучи падают на поверхность, система зеркал отражает их и сильно разогревает термальную массу, − поясняют разработчики. − А в течение ночи это тепло может отдавать энергию луноходам и другому оборудованию».

Вторая система развивает эти идеи: в течение дня несколько более сложная система зеркал и линз Френеля концентрирует энергию солнечных лучей на заполненном жидкостью цилиндре. Жидкость испаряется и нагревает ту же термальную массу, полученную на месте из реголита. Ночью термальная масса отдает тепло, которая с помощью двигателя Стирлинга превращается во вращательное движение, а оно, наконец, в электричество. «Такая система лучше подойдет для проектов с большими потребностями в энергии, таких как пилотируемые миссии», − говорят авторы.

Если с этими доводами согласятся в космических агентствах, уже через несколько лет мы увидим первые такие «ТЭЦ», работающие на Луне: NASA, ESA и Китай начнут реализацию своих масштабных лунных проектов уже в 2020-ых годах.

ISS_0082_2009-02-02