АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО • Большая российская энциклопедия
Авторы: В. М. Березин
АТМОСФЕ́РНОЕ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСТВО, 1)совокупность электрич. явлений и процессов в атмосфере; 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрич. явления в атмосфере и её электрич. свойства; в А. э. исследуются электрич. поле в атмосфере, её проводимость, электрич. токи и объёмные заряды в ней, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и др. А. э. влияет на органич. жизнь на Земле и её экологию.
Наука об А. э. зародилась в 18 в. Начало было положено амер. учёным Б. Франклином, экспериментально доказавшим электрич. природу молнии, и М. В. Ломоносовым, объяснившим электризацию грозовых облаков.
А. э. тесно связано с метеорологич. факторами – облаками, осадками, метелями, пыльными бурями и др. К области А. э. относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере, и их зависимость от локальных и глобальных факторов.
Территории, где отсутствуют скопления аэрозолей и др. источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны «хорошей» погоды с преобладанием глобальных факторов. В зонах «нарушенной» погоды преобладают локальные метеорологич. факторы.
Электрическое поле атмосферы
В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены. В чистой атмосфере постоянно существует электрич. поле, напряжённость которого $\boldsymbol E$ направлена сверху вниз. Это направление $\boldsymbol E$ принято считать нормальным, а вертикальный градиент электрич. потенциала – положительным. У земной поверхности существует стационарное электрич. поле с $ E$, в среднем равной ок. 130 В/м. Земля имеет отрицат. заряд, равный ок. 3·105 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. При грозах, осадках, пыльных бурях, метелях и др. напряжённость $\boldsymbol E$ может резко менять направление и значение, достигая иногда 1000 В/м.
Наибольшую величину $ E$ имеет в средних широтах, а к полюсу и экватору убывает. Над материками $ E$ несколько выше ср. значения, а над океанами несколько ниже. С высотой $ E$ в целом уменьшается. В слое перемешивания (300–3000 м), где скапливаются аэрозоли, $E$ может возрастать с высотой, выше этого слоя убывает по экспоненциальному закону.
На высоте 10 км $E$ не превышает нескольких В/м. Это убывание $E$ связано с наличием в атмосфере положит. объёмных зарядов, плотность которых уменьшается с высотой. Изменение величины объёмного заряда атмосферы по высоте значительно влияет на существование глобальных вариаций $E$. Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200–250 кВ.
Суточный ход унитарной вариации напряжённости Е электрического поля атмосферы (Еср – среднее значение напряжённости): 1 – над океанами; 2 – в полярных областях.
3 – Изменение площади S, занятой грозам…
Напряжённость электрич. поля $E$ меняется во времени и имеет суточный и годовой ход. Отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (рис., кривые 1 и 2) и годовые вариации $E$ – т. н. унитарные вариации. Их суточный ход над полярными областями и океанами имеет вид простой волны, над континентами – вид сложной волны с двумя максимумами. Градиент электрич. поля атмосферы для умеренных широт Сев. полушария наибольший зимой и наименьший в начале лета. Унитарные вариации связаны с изменением электрич. заряда Земли в целом, локальные – с изменениями величины и распределения по высоте объёмных электрич. зарядов в атмосфере в данном регионе. Величина градиента электрич. поля атмосферы зависит от колебаний между максимумом и минимумом солнечной активности.
Электрическая проводимость атмосферы
Электрич.
состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрич. проводимостью $λ$, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Концентрация и подвижность ионов в атмосфере определяет значение $λ$. Основной вклад в $λ$ вносят лёгкие ионы, подвижность которых $u>$ 10–5м2/(с·В). У поверхности Земли в среднем $λ=$ (1–2)·10–18 (Ом·м)–1 и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону. На высоте ок. 30 км $λ$ почти в 150 раз больше, чем у земной поверхности.
Основные ионизаторы атмосферы: 1) космич. лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных веществ, находящихся в земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучения Солнца, ионизирующее действие которых заметно проявляется на высотах более 60 км. Концентрация лёгких ионов растёт с высотой вследствие увеличения интенсивности ионизации, что в сочетании с нарастанием подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения $λ$ и $E$ с высотой.
Электрический ток и объёмный заряд в атмосфере
В условиях «хорошей» погоды в атмосфере течёт вертикальный электрич. ток, представляющий собой сумму токов проводимости, диффузии и конвекции. На Землю непрерывно стекает электрич. ток силой ок. 1800 А. Поскольку заряд Земли в среднем не меняется, существуют, очевидно, «генераторы» А. э., заряжающие Землю. Такими «генераторами» являются пыльные бури, извержения вулканов, метели, разбрызгивание капель воды прибоем и водопадами, пар и дым пром. источников. Электризация, проявляющаяся при перечисленных явлениях, может привести к образованию молний. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Электризация облака увеличивается с укрупнением его частиц, увеличением толщины, усилением осадков. В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере.
Облака заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность или иметь заряд преимущественно одного знака.
На плотность объёмных зарядов влияет турбулентность атмосферы. Плотность токов осадков, выпадающих на Землю из слоисто-кучевых облаков, порядка 10–12 А/м2, из грозовых облаков – порядка 10–8 А/м2. Полная сила тока, текущего на Землю от грозового облака в средних широтах, ок. 0,01–0,1 А, ближе к экватору – до 0,5–1,0 А. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10–100 раз больше токов, притекающих к Земле, т. е. гроза в электрич. отношении подобна короткозамкнутому генератору. На земном шаре одновременно происходят ок. 1800 гроз (рис., кривая 3). Облака слоистых форм, покрывающие ок. половины земной поверхности, также вносят существенный вклад в электрич.
поле Земли.
Исследования А. э. позволяют выяснить природу процессов электризации грозовых облаков и его роль в образовании облаков и осадков. В числе прикладных задач – снижение электризации самолётов с целью повышения безопасности полётов, учёт А. э. при запуске ракет, оценка его влияния на здоровье человека. Некоторые характеристики А. э. могут служить индикаторами антропогенного воздействия на атмосферу.
Шесть необычных источников энергии, которые пригодятся человечеству
Борщевик: из паразита в суперконденсаторы
Источник. Борщевик Сосновского. Растение, которое активно разводили в СССР как ценную кормовую культуру, оказалось страшным сорняком: оно захватывает всё новые территории, вызывает у людей ожоги, а в пищу животным не годится.
Сюжет напоминает роман и одноимённый фильм «День триффидов».
Условия. Использовать борщевик как источник энергии придумали российские учёные из НИТУ «МИСиС».
Увидев эту новость, мы подумали, что это первоапрельская шутка. Проверили дату — август. Значит, всё серьёзно!
Технология подготовки сорняка к работе на нужды энергетики описывается так: «Из сухих стеблей борщевика нарезали бруски длиной около сантиметра. Затем для удаления различных неорганических соединений, которые содержатся в стеблях, обработали их соляной кислотой, промыли и высушили. Для получения углеродного материала измельчённые стебли борщевика насытили углекислым газом при температуре 400 °С. На следующей стадии полученный материал смешали с гидроксидом калия и провели его активацию, то есть открыли образовавшиеся поры в атмосфере аргона при различных температурах».
Применение. Борщевик предлагается задействовать в устройствах накопления энергии — суперконденсаторах. От традиционных батарей они отличаются высокой мощностью и продолжительным сроком службы. При изготовлении электродов для суперконденсаторов используются углеродные материалы с большим количеством пор разного размера.
Обработанные стебли борщевика хорошо для этого подходят.
Эффективность. Учёные утверждают, что борщевик в качестве материала для электродов, конечно, уступает графену, но ничуть не хуже других растительных материалов, например переработанной скорлупы орехов.
Плюсы
Отечественная разработка соответствует мировому тренду на использование растительного экологичного сырья.
Минусы
Радует и тот факт, что растение-террорист наконец начало приносить пользу Работать с борщевиком опасно: он вызывает ожоги. К тому же вряд ли кому-то придёт в голову снова засевать поля борщевиком, а значит, непонятно откуда брать сырьё в будущем
Водоросли: зелёные универсалы
Источник. Водоросли — подойдут и обычные зелёные, и диатомовые — те, которые с кремниевым панцирем, и микроводоросли, крошечные одноклеточные растения. В океане этого добра очень, очень много. Нужно только создать подходящие условия для извлечения липидов, которые запасают водоросли.
А из них можно получать энергию.
Кстати, по одной из версий, именно из водорослей миллионы лет назад на Земле образовалась нефть. Можно ли ускорить этот процесс? Над этим учёные тоже работают.
Условия. Для быстрого роста и размножения водорослям необходимы вода, углерод и солнечный свет. Ничего сложного!
Применение. Пионером в области добычи энергии из водорослей стала Япония, у которой нет собственных запасов углеводородов, зато предостаточно водных ресурсов. Электростанция компании Tokyo Gas занимается промышленным сбраживанием морских растений: водоросли собирают, добавляют к ним воду, измельчают до состояния жижи, а затем ферментируют при помощи микроорганизмов. В результате выделяется метан, который поступает в газовый двигатель, вращающий генератор. Выдаваемой мощности в 10 кВт хватает, чтобы обеспечить электричеством десять домов с офисами и производственными помещениями Tokyo Gas.
Bio Intelligent Quotient House в Гамбурге Фото: IBA-Hamburg GmbH / Johannes Arlt
В мире есть несколько биогибридных многоэтажных жилых домов, снаружи покрытых биомассой из водорослей (в аккуратных аквариумах и стеклянных панелях), которая полностью обеспечивает жильцов энергией.
Например, в 2013 году в Гамбурге появился необычный 15-квартирный дом Bio Intelligent Quotient House. Его фасад покрыт 129 продуваемыми аквариумами, внутри которых расположены биореакторы с морскими водорослями. Накопленное тепло используется для подогрева воды в системе отопления. А в израильском городе Димона можно увидеть настоящие висячие сады из морских растений. Их выращивают в подвесных ёмкостях с солёной водой, сушат и превращают в биотопливо.
Эффективность. С 1 га можно получить 150 тыс. кубометров биогаза в год — сравнимо с мощностью типовой газовой скважины и достаточно, чтобы в течение всего периода снабжать энергией небольшой населённый пункт.
Плюсы
Всё очень экологично: топливо образуется за счёт фотосинтеза и брожения. К тому же водорослей можно развести сколько угодно, это практически бесконечный ресурс
Минусы
Нужно очень много воды
Вулканы: спящие монстры
Источник. Горячая магма, наземные и подводные вулканы.
Условия. Наличие вулканических скважин, высокая температура и присутствие сверхкритической жидкости — вещества, находящегося в промежуточном состоянии между обычной жидкостью и газом. Из генератора, работающего на сверхкритической жидкости, можно извлечь в 10 раз больше электричества, чем из обычного кипятка.
Под землёй довольно тепло — и чем глубже, тем теплее. В километре от поверхности всего 30 °С, в Кольской сверхглубокой скважине на глубине 12 км — 212 °С. А на глубине 100 км температура предположительно достигает 1300-1500 °С.
Применение. В 2013 году американские исследователи взялись за разработку вулканической энергии, выбрав в качестве испытуемого спящий вулкан Ньюберри в штате Орегон. Глубоко в горячие горные породы закачивалась солёная вода. При нагреве она превращалась в пар, который попадал в генератор, вырабатывавший электроэнергию.
Похожие электростанции заработали во Франции, Германии, России и других странах. В Исландии сверхкритическую жидкость используют для обеспечения энергией столицы — Рейкьявика.
Этот проект получил название «Тор» в честь популярного скандинавского бога с молотом. На склоне вулкана, который извергался несколько веков назад, пробурили скважину глубиной 4600 метров. Температура внутри оказалась около 420 °С. Чтобы полностью обеспечить Рейкьявик энергией, достаточно пяти таких скважин.
Мутновская ГеоЭС на Камчатке — крупнейшая геотермальная электростанция России Фото: paul-fish.livejournal.com, Севзапэнергомонтажпроект
Российские геотермальные электростанции расположены на Дальнем Востоке, в частности на Сахалине и Камчатке. Самая мощная — у подножия вулкана Менделеева на острове Кунашир, она выдаёт 7,4 МВт и снабжает энергией дома местных жителей.
Эффективность. По оценке Геологической службы США, геотермальные источники энергии могут дать половину необходимого стране электричества.
Плюсы
Энергии много — запасов земного тепла хватит на несколько миллиардов лет. И эта энергия не слишком загрязняет атмосферу
Минусы
В горячие недра Земли добираться сложно и дорого.
А там, где расплавленная магма близка к поверхности, скажем так, довольно опасно
Сточные воды: отходы в доходы
Источник. Канализация, стоки от производства.
Условия. В неочищенной воде должна быть органика, например отходы пищевой промышленности или нашего организма.
Применение. Профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан и его коллеги в 2012 году придумали, как вырабатывать электричество в процессе очистки воды из канализации. Для этого нужна большая колония экзоэлектрогенных бактерий — микроорганизмов, которые питаются органикой из сточных вод и при этом производят электричество.
Экзоэлектрогенные бактерии — это готовые биобатареи: в процессе обмена веществ они генерируют электроны и выводят их наружу.
Экзоэлектрогенные бактерии Фото: NASA
В России микробными топливными элементами занимается Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева. Здесь разрабатывают собственную микробную систему очистки вод с синхронной генерацией электроэнергии.
Эффективность. По оценке создателей, сточные воды могут возвращать от 7 до 17% всей потребляемой людьми электроэнергии.
Плюсы
Вода очищается, энергия вырабатывается
Минусы
Вряд ли всем понравится работать с канализационным стоком и прочими отходами
Городская инфраструктура: ни шагу без пользы
Источник. Турникеты, двери и тротуарная плитка.
Условия. Нужны прохожие на тротуарах и желающие проходить через турникеты.
Применение. Несколько исследовательских центров пытаются использовать потоки людей как генераторы энергии. Например, на вокзале в токийском районе Сибуя турникеты оснащены электрогенераторами, а в полу под ними встроены пьезоэлементы. Электричество производится от давления и вибраций, создаваемых людьми, которые на них наступают. В голландском центре Natuurcafe La Port для выработки электричества используют энергию усилия, прикладываемого посетителями для открывания дверей.
Дверной турникет с электрогенератором Фото: Natuurcafe La Port
Пьезоэлемент — это когда при сжатии в кристаллах возникает электрический заряд.
Эффективность. С помощью пьезоэлементов извлекают электричество из тротуарных плит в центре Лондона. Изобретение протестировали в 2012 году во время Олимпиады. За две недели оно дало 20 млн джоулей энергии для освещения улиц.
Плюсы
Толпам зевак наконец-то нашлось применение
Минусы
Во время локдаунов не работает
Человек: ты ж моя батарейка!
Источник энергии. Тепло наших тел.
Условия работы. Нужно, чтоб мы были теплее окружающей среды.
Применение. Есть два типа технологий, собирающих тепло наших тел: гаджеты индивидуального пользования и устройства, аккумулирующие энергию групп людей.
Здесь работает термоэлектрический эффект: если один конец проводника (или соединения двух проводников из разных материалов) теплее другого, между этими концами возникает разность потенциалов.
Энн Макосински. Она создала фонарик без батарейки и аккумуляторов Фото: annmakosinski.com
Индивидуальные устройства появились совсем недавно. Например, в Южной Корее придумали генератор, который встраивается в гибкую стеклянную пластинку, дополняющую фитнес-браслет, и подзаряжается от тепла руки. А канадская изобретательница Энн Макосински создала фонарик без батарейки и аккумуляторов — он заряжается от разницы температур воздуха и человеческого тела.
Изобретение она сделала в 15 лет — и получила за это главный приз на международной научной ярмарке Google.
Устройства, аккумулирующие групповое тепло, используются в некоторых энергоэффективных домах. Люди и бытовые приборы выделяют тепло, которое расходуется на обогрев здания. Причём источником энергии не всегда являются обитатели этого дома — во Франции агентство социального жилья Paris Habitat придумало использовать для отопления 17 квартир тепло тел пассажиров метро, которые в большом количестве проходят под зданием.
В Стокгольме на Центральном железнодорожном вокзале установили специальные устройства, которые преобразуют тепло человеческих душ в отопление соседнего 13-этажного дома. А доверчивые шведы и не подозревают об этом!
Эффективность. Человек — ходячая электростанция, которая работает на непрерывных химических реакциях. При спокойной ходьбе наше тело может питать лампочку мощностью в 60 ватт или подзаряжать телефон, а при занятиях спортом — развивать до 2000 ватт. К сожалению, всё это лишь в теории, а на практике цифры надо делить как минимум на десять, ведь современные термоэлектрические преобразователи имеют очень низкий КПД — менее 10%.
Плюсы
Тело всегда под рукой. А также — ногой, животом и прочими частями тела Низкий КПД.
Минусы
Вообще, главными препятствиями для развития всех этих источников энергии являются недостаток финансирования и медленная окупаемость
Реализация вековой мечты по производству электроэнергии из воздуха
В то время как Европейский Союз стремится к климатической нейтральности к середине века, команда матери и сына помогает преодолеть потенциальное препятствие: ограниченное количество возобновляемых источников энергии источники, способствующие отказу ЕС от ископаемого топлива.
Андрей Любчик является партнером проекта CATCHER, целью которого является расширение комплекса чистой энергии за счет усовершенствования преобразования атмосферной влаги в электричество.
Старый сон
Этот метод включает в себя сбор крошечных зарядов статического электричества, содержащихся в газообразных молекулах воды, которые повсеместно присутствуют в атмосфере. Этот процесс известен как гидроэлектричество или электричество влажности.
«Мы считаем, что благодаря этому новому источнику возобновляемой энергии мы резко повысим эффективность и возможности перехода на зеленую энергию», — сказал Любчик, главный исполнительный директор португальского стартапа Cascatachuva Lda. Он также является инженером-химиком в португалоязычном университете гуманитарных наук и технологий в Лиссабоне, Португалия.
В начале 1900-х годов сербско-американский изобретатель Никола Тесла мечтал об использовании энергии воздуха. Он провел серию экспериментов, пытаясь улавливать электрические заряды из атмосферы и преобразовывать их в электрический ток.
Со времен Теслы ученые узнали больше о том, как электричество образуется и высвобождается в атмосфере, и обнаружили, что водяной пар может нести электрический заряд.
Ноу-хау может стать стимулом для ЕС, который получает около 22% энергии из возобновляемых источников. Компания находится на пути к ужесточению целевого показателя на конец десятилетия для таких источников, которые также включают гидроэнергетику, до 45%.
“Мы резко повысим эффективность и возможности перехода на зеленую энергию.
Андрей Любчик, CATCHER и SSHARE. и уголь.Новая технология
CATCHER, финансируемая программой Pathfinder Европейского совета по инновациям, объединяет восемь партнеров из шести стран Европы для изучения возможностей.
Хотя общая идея может быть такой же, конкретная технология, используемая CATCHER, сильно отличается от технологии Tesla. В проекте используются панели, изготовленные из оксида циркония — твердого кристаллического материала — для захвата энергии из атмосферной влаги.
Оксид циркония представляет собой керамический материал, широко используемый в таких вещах, как зубные имплантаты, передовые стеклоподобные материалы, электроника и оболочка для ядерных топливных стержней.
При изучении свойств наноматериалов, изготовленных из оксида циркония семь лет назад, исследователи начали замечать признаки гидроэлектричества, по словам Светланы Любчик, координатора CATCHER и матери Андрея Любчика.
Как и он, она инженер-химик в португалоязычном университете. Они предприняли различные инициативы, чтобы попытаться использовать этот потенциал.
В настоящее время исследователи достигли точки, когда пластина размером 8 на 5 сантиметров из их материала может генерировать около 0,9 вольта в лаборатории при влажности около 50%. Это сравнимо с выходной мощностью половины батарейки АА.
Работая над повышением эффективности своего гидроэлектрического материала, команда ожидает, что после усовершенствования элементы смогут собирать такое же количество электроэнергии, как и фотоэлектрические элементы аналогичного размера.
Исследователи также считают, что элементы будут использоваться аналогично солнечным панелям — либо в качестве крупных электростанций, либо в качестве источника энергии для отдельных зданий.
Стационарные состояния
Клетки создаются путем производства очень маленьких однородных наночастиц оксида циркония и последующего их сжатия в лист материала с аналогичной структурой, включая ряд каналов или капилляров.
Наноструктура генерирует электрические поля внутри капилляров, которые отделяют заряд от молекул воды, поглощаемых из атмосферы, по словам Андрея Любчика.
Результатом является каскад физико-химических, физических и электрофизических процессов, которые захватывают электрическую энергию.
В одном отношении новая технология будет иметь преимущество перед солнечной и ветровой энергией. В то время как панели и турбины должны быть расположены так, чтобы улавливать солнечный свет и ветер, гигроскопические элементы не требуют специального размещения, поскольку локальные уровни влажности практически не меняются.
Мы можем внести свой вклад в политику ЕС в отношении энергетической независимости.
Светлана Любчик, CATCHER и SSHAREТем не менее, гигроскопические элементы не обязательно будут доступны везде, поскольку для их работы требуется минимальный уровень влажности.
«Например, если на улице минус 15 градусов, так что все замерзло, воды в воздухе не будет», — сказал Андрей Любчик.
Потолочное решение
Вместе со своей матерью он также является координатором проекта SSHARE, финансируемого ЕС, который работает над реальным применением путем включения гидроэлектрических элементов в систему отопления и охлаждения.
«Мы объединяем обе технологии и делаем их самодостаточными», — сказал Андрей Любчик.
Система отопления и охлаждения основана на усовершенствованной излучающей панели, которую можно установить на потолке помещения.
Над панелью проходят перфорированные водопроводные трубы, подающие горячую или холодную воду, в зависимости от того, нужно ли обогреть или охладить помещение.
Затем панель излучает тепло в помещение или поглощает его из помещения через атмосферную влажность, подобно тому, как кожа может излучать тепло через пот.
Система должна обеспечивать питание насосов, обеспечивающих циркуляцию воды, за счет гидроэлектричества, вырабатываемого при прохождении водяного пара через панель.
Самодостаточная система отопления подчеркивает, как гидроэлектроэнергия может помочь ускорить переход к нулевому потреблению энергии, говорят исследователи.
«Мы можем внести свой вклад в политику ЕС в плане энергетической независимости», — сказала Светлана Любчик.
Исследования в этой статье финансировались ЕС. Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею в социальных сетях.
Посмотреть видео
Жизненно важные признаки планеты
Система, разработанная в Лэнгли, запускает воздушного змея в форме восьмерки для питания генератора на земле.
Боб Силберг
Дэвид Норт
Лаборатория реактивного движения НАСАЧем быстрее вращается лопасть ветряной турбины, тем больше энергии вы можете получить от нее.
«Что, если бы у меня была машина, которая была бы всего лишь кончиком лезвия?» — сказал Норт. «Это действительно идея воздушной энергии ветра — избавиться от 400 тонн башни и бетона и просто запустить кончик лопасти. По сути, это запуск воздушных змеев для создания энергии».
Ветряк, который летит на конце троса, а не закреплен на бетонном основании, имеет большие преимущества. Во-первых, он очень портативный — привлекательная функция для потенциальных пользователей, таких как военные, которые присматриваются к технологии для баз в зонах боевых действий, где импорт топлива связан с большим риском и расходами.
Еще одним огромным преимуществом является то, что бортовая система может летать намного выше, вплоть до высот, где ветер дует быстрее и устойчивее.
Стремление к сладкому месту для энергии
По словам Норта, большинство башенных турбин имеют высоту от 80 до 100 метров (примерно 300 футов), что, по его словам, «жалко внизу в пограничном слое Земли». Пограничный слой — это место, где трение о поверхность Земли делает ветер относительно медленным и турбулентным.
Лучшее место для энергии ветра начинается примерно на высоте 2000 футов. Чтобы использовать ветер на такой высоте для выработки электроэнергии, вам пришлось бы построить турбинную башню выше Эмпайр-стейт-билдинг. Или можно запустить воздушного змея.
Существует два основных типа бортовых ветроэнергетических систем. Один из них, известный как «флайген», представляет собой буквально летающий генератор со встроенными в воздушный змей турбинами. Полученное электричество передается по тросу к накопителю или распределительному устройству на земле.
В системе другого типа генератор находится на земле и приводится в действие за счет сматывания троса, когда воздушный змей подхватывается ветром. При маневрировании кайта, подобно парусной лодке, лавирующей против ветра, периодическая фаза намотки может потреблять только около 10 процентов энергии, производимой фазой намотки, на 9 секунд.0 процентов чистой прибыли.
Несколько частных компаний пытаются вывести энергию ветра с воздуха на рынок. Вклад НАСА сосредоточен на двух аспектах технологии: автономном управлении полетом и аэродинамике.
«Многие летающие системы имеют довольно грубую аэродинамику», — сказал Норт. Он объяснил, что компании, находящиеся под давлением инвесторов, не могут тратить много времени на сложную задачу оптимизации эффективности воздушного змея. «Здесь, в НАСА, — сказал он, — мы можем позволить себе роскошь сосредоточиться на конкретных проблемах и не беспокоиться о выпуске коммерческого продукта к определенной дате».
Автономность — возможность установить ее и забыть о ней на долгое время — имеет решающее значение для воздушной ветроэнергетики.
Быстро, дешево и под контролем
В отличие от изображения Бенджамина Франклина на этой картине, херувимы не сопровождали Дэйва Норта во время его эксперимента по получению электричества от воздушного змея.По словам Норта, компании, которые до сих пор демонстрировали автономный полет, полагались на сложную бортовую электронику и системы управления полетом, сравнимые с системами автопилота для коммерческих самолетов. «Наша цель — упростить все это, — сказал он, — особенно если мы летим только на высоте 2000 футов, что в большинстве случаев находится ниже облаков».
1 марта 2012 года Норт и его коллеги из Лэнгли совершили первый в мире устойчивый автономный полет, используя только наземные датчики. «Наш прорыв, — сказал Норт, — заключается в том, что мы в основном используем дешевую цифровую веб-камеру, подключенную к портативному компьютеру (на земле), чтобы отслеживать движение воздушного змея и поддерживать его автономный полет».
Система Лэнгли работает так же, как игровая система Microsoft Kinect, которая отслеживает движения тела игроков. «Это программное обеспечение для распознавания образов», — сказал Норт. «Программное обеспечение в основном определяет, где находится воздушный змей, как он ориентирован и как быстро он движется, и использует все эти данные для ввода в систему управления полетом».
Прототип Лэнгли был небольшим, с размахом крыльев около 10 футов. Но устройства, которые в конечном итоге производит промышленность, вероятно, будут намного больше. «Некоторые люди говорят об очень больших размерах крыльев, например, о размерах крыльев авиалайнеров Boeing 747», — сказал Норт.
Затем панель излучает тепло в помещение или поглощает его из помещения через атмосферную влажность, подобно тому, как кожа может излучать тепло через пот.
И чем дальше вы от ступицы, тем быстрее движется эта часть лезвия. Таким образом, кончики лопастей генерируют большую часть мощности турбины — целых 90 процентов, по словам Дэвида Норта, инженера исследовательского центра НАСА в Лэнгли в Вирджинии.
А с большей скоростью приходит гораздо большая энергия. Двигаясь в два раза быстрее, вы получаете в восемь раз больше энергии. Движение в три раза быстрее производит в 27 раз больше энергии.
Запускать воздушного змея вручную — это весело, но 24/7 в течение нескольких месяцев — это слишком много, чтобы просить человека-оператора, даже если он или она может выполнять точные маневры, которые требуются снова и снова. А вероятность того, что воздушные ветряные электростанции будут расположены далеко от берега, где воздушное движение имеет тенденцию парить высоко над высотой, на которой будут летать эти воздушные змеи, делает автономию еще более желательной.
