العاصفة الرعدية هي ظاهرة جوية تحدث فيها عدة شرارات تصريفات كهربائية في السحب الركامية الواقعة على ارتفاع 7-15 كم - البرق ، مصحوبة برعد ، زخات مطر ، بَرَد ورياح متزايدة. وفقًا للمفاهيم الحديثة ، تحدث كهربة السحب نتيجة احتكاك بلورات الجليد بمزيج من بخار الماء وقطرات الماء الصغيرة. يحدث فصل الشحنات الكهربائية وتكوين مجال كهربائي فقط مع التيارات الرأسية الصاعدة والهابطة الشديدة.
للحصول على مشكلة أوضح تتعلق باستخدام طاقة تصريفات البرق ، دعونا نتناول بإيجاز وجهات النظر الحديثة الرئيسية حول ظاهرة الصواعق. في الوقت الحالي ، لم يتم حل السؤال نهائيًا ، بسبب قطرات الماء وبلورات الجليد في السحب الرعدية. تعتقد مجموعة من العلماء أن قطرات الجليد والبلورات تلتقط شحنة من الهواء ، وتعتقد مجموعة أخرى أنها مشحونة بسبب تبادل الشحنة عند الاتصال ببعضها البعض. نتيجة للدراسات التجريبية ، وجد أن الجزء المائي من السحابة يمتد من الحافة السفلية للسحابة الرعدية إلى الطبقة بدرجة حرارة 00 درجة مئوية. في المنطقة ذات درجات الحرارة من 00 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية ، يتعايش الماء والجليد ، وأقل من 150 درجة مئوية ، تتكون السحابة عادة من بلورات الجليد فقط. يحتوي الجزء القطري من السحابة بشكل أساسي على شحنة سالبة ، بينما يحتوي الجزء الجليدي على شحنة موجبة. في خطوط العرض الوسطى ، يقع مركز الشحنة السالبة لغيمة رعدية على ارتفاع حوالي 3 كيلومترات ، ومركز الشحنة الموجبة على ارتفاع 6 كيلومترات تقريبًا. تبلغ قوة المجال الكهربائي داخل السحابة الرعدية 100-300 فولت / سم ، ولكن قبل تفريغ البرق بأحجام صغيرة منفصلة يمكن أن تصل إلى 1600 فولت / سم. تكون عملية العاصفة الرعدية مستحيلة دون فصل الشحنات في السحابة بالحمل الحراري. ينقسم مجال الحمل الحراري في السحب إلى عدة خلايا (تصل إلى 8 خلايا في بعض العواصف الرعدية). تمر كل خلية حملية بمرحلة المنشأ والنضج والانحلال. في مرحلة التنوي ، تسود التيارات الصاعدة في خلية الحمل الحراري بأكملها. في بعض الحالات ، يمكن أن تصل سرعة التدفقات الصاعدة إلى 30 م / ث ، لكنها بشكل عام تتراوح من 10 إلى 12 م / ث. تتميز الخلية الحملية الناضجة بتطور عمليات التحديث والتدفقات السفلية والنشاط الكهربائي (تصريفات البرق) وهطول الأمطار. يبلغ قطر هذه الخلية الأفقي 2-8 كيلومترات ويمتد ارتفاعها إلى مستوى درجة حرارة 40 درجة مئوية. في مرحلة التخميد ، تسود التيارات التنازلية الضعيفة في خلية الحمل الحراري بأكملها مع انخفاض في النشاط الكهربائي ومقدار هطول الأمطار لكل وحدة زمنية. دورة الحياة الكاملة لخلية الحمل حوالي ساعة ،
مدة النضج 15-30 دقيقة ، مرحلة الاضمحلال حوالي 30 دقيقة.
العاصفة الرعدية التي تستمر عدة ساعات هي نتيجة نشاط العديد من خلايا الحمل.
يصل حجم السحابة الرعدية ، التي تتكون من مزيج من القطرات وبلورات الجليد ، من مئات إلى عدة آلاف من الكيلومترات المكعبة. تبلغ كتلة جزيئات جليد الماء بهذا الحجم 106-107 طنًا تقريبًا.
تتراوح الطاقة الكامنة في السحابة الرعدية من 1013 إلى 1014 جول وتصل إلى طاقة قنبلة ميغا طن نووي حراري. البرق ، الخطي عادة ، بطول عدة كيلومترات ، وقطره عشرات السنتيمترات ، يشير إلى التفريغ الكهربائي ، لأنه يتولد في مجموعة من الجسيمات المشحونة ، مما يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. وفقًا لظروف التطور ، تنقسم العواصف الرعدية إلى كتلة داخلية وأمامية. تنشأ عواصف رعدية داخل الكتلة فوق البر الرئيسي نتيجة للتسخين المحلي للهواء من سطح الأرض ، مما يؤدي إلى تطور تيارات تصاعدية للحمل المحلي فيها وتكوين سحب ركامية قوية. لذلك ، تتطور العواصف الرعدية الجماعية فوق اليابسة بشكل رئيسي في ساعات بعد الظهر. عبر البحار ، يتم ملاحظة الظروف الأكثر ملاءمة لتطوير الحمل الحراري في الليل ، والحد الأقصى في الدورة اليومية يقع في الساعة 4-5 صباحًا.
تحدث العواصف الرعدية الأمامية على المقاطع الأمامية ، أي على الحدود بين الكتل الهوائية الدافئة والباردة وليس لها مسار يومي منتظم. على قارات المنطقة المعتدلة ، تكون أكثر تكرارا وشدة في الصيف ، في المناطق القاحلة - في الربيع والخريف. تحدث العواصف الرعدية الشتوية في حالات استثنائية - أثناء مرور الجبهات الباردة الحادة بشكل خاص. بشكل عام ، تعتبر العاصفة الرعدية الشتوية ظاهرة نادرة جدًا.
يتم توزيع العواصف الرعدية على الأرض بشكل غير متساوٍ للغاية: في القطب الشمالي تحدث مرة كل بضع سنوات ، في المنطقة المعتدلة في كل نقطة على حدة ، هناك عدة عشرات من الأيام مع العواصف الرعدية. تعد المناطق الاستوائية والمنطقة الاستوائية أكثر مناطق الأرض رعدًا ، وتسمى "حزام العواصف الرعدية الأبدية". في منطقة بوتنسورج بجزيرة جاوة ، تهطل العواصف الرعدية 322 يومًا في السنة. في الصحراء الكبرى ، تكاد لا توجد عواصف رعدية على الإطلاق. التركيب الكهربائي لسحابة رعدية نموذجية ثنائي القطب - توجد الشحنات الموجبة والسالبة في الجزأين العلوي والسفلي من السحابة ، على التوالي. بالقرب من قاعدة السحابة ، وتحت شحنة سالبة ، عادة ما يكون هناك شحنة إضافية
شحنة موجبة. اعتمادًا على الظروف (على وجه الخصوص ، على خط عرض المنطقة) ، من الممكن وجود قيم مختلفة من الشحنات الموجبة العلوية والسالبة السفلية.
يتم تحديد المجال الكهربائي في السحب من خلال توزيع الشحنات الفضائية التي أنشأتها جميع ناقلات الشحنة في سحابة معينة. في السحب الرعدية ، يحدث تراكم سريع جدًا لشحنات الفضاء الكبيرة. يمكن أن يكون متوسط كثافة شحنة الفضاء في حدود (0.3-3) 10-C / م. المناطق ذات الكثافة القصوى للشحن هي في حدود عدة مئات من الأمتار في الحجم. في مثل هذه الأحجام المحلية للسحابة ، يتم إنشاء الظروف الملائمة لتشكيل البرق. وفقًا للمفاهيم الحديثة ، غالبًا ما توجد أحجام ذات كثافة شحنة قصوى (مناطق عدم التجانس) بحجم 200-400 متر.تتكون عملية تطوير البرق الأرضي من عدة مراحل. في المرحلة الأولى ، في المنطقة التي يصل فيها المجال الكهربائي إلى قيمة كافية ، يبدأ تأثير تأين الهواء. الإلكترونات الحرة ، التي توجد دائمًا بكميات صغيرة في الهواء ، تحت تأثير مجال كهربائي ، تكتسب سرعات كبيرة نحو الأرض ، وتصطدم مع ذرات الهواء ، تؤينها. وهكذا ، تنشأ الانهيارات الجليدية الإلكترونية ، وتتحول إلى خيوط من التفريغ الكهربائي ، وهي قنوات موصلة جيدًا ، والتي ، مندمجة ، تؤدي إلى قناة متأينة حراريًا ساطعة ذات موصلية عالية - قائد صاعقة متدرج. تحدث حركة القائد إلى سطح الأرض على درجات عدة عشرات من الأمتار ، بسرعة تقارب 510 م / ثانية ، وبعد ذلك تتوقف حركته لعدة عشرات من الميكروثانية ، ويضعف التوهج بشكل كبير. في المرحلة اللاحقة ، يتقدم القائد مرة أخرى عدة عشرات من الأمتار. في الوقت نفسه ، يغطي الوهج الساطع جميع الخطوات التي تم اجتيازها ؛ ثم توقف وضعف الوهج مرة أخرى. تتكرر هذه العمليات عندما يتحرك القائد إلى سطح الأرض. عندما يتحرك القائد نحو الأرض ، يزداد الجهد في نهايته وتحت تأثيره ، يتم طرد غاسل استجابة من الأجسام البارزة على سطح الأرض ، متصلاً بالقائد. في المرحلة النهائية ، يتبع تفريغ البرق الرئيسي القناة المتأينة بواسطة القائد. يتميز التفريغ الرئيسي بتيارات من عشرات إلى مئات الآلاف من الأمبيرات ، والسطوع يتجاوز بشكل كبير سطوع القائد ، والسرعة العالية.
حول
مقدمًا ، يصل مبدئيًا إلى حوالي 10 م / ث ، في النهاية يتناقص إلى قيم 107 م / ث. يمكن أن تتجاوز درجة حرارة القناة أثناء التفريغ الرئيسي 25000 درجة مئوية. يبلغ طول القناة من 1 إلى 10 كم ، ويبلغ قطرها عدة سنتيمترات. بعد مرور النبضة الحالية ، يضعف تأين القناة ووهجها. الشكل 2.20. يتم عرض ثلاث مراحل من تطور البرق. في هذا الشكل: 1- سحابة رعدية. 2 - قناة القائد المتدرج ؛ 3 - تاج القناة ؛ 4 - نبضات الإكليل على رأس القناة ؛ 5 - الفئة الرئيسية. من حيث المبدأ ، فإن الطرق الرئيسية التالية للحصول على الكهرباء من تصريف البرق ممكنة.
في عام 1928-1933 ، تم تعليق شبكة معدنية على جبل جينيروسو في سويسرا على ارتفاع 80 مترًا فوق سطح الأرض. خلال العواصف الرعدية ، جمعت هذه الشبكة شحنة كافية للحفاظ على قوس كهربائي بطول 4.5 متر لمدة 0.01 ثانية ، وهو ما يتوافق مع قوة تيار تبلغ عدة عشرات الآلاف من الأمبيرات وفرق محتمل قدره مليون فولت. في البداية ، كان من المفترض أن يتم الحصول على هذا
ضبط الجهد المستخدم لتسريع الجسيمات المشحونة في المسرعات. ومع ذلك ، كان لا بد من التخلي عن هذه الفكرة بسبب الأقوياء 
أرز. 2.20. ثلاث مراحل من تطور البرق
تقلب الحالة الكهربائية للسحب الرعدية وعدم القدرة على تنظيمها حتى الآن. محاولات استخدام التيار الكهربائي المتدفق أثناء العواصف الرعدية في الهوائيات المرتفعة فوق سطح الأرض لتشغيل المصابيح المتوهجة لم تسفر بعد عن تأثير مفيد اقتصاديًا.
تُعرف التجارب ، نتيجة للانفجارات العميقة في البحر ، والتي رفعت ينابيع المياه إلى ارتفاع حوالي 70 مترًا تحت سحابة رعدية ، حدثت تصريفات للسحب في البحر. أيضًا ، تم تفريغ السحابة الرعدية عمليًا على سطح الأرض (البحر) بمساعدة سلك تم توصيله إلى السحابة بواسطة صاروخ. يحدث التفريغ عادةً عندما ارتفع الصاروخ إلى ارتفاع حوالي 100 متر ، واتضح أن هذا كافٍ لتصريف سحابة رعدية على الأرض مع ارتفاع حد أدنى يبلغ حوالي كيلومتر واحد. كانت هناك أيضًا محاولات لاستخدام حزمة من البروتونات تم الحصول عليها من السنكروترون ، وكذلك بمساعدة الليزر ، لإنشاء قناة للصواعق. تتمثل العيوب الرئيسية لهذه الأساليب في عدد من الصعوبات التقنية البحتة. كانت هناك مشاريع لتشتيت الصفائح المعدنية أو المعدنية والخيوط في السحب ، ولعبت دور موصلات ماس كهربائى وفي نفس الوقت أجهزة التفريغ الدقيقة ، والتي بسبب وجود مجال كهربائي خاص بها في السحابة ، كان هناك انخفاض محتمل يتم إنشاء ما يكفي لتفريغ الهالة. أظهرت التجارب على بذر الغيوم بكواشف متبلورة من أجل تغيير حالتها الكهربائية أنه في ظل الظروف المناسبة
من الممكن إحداث كهربة مكثفة للسحابة ، وترتبط إحدى طرق التحكم في الحالة الكهربائية للسحب الرعدية بالتحكم في عملية التبلور. لكن نتائج مثل هذا
لم يتم تحديد التأثيرات على إمكانية إحداث تفريغ عالي الطاقة بشكل كافٍ.
اقترح مهندسو الطاقة الروس طريقة لاستخدام طاقة البرق ، والتي تتمثل في حبس شحنات الصواعق من خلال قضبان الصواعق المتصلة كهربائيًا بموصل سفلي ، والتي يتم تأريضها من خلال منشأة استخراج طاقة البرق ، واستخدام الكهرباء 
طاقة البرق على سعة تخزين مشتركة ، مع بدء تفريغ البرق بشكل إضافي عن طريق ، على سبيل المثال ، بواعث الليزر التي تخلق مناطق من الانهيار الكهربائي للهواء الكهربائي لإثارة قائد يتطور بشكل مطرد لتفريغ شرارة كهربائية من البرق ، ويتم إزالة الطاقة من خلال جامع تيار مصنوع من دوائر طنين لمرشحات LC مع جسور الصمام الثنائي.
تظهر الدائرة الكهربائية للجهاز المقترح في الشكل 3.20. في هذا الشكل: 1- قضبان الصواعق. 2 - موصل لأسفل 3- مرشحات LC الرنانة من ثلاثة أقسام ؛ 4 - إجمالي سعة التخزين. 5- التبديل التلقائي. 6 - مقاومة الإبطال ؛ 7- منفذ للمستهلك. كل مانع من الصواعق مصنوع على شكل شبكة معدنية معلقة فوق الأرض ومثبتة على عوازل. يتكون المجمع الحالي من أكثر من مرحلتين D متصلتين بشكل متوازي ومتسلسل ، والتي توفر انخفاضًا في تيار تفريغ البرق. تتكون كل مرحلة من مرشحات LC الرنانة من ثلاثة أقسام ، مترابطة بواسطة اقتران حثي مشترك. يتكون اقتران حثي مشترك من ثلاث لفات محث متصلة في سلسلة ، ويتم توصيل مقوم الجسر المقابل عند إخراج كل مرحلة. في هذه الحالة ، تكون مخرجات مقومات الجسر مترابطة على التوازي ومتصلة بسعة تخزين مشتركة CH. يتم توصيل المخرجات "الموجبة" من خلال الثنائيات المعدلة بلوحة السعة التخزينية الإجمالية Sn. يتم توصيل مخرجات "ناقص" بلوحة أخرى من السعة التراكمية CH ، يتم توصيل الإخراج من CH بنظام المستهلك. يتم تثبيت مفتاح أوتوماتيكي عند مخرج خزان التخزين المشترك SN للاتصال بالمستهلك أو
المقاومة ، مما يلغي الشحنة المتراكمة من إجمالي سعة التخزين.
تم اقتراح جهاز أيضًا يتم فيه استخدام أنبوب موصل عمودي معزول عن الأرض كقضيب مانع للصواعق ، يتم بداخله إدخال كوب عازل سميك الجدران مقلوبًا بحيث يرتفع الجزء العلوي من الأنبوب فوق حواف الكوب. يتم تطبيق طلاء موصل مؤرض على السطح الداخلي لجدران الكوب. يتم توصيل قضيب الصواعق كهربائيًا بأحد طرفي الملف الأولي للمحول ، والذي يتم تأريض الطرف الآخر منه. يشكل تحريض الملف الأولي والسعة التي يشكلها الأنبوب الموصّل ، وجدران الزجاج والطلاء الموصّل دائرة تذبذبية متوازية. يبدأ تفريغ البرق على مانع الصواعق عن طريق الانهيار البصري الممتد ، والذي يتكون من شعاع من ليزر الأشعة تحت الحمراء النبضي. يتكون تكوين واتجاه حزمة التسخين بواسطة مرآة ثنائية اللون يتم التحكم فيها ،
يقع داخل الزجاج. تعمل هذه المرآة في وقت واحد كجزء من نظام المسح الضوئي للغلاف الجوي ، وهو أمر ضروري لتحديد المناطق ذات التدرجات الحرجة للجهد في الجزء السفلي من السحب الرعدية باستخدام الطريقة المعروفة للموقع البصري. يتم استخدام الطاقة المأخوذة من اللف الثانوي للمحول لتشغيل جميع أنظمة الجهاز ، ويمكن نقل جزء منها إلى المستهلكين. جهاز لتراكم الطاقة الكهربائية. يظهر في الشكل 4.20 جهاز يسمح لك بتجميع الطاقة الكهربائية المنبعثة في مانع الصواعق عندما يضربه البرق ، وكذلك لاستخراج فائضه من الغلاف الجوي بين تصريفات البرق. في هذه الصورة: 1- مانع صواعق معدني. 2 - لفائف حلقية 
الحث. 3 - مطابقة العناصر ؛ 4- التأريض. كما يتضح من الشكل أعلاه ، يحتوي هذا الجهاز الحاصل على براءة اختراع على قضيب مانع للصواعق مثبت رأسياً. علاوة على ذلك ، فإن مانعة الصواعق مصنوعة على شكل موصل معدني ، بالقرب من عنصر واحد أو أكثر لالتقاط الطاقة الكهربائية.
يحتوي عنصر التقاط الطاقة الكهربائية على مغو ،
عنصر من أشباه الموصلات وسعة متصلة على التوالي لتشكيل دائرة كهربائية واحدة. في هذا الجهاز ، يتم وضع المحث بشكل متعامد على أي مستوى يمر عبر محور قضيب الصواعق ، ويتم تصنيعه على شكل حلقي ، يتطابق محور التناظر مع محور قضيب الصواعق.
طور علماء صينيون من معهد فيزياء الغلاف الجوي تقنية مختلفة قليلاً لاستخدام طاقة البرق. لالتقاط البرق ، سيتم استخدام الصواريخ المجهزة بقضبان خاصة للصواعق ، والتي سيتم إطلاقها في وسط سحابة رعدية. يجب أن يبدأ الصاروخ "YL-1" قبل بضع دقائق من ضربة البرق. وقال مطورو الجهاز "أظهرت الفحوصات أن دقة الإطلاق 70٪". سيتم استخدام طاقة البرق ، وكذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي ينتجه ، لتعديل المحاصيل الزراعية وراثيًا وإنتاج أشباه الموصلات. بالإضافة إلى ذلك ، ستقلل التكنولوجيا الجديدة بشكل كبير من الأضرار الاقتصادية الناجمة عن العواصف الرعدية.
اقترحت الشركة الأمريكية Alternative Energy Holdings (Alt-Holding) طريقة أخرى لاستخدام الطاقة المجانية. يدعي متخصصو الشركة أنهم تمكنوا من تطوير طريقة لجمع واستخدام الطاقة التي تحدث أثناء التفريغ الكهربائي في السحب الرعدية. أطلق على المشروع اسم Lightning Harvester.
منذ عام 2006 ، تعقد eVolo مسابقة eVolo Skyscraper السنوية ، والتي يحضرها المهندسون المعماريون الذين يصممون المباني الشاهقة المعقدة ، وناطحات السحاب المبنية باستخدام أحدث التقنيات والاستخدام المكثف لأحدث المواد. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم منظمو المسابقة بتقييم المشاريع المقدمة من حيث مدى ملاءمتها للبيئة ، والتي تحظى باهتمام خاص. وهكذا ، فازت مسابقة Evolo Skyscraper 2011 لهذا العام بجوائز مشاريع LO2P Recycling Skyscraper (ناطحة سحاب لإعادة التدوير في الهند) وبرج مسطح (طاقة بديلة) وسد هيدروليكي يجمع بين محطة طاقة ومعرض وحوض مائي. في نفس المسابقة ، قدمت مجموعة من المهندسين المعماريين والمهندسين من صربيا مشروع ناطحة سحاب غير عادي ينتج الهيدروجين باستخدام الكهرباء "السماوية". اتضح أن فكرة الفريق الصربي كانت مثيرة للاهتمام لدرجة أن مشروع "خضرة" حصل على تقدير مشرف ، لكنه الآن يفوز بإحدى الجوائز. في الواقع ، ناطحة سحاب Hydra هي مشروع مبنى شاهق من شأنه التقاط البرق من الرعد المار في المنطقة. علاوة على ذلك ، من المفترض أن تستخدم طاقتها في عملية فصل (التحليل الكهربائي) من الماء العادي إلى مكونات - الهيدروجين والأكسجين. وبالتالي ، فإن هذا المبنى ، من ناحية ، سيكون بمثابة مصدر للطاقة النظيفة ، ومن ناحية أخرى ، سيصبح موردًا آخر للأكسجين في الغلاف الجوي للأرض.
نظرًا لعدم القدرة على التنبؤ وتقلب البرق ، اقترح مؤلفو المشروع العديد من الحلول التي ستساعد في تحسين أداء ناطحة سحاب خضر. من أجل جذب أكبر عدد ممكن من تصريفات الصواعق ، يجب تثبيت الهيكل في تلك المناطق من الكوكب حيث يُلاحظ أكبر عدد من الصواعق. تشمل هذه المناطق بعض المناطق الواقعة في الولايات المتحدة (فلوريدا) وفنزويلا وكولومبيا والهند (في الجزء الشمالي من هذه البلدان) وإندونيسيا (شبه جزيرة ملقا) والكونغو (إفريقيا). في هذه المناطق ، لكل كيلومتر مربع من الأراضي ، هناك 50-70 أو أكثر من الصواعق سنويًا. بالإضافة إلى اختيار المكان المناسب للبناء ، فإن إنشاء مشروع "خضرة" في المناطق المفتوحة سيزيد من احتمالية نجاح عملية البحث عن البرق. لذلك ، إذا كانت ناطحة السحاب تقع في مدينة كبيرة ، فيجب أن تصبح أطول مبنى في المدينة. خلاف ذلك ، سيتم ببساطة جذب جزء من البرق بواسطة ناطحات السحاب أو الأبراج المرتفعة المجاورة. كما هو الحال ، على سبيل المثال ، لوحظ في مبنى إمباير ستيت (أطول مبنى في نيويورك) ، والذي يتلقى فقط حوالي 20 صاعقة كل عام.
بالإضافة إلى صعوبة التنبؤ المسبق بكمية البرق التي يمكن لـ "ناطحة سحاب" الصربية التقاطها ، يواجه المشروع الكثير من المشكلات الأخرى المستعصية. هذه درجات حرارة تشغيل عالية (تصل إلى 27000 درجة مئوية) وتيار هائل (يصل إلى 200000 ألف) من تصريفات الصواعق ، والتي ستضع أعلى المتطلبات على المواد المستخدمة ، فضلاً عن الحاجة إلى إنشاء مكثفات ذات سعة كبيرة و بخصائص غير مسبوقة.
ومع ذلك ، قبل دخول كهرباء الغلاف الجوي إلى الشبكة الصناعية ، يجب تحويلها إلى معيار صناعي: التيار المتردد بتردد 50-60 هرتز بجهد 220-550 فولت (تختلف هذه المعلمات لشبكات الطاقة في مختلف البلدان) . أي أنه لا يكفي مجرد إرسال صاعقة إلى محرك الأقراص. تم اقتراح حلول مختلفة لهذه المشكلة في أوقات مختلفة ، بما في ذلك خزانات المياه الجوفية. تحت تأثير طاقة التفريغ الكهربائي ، يجب أن يتحول الماء إلى بخار ، والذي ، وفقًا لمؤلفي براءة الاختراع (وحصل هذا المخطط على براءة اختراع في الولايات المتحدة في الستينيات من القرن الماضي) ، يجب أن تدور شفرات التوربينات ، كما هو الحال في محطات الطاقة الحرارية والنووية الكلاسيكية. لكن كفاءة هذه المولدات منخفضة للغاية. في الوقت الحاضر ، تم تطوير مكثفات كهربائية قوية - أجهزة تخزين عالية السعة قادرة على تخزين الطاقة المخزنة لأشهر ومحولات التيار المتردد على الثايرستور عالي السرعة ، وكفاءتها تقترب من 85٪. المشكلة الثانية هي عدم القدرة النسبية على التنبؤ بالعواصف الرعدية وتوزيعها غير المتكافئ. بالطبع ، يُلاحظ أكبر نشاط للعواصف الرعدية بالقرب من خط الاستواء ، لكن التصريفات التي تحدث في خطوط العرض هذه تحدث غالبًا ليس بين السحب الرعدية والأرض ، ولكن بين السحب أو أجزاء من السحابة. بالطبع ، يوجد في وسط إفريقيا منطقة شاسعة يوجد بها أكثر من 70 صاعقة لكل كيلومتر مربع سنويًا. توجد مثل هذه المناطق في الولايات المتحدة: في ولايتي كولورادو وفلوريدا. لكن مع ذلك ، هذه مناطق محلية تمامًا. وفي الوقت نفسه ، فإن كهرباء الغلاف الجوي متاحة نظريًا في أي مكان على هذا الكوكب.
قام المتخصصون الذين يعملون مع القمر الصناعي الأمريكي لقياس هطول الأمطار الاستوائية (TRMM) بنشر تقرير عن أحد إنجازاتهم الأخيرة. بعد سنوات عديدة من الملاحظات ، جمعت TRMM خريطة العالم لتواتر البرق ، وفقًا لعدد التصريفات المسببة للعمى التي تحدث على كل كيلومتر مربع من منطقة معينة في السنة. يوجد في الجزء الأوسط من القارة الأفريقية منطقة يوجد بها أكثر من 70 صاعقة لكل كيلومتر مربع في السنة. هناك تم التخطيط لبناء مصنع "البرق". في الوقت نفسه ، يعتقد المطورون أن محطة الطاقة الصاعقة ستؤتي ثمارها في غضون 4-7 سنوات.
وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من الطبيعة المدروسة جيدًا لتشكيل وتشكيل تصريفات البرق ، تظهر بيانات تجريبية جديدة بمرور الوقت. لذلك ، في عام 1989 ، تم اكتشاف نوع جديد منها - التفريغ الكهربائي على ارتفاعات عالية ، أو العفاريت. تتشكل هذه التصريفات في طبقة الأيونوسفير وتضرب من أعلى إلى أسفل باتجاه السحب الرعدية على مسافة 40-50 كم ، لكنها تختفي قبل أن تصل إليها. لوحظ برق أكثر غرابة من قبل علماء من جامعة تايوان تشين كون الوطنية خلال عدة عواصف رعدية فوق بحر الصين الجنوبي في عام 2002. لم تتأثر تصريفات كهرباء الغلاف الجوي ، بل ارتفعت - من السحب الرعدية إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي. كان للصواعق المتفرعة أبعاد هائلة: ارتفع طول التعرج المضيء 80 كم 95 كم. واستغرقت التصريفات أقل من ثانية ورافقها بث إذاعي منخفض التردد.
أسئلة الاختبار
ما هي الظاهرة الطبيعية التي تسمى "العاصفة الرعدية"؟
ما هي الظاهرة التي تحدث بها كهربة السحب؟
ما هي عملية تطوير البرق الأرضي؟
ما هي الطرق الأساسية الممكنة للحصول على الكهرباء من تصريف البرق؟
ما هي الأجهزة التي تم اقتراح استخدامها كقضيب مانع للصواعق؟
في أي مناطق من كوكبنا يتم ملاحظة البرق أكثر؟
في أي دول العالم سيبدأ استخدام طاقة البرق؟
بورانوف رازيف راسيموفيتش
طالب UGATU ،
روسيا ، جمهورية. باشكورتوستان. أوفا
مشرف:
تيريجولوف تي. أوفا الدولة للطيران
جامعة فنية
فرع تويمازي
بريد الالكتروني: [بريد إلكتروني محمي]
ستصف المقالة المعلمات الرئيسية للصواعق ، وآفاق تطوير طاقة البرق ، والحقائق المثيرة للاهتمام ، والمشاكل في هذا المجال.
الكلمات الرئيسية: البرق ، البرق ، الطاقة ، الرعد ، الطاقة ، التفريغ ، الكهرباء.
طاقة العواصف الرعدية هي طريقة لتوليد الطاقة عن طريق التقاط وإعادة توجيه طاقة البرق إلى شبكة الطاقة. يستخدم هذا النوع من الطاقة مصدرًا متجددًا للطاقة وينتمي إلى مصادر الطاقة البديلة. البرق هو تفريغ شرارة كهربائية عملاقة في الغلاف الجوي يمكن أن يحدث عادة أثناء عاصفة رعدية ، يتجلى في وميض الضوء الساطع والرعد المصاحب. تصل القوة الحالية في تفريغ البرق على الأرض إلى 10-500 ألف أمبير ، والجهد يتراوح من عشرات الملايين إلى مليار فولت. طاقة التفريغ - من 1 إلى 1000 جيجاوات. كمية الكهرباء التي يستهلكها البرق أثناء التفريغ تتراوح من 10 إلى 50 كولوم. في 11 أكتوبر 2006 ، أعلنت شركة Alternative Energy Holdings عن تطوير ناجح لنموذج أولي يمكنه إظهار القدرة على "التقاط" البرق من أجل تحويله إلى كهرباء. هذا النوع من الطاقة لا يسبب أي ضرر للبيئة. خفض سعر الكهرباء. مثل هذا التثبيت سيؤتي ثماره مثل هذا التثبيت في 4-7 سنوات. في أوقات مختلفة ، اقترح العديد من المخترعين المراكم الأكثر غرابة - من الخزانات الأرضية التي تحتوي على معدن من شأنه أن يذوب من الصواعق التي تسقط في مانع الصواعق والماء الساخن ، الذي يقوم بخاره بتدوير التوربينات ، إلى المحلل الكهربائي الذي يحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين عن طريق تصريفات الصواعق. .
في عام 2006 ، نشر المتخصصون الذين يعملون مع بعثة قياس العواصف الاستوائية التابعة لوكالة ناسا بيانات عن عدد العواصف الرعدية في مناطق مختلفة من الكوكب. وفقًا للدراسة ، أصبح معروفًا أن هناك مناطق تحدث فيها ما يصل إلى 70 ضربة صاعقة سنويًا لكل كيلومتر مربع خلال العام. ويترتب على ذلك أن طاقة العواصف الرعدية لها مستقبلها الخاص. وفقًا لبعض التقارير ، تطلق عاصفة رعدية قوية واحدة قدرًا من الطاقة يستهلكه جميع سكان الولايات المتحدة في 20 دقيقة.
هناك الكثير من المشاكل هنا. عليك أن تتنبأ بمكان حدوث العاصفة.
تستمر ضربة البرق لجزء من الثانية. خلال هذا الوقت ، يجب أن يكون لديك وقت لتخزين طاقته. هذا يتطلب مكثفات قوية ومكلفة. يمكن أيضًا استخدام أنظمة تذبذبية مختلفة مع دوائر من النوع الثاني والثالث ، حيث يمكن مطابقة الحمل مع المقاومة الداخلية للمولد. البرق عملية كهربائية معقدة وتنقسم إلى عدة أنواع: سالب - يتراكم في الجزء السفلي من السحابة وإيجابي - يتجمع في الجزء العلوي من السحابة. يجب أيضًا أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند إنشاء مزرعة البرق.
لذلك دعونا نلخص.
من المزايا ، يمكننا القول أن طاقة العواصف الرعدية هي شكل من أشكال الطاقة أرخص وصديق للبيئة.
أولاً ، هناك مناطق يضرب فيها الصواعق كثيرًا وسيكون من السهل التقاطها.
ثانيًا ، سوف تؤتي ثمارها خلال 4-7 سنوات. بالطبع ، بغض النظر عن نوع محطة التقاط البرق التي توصلنا إليها ، ستكون فعاليتها عند تحويل التيار بعيدة عن 100٪ ، ومن الواضح أنه لن يكون من الممكن قبض على كل البرق الذي ضرب في مزرعة البرق المجاورة.
عادة ، عندما يتحدث الناس عن الطاقة البديلة ، فإنهم يقصدون تقليديًا تركيبات لإنتاج الطاقة الكهربائية من مصادر متجددة - ضوء الشمس والرياح. مع كل هذا ، تستبعد الإحصائيات توليد الكهرباء في محطات الطاقة الكهرومائية ، والمحطات التي تستخدم قوة المد البحري والمحيط ، وكذلك محطات الطاقة الحرارية الأرضية. على الرغم من أن مصادر الطاقة هذه تعتبر أيضًا متجددة. لكنها كلاسيكية ، وقد تم استخدامها على نطاق صناعي لسنوات عديدة.
يعتبر مصدر الطاقة البديلة من الموارد المتجددة ، فهو يحل محل مصادر الطاقة الكلاسيكية التي تعمل على النفط والغاز الطبيعي المستخرج والفحم ، والتي عند حرقها تطلق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، مما يساهم في ارتفاع تأثير الاحتباس الحراري والاحتباس الحراري. .
السبب الجذري للبحث عن مصادر الطاقة البديلة هو الحاجة إلى الحصول عليها من الطاقة المتجددة أو الموارد الطبيعية التي لا تنضب تقريبًا والظواهر. من بين أمور أخرى ، يمكن مراعاة الصداقة البيئية والاقتصاد.
تعتبر المصادر الرئيسية للطاقة لهذا النوع من الأنظمة هي طاقة الشمس والرياح والحالة الطبيعية للتربة على سطح الأرض (للمضخات الحرارية الأرضية المصدر). باستخدام مصادر الطاقة المتجددة ، فإننا نؤثر بشكل كبير على البيئة وأزمة الطاقة على الأرض ، كما نحصل على استقلالية عن أنواع الطاقة التقليدية ، وتوفير كبير في التكاليف وثقة في المستقبل.
تعتمد الطاقة الشمسية بشكل كبير على الطقس ووقت النهار: في يوم غائم ، وخاصة في الليل ، لا يمكن الحصول على الكهرباء. علينا شراء البطاريات ، مما يزيد من تكلفة تركيب الألواح الشمسية ، على سبيل المثال ، في الدولة ، ومن يخلق لحظات غير مواتية للبيئة بسبب الحاجة إلى التخلص من نفس البطاريات المستعملة.
بالإضافة إلى الخلايا الكهروضوئية والبطاريات الضوئية ، تُستخدم أيضًا مجمعات الطاقة الشمسية وسخانات المياه بالطاقة الشمسية على نطاق واسع ، فهي تستخدم لتسخين المياه للتدفئة وتوليد الكهرباء.
تعتبر ألمانيا واليابان وإسبانيا رائدة في تعميم الطاقة الشمسية. من الواضح أن القوى الجنوبية لها التفوق هنا ، حيث تضيء الشمس بشدة في الشتاء والصيف.
طاقة الرياح لها مزايا كبيرة وعيوب لا تقل أهمية. بالمقارنة مع الألواح الشمسية ، فإن "طواحين الهواء" رخيصة ولا تعتمد على الوقت من اليوم ، لذلك غالبًا ما توجد في مناطق الضواحي. لا يوجد سوى عيب واحد مهم لتوربينات الرياح - فهي صاخبة جدًا. يجب أن يتم تنسيق تركيب هذه المعدات ليس فقط مع الأقارب ، ولكن أيضًا مع سكان المنازل المجاورة.
إضافة كبيرة للطاقة الحرارية الأرضية هي عدم استنفادها الفعلي واستقلاليتها المطلقة عن الظروف البيئية والوقت من اليوم والسنة.
هناك الاحتمالات الأساسية التالية لاستخدام حرارة أعماق الأرض. يمكن توجيه الماء أو خليط من الماء والبخار ، حسب درجة حرارتهما ، لتزويد الماء الساخن والتدفئة ، أو لتوليد الكهرباء ، أو لكل هذه الأغراض دفعة واحدة. من المستحسن استخدام الحرارة المرتفعة في المنطقة القريبة من البراكين والصخور الجافة لتوليد الكهرباء وإمدادات الحرارة. يعتمد تصميم المحطة على مصدر الطاقة الحرارية الجوفية المستخدم.
تتمثل المشكلة الرئيسية التي تنشأ عند استخدام المياه الحرارية الجوفية في الحاجة إلى دورة متكررة لتدفق (حقن) المياه (المستنفدة تقليديًا) إلى طبقة المياه الجوفية الجوفية. تحتوي المياه الحرارية على العديد من أملاح المعادن السامة المختلفة (على سبيل المثال ، البورون والرصاص والزنك والكادميوم والزرنيخ) والمركبات الكيميائية (الأمونيا والأوكسي بنزين) ، مما يستبعد تصريف هذه المياه في أنظمة المياه السطحية الطبيعية.
تمتلك محطات طاقة المد والجزر طاقة أقل بكثير من محطات توليد الطاقة من الأمواج ، لكنها أسهل بكثير وأكثر راحة في البناء في المنطقة الساحلية للبحار. تحل قوى الجاذبية للقمر والشمس محل مستوى الماء في البحر مرتين في اليوم (يمكن أن يصل الفرق إلى عشرين من الأمتار) ، مما يجعل من الممكن استخدام طاقة المد والجزر لتوليد الكهرباء.
الاحتمال هو الوقود الحيوي السائل والغازي: وقود الديزل الحيوي والإيثانول الحيوي والغاز الحيوي والغاز التخليقي. يتم إنتاجها جميعًا على أساس نباتات غنية بالسكر أو الدهون: قصب السكر الحلو والذرة وحتى العوالق النباتية البحرية. الخيار الأخير لديه إمكانيات لا حصر لها: زراعة النباتات المائية في ظروف اصطناعية ليست عملًا صعبًا.
يعتبر البرق عملية كهربائية معقدة وينقسم إلى عدة أنواع: سالب - يتراكم في الجزء السفلي من السحابة وإيجابي - يتجمع في الجزء العلوي من السحابة. يجب أيضًا أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند تطوير أجهزة استقبال البرق.
وفقًا للعلماء ، تطلق عاصفة رعدية قوية واحدة من الطاقة التي يستهلكها الشخص العادي في الولايات المتحدة في 20 دقيقة.
اليوم ، يتطلب إنتاج الهيدروجين طاقة أكثر مما يمكن الحصول عليه باستخدامه ، لذلك من المستحيل اعتباره مصدرًا للطاقة. يعتبر فقط وسيلة لتخزين وتوصيل الطاقة.
ولكن هناك أيضًا خطر كبير من الإنتاج الضخم للهيدروجين ، إذا تسرب الهيدروجين من أسطوانة أو صهاريج تخزين أخرى ، كونه أخف من الهواء ، فإنه سيترك الغلاف الجوي للأرض بشكل لا رجعة فيه ، والذي ، مع التطبيق الشامل للتقنيات ، يمكن أن يؤدي إلى الفقد العالمي للماء إذا تم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء.
في عام 2012 ، شكلت الطاقة البديلة (باستثناء الطاقة الكهرومائية) 5.1٪ من إجمالي الطاقة التي تستهلكها البشرية.
طاقة العواصف الرعدية لا تزال مجرد اتجاه نظري. جوهر هذه التقنية هو التقاط طاقة البرق وإعادة توجيهها إلى شبكة الطاقة. مصدر الطاقة هذا متجدد ويشير إلى بديل ، أي آمنة بيئيا.
عملية تكوين البرق معقدة للغاية. في البداية ، من السحابة المكهربة ، يندفع التفريغ الرئيسي إلى الأرض ، والتي تشكلت من الانهيارات الجليدية الإلكترونية التي اندمجت في التفريغ (اللافتات). هذا التفريغ يترك وراءه قناة متأينة ساخنة ، يتحرك على طولها تفريغ البرق الرئيسي في الاتجاه المعاكس ، ممزقة من الأرض بواسطة مجال كهربائي قوي. في جزء من الثانية ، تتكرر العملية عدة مرات. المشكلة الرئيسية هي التقاط التفريغ وإعادة توجيهه إلى الشبكة.
كان بنجامين فرانكلين يبحث أيضًا عن الكهرباء السماوية. خلال عاصفة رعدية ، أطلق طائرة ورقية في سحابة وأدرك أنه كان يجمع شحنة كهربائية.
طاقة البرق هي 5 مليارات جول من الطاقة النقية دفعة واحدة ، وهو ما يعادل 145 لترًا من البنزين. يُعتقد أن ضربة صاعقة واحدة تحتوي على مثل هذه الكمية من الطاقة التي يستهلكها جميع سكان الولايات المتحدة في غضون 20 دقيقة.
يتم تسجيل حوالي 1.5 مليار حالة تفريغ سنويًا حول العالم ، أي يضرب البرق سطح الأرض حوالي 40-50 مرة في الثانية.
في 11 نوفمبر 2006 ، أعلنت شركة Alternative Energy Holdings نجاحها في إنشاء تصميم نموذج أولي يمكن أن يوضح "التقاط" البرق ثم تحويله إلى كهرباء "منزلية". ذكرت الشركة أن مردود النظير الصناعي الحالي سيكون من 4 إلى 7 سنوات بسعر تجزئة قدره 0.005 دولار لكل 1 كيلوواط ساعة. لسوء الحظ ، اضطرت إدارة المشروع ، بعد سلسلة من التجارب العملية ، إلى الإبلاغ عن فشل. ثم قارن مارتن أ. أوماني طاقة البرق بطاقة القنبلة الذرية.
في عام 2013 ، قام موظفو جامعة ساوثهامبتون بمحاكاة شحنة اصطناعية في ظروف معملية ، مماثلة في جميع المعلمات للبرق الطبيعي. بفضل المعدات البسيطة نسبيًا ، تمكن العلماء من "التقاطها" وفي غضون دقائق قليلة فقط شحن بطارية الهاتف الذكي بالكامل.
مزارع البرق لا تزال حلما. سوف تصبح مصادر صديقة للبيئة لا تنضب للطاقة الرخيصة للغاية. يعيق تطوير هذا المجال من الطاقة عدد من المشاكل الأساسية:
على الرغم من الصعوبات الواضحة ، فإن فكرة إنشاء مزارع البرق لا تزال حية: تريد البشرية حقًا ترويض الطبيعة والوصول إلى احتياطيات ضخمة من الطاقة المتجددة.
25.04.2018
لا يزال من الممكن تسمية هذا الاتجاه بالنظرية. جوهرها هو التقاط طاقة البرق ثم إعادة توجيهها إلى شبكة الطاقة. مثل هذا المصدر للطاقة متجدد ، ويشير إليه الخبراء كبديل ، أي صديق للبيئة.
كما نتذكر من الدورة المدرسية ، فإن تكوين البرق هو عملية معقدة نوعًا ما. من السحب المكهربة ، يندفع التفريغ الرئيسي نحو الأرض ، ويتشكل من الانهيارات الجليدية الإلكترونية مجتمعة في تيار (تصريفات). تتشكل قناة متأينة ساخنة خلف تفريغ هذا القائد. بدوره ، يتحرك تفريغ البرق الرئيسي على طول هذه القناة في الاتجاه من الأرض ، والذي ينفجر من السطح تحت تأثير مجال كهربائي قوي. تستمر العملية بسرعة البرق ، وتتكرر عدة مرات في جزء من الثانية. المهمة الرئيسية هي التقاط هذا التفريغ وإرساله إلى شبكة الطاقة.
كان الناس مهتمين بالكهرباء السماوية لفترة طويلة جدًا. يجدر التذكير بنجامين فرانكلين ، الذي طار في تجاربه طائرات ورقية أثناء عاصفة رعدية ، ونتيجة لذلك أدرك أنها تجمع الشحنات الكهربائية.
إذا تحدثنا عن طاقة البرق ، فعندئذٍ يتم جمع خمسة مليارات جول من أنقى الطاقة ، أي ما يعادل 145 لترًا من البنزين ، في تفريغ واحد. قدر العلماء أن صاعقة برق واحدة يمكن أن توفر الطاقة لسكان الولايات المتحدة لمدة 20 دقيقة. وإذا كنت تفكر في أن مليار ونصف تصريف يضرب كل عام الأرض بأكملها (من 40 إلى 50 تفريغًا في الثانية) ، فإن الآفاق مدهشة حقًا.
أدلى ممثلو شركة Alternative Energy Holdings في عام 2006 ببيان بأنهم قد نجحوا في إنشاء تصميم نموذج أولي ، والذي يمكنك من خلاله إظهار كيفية التقاط البرق وتحويله إلى طاقة لتلبية الاحتياجات المحلية. وفقًا لشركة Alternative Energy Holdings ، فإن التناظرية الصناعية الحالية قادرة على دفع تكاليفها في غضون 4-7 سنوات إذا كانت تكلفة التجزئة للطاقة 0.005 دولار لكل كيلوواط / ساعة. لكن سلسلة التجارب التي تم إجراؤها ، على ما يبدو ، لم تظهر نتائج مبهرة ، وأغلقها قادة المشروع. بعد ذلك ، تم وضع طاقة البرق وطاقة القنبلة الذرية على قدم المساواة (وفقًا لمارتن أ. أوماني).
بعد بضع سنوات (في عام 2013) ، قام موظفو جامعة ساوجامبتون بمحاكاة شحنة اصطناعية في المختبر تزامنت مع معايير البرق الطبيعي. باستخدام معدات بسيطة نسبيًا ، تمكن العلماء من التقاط الشحنة واستخدامها لشحن بطارية الهاتف الذكي بالكامل في غضون دقائق.
مزارع البرق لا تزال مجرد حلم. سيكون من الممكن الحصول على طاقة رخيصة عليها إلى ما لا نهاية دون الإضرار بالبيئة. المشكلة الرئيسية التي تعيق تطور هذا الاتجاه هي استحالة التنبؤ بمكان ووقت العاصفة الرعدية التالية. وهذا يعني أنه حتى في الأماكن التي يوجد بها أقصى عدد من ضربات الصواعق ، من الضروري تثبيت عدد كبير من "الفخاخ".
لا تزال هناك مشاكل أخرى ، وهي كالتالي:
ومع ذلك ، فإن مثل هذه المشاكل لا تمنع الناس من الحلم بإنشاء مزارع البرق. بعد كل شيء ، حلم ترويض الطبيعة والوصول إلى موارد الطاقة المتجددة موجود منذ مئات السنين وأصبح حقيقة أكثر فأكثر.
